JAVA Gestione delle eccezioni e Programmazione concorrente

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1 JAVA Gestione delle eccezioni e Programmazione concorrente Andrea BEI (andrea.bei@libero.it)

2 Gestione delle eccezioni Un eccezione è un evento generato in un applicazione in circostanze eccezionali (es: apertura di un file inesistente) In JAVA una eccezione generata può essere trattata in due modi: può essere catturata nel metodo che l ha generata provocando:» l interruzione dell esecuzione della parte del codice che l ha generata» l esecuzione di una parte di codice che ha la responsabilità di gestire l eccezione in modo pulito e consistente può essere propagata verso l alto nello stack di esecuzione dei metodi, cioè verso la parte di codice in cui è stato invocato il metodo che ha generato l eccezione. Se l eccezione è propagata anche dall ultimo metodo dello stack (il metodo main) viene catturata dal System Exception Handler della Java Virtual Machine che interrompe l esecuzione restituendo un messaggio di errore a Run-Time

3 Gestione delle eccezioni esempio tempo Metodo main: propaga tutte le eccezioni Metodo m1: cattura E1 propaga le altre Metodo m2: cattura E2 propaga le altre Metodo m3: propaga tutte le eccezioni E3 E3 E3 E3 E1 E1 E2

4 Gestione delle eccezioni: Generazione e Cattura La generazione di una eccezione viene fatta tramite il costrutto: throw <oggetto di tipo Throwable> Es: l applicazione abbandona l esecuzione emettendo un eccezione per esaurimento di memoria throw new Throwable( Troppi inserimenti effettuati ) La cattura di una eccezione avviene tramite il costrutto try/catch try try // parte di codice che if (X>MAX_VALUE) // può generare l eccezione throw new Throwable( X= +X); catch( Throwable E) catch (Throwable exc ) // parte di codice che System.out.println( Errore: + // gestisce l eccezione exc.getmessage() );

5 Gestione delle eccezioni:gerarchia Ogni eccezione in JAVA è descritta da un oggetto della classe throwable o di una sua sottoclasse: Throwable Exception Runtime Execption Arithmetic Exception Error IOException ETC. ETC. Le sottoclassi di Throwable rappresentano tipi specifici di eccezioni generabili dai metodi dichiarati nelle classi del JDK

6 Gestione delle eccezioni: la classe Throwable Definizione:Un oggetto di tipo Throwable è una eccezione o un errore Creazione: Throwable() Throwable( Messaggio che descrive l eccezione ) Metodi principali: getmessage() restituisce il messaggio associato all eccezione printstacktrace( stream ) restituisce una fotografia dello stack di esecuzione sull oggetto stream (PrintWriter o PrintStream) printstacktrace() restituisce una fotografia dello stack di esecuzione su stderr Es: try int a[] = new int[2]; a[4]=2; catch (Throwable e) System.out.println( Eccezione: " + e.getmessage()); e.printstacktrace();

7 Gestione delle eccezioni: la classe Throwable class oggetto1 // file: prova.java public void metodo1() try int a[]=new int[2]; a[4]=2; catch(throwable e) System.out.println("Eccezione: "+e.getmessage()); e.printstacktrace(); C:\jdk1.1>javac prova.java C:\jdk1.1>java prova Eccezione: java.lang.arrayindexoutofboundsexception: at oggetto1.metodo1(prova.java:6) at oggetto2.metodo2(prova.java:18) at prova.main(prova.java:25) C:\jdk1.1> class oggetto2 public void metodo2() oggetto1 o=new oggetto1(); o.metodo1(); class prova public static void main(string args[]) oggetto2 o2=new oggetto2(); o2.metodo2();

8 Gestione delle eccezioni: definizione di eccezioni proprie Il programmatore può definire delle proprie eccezioni nella gerarchia esistente con il meccanismo dell ereditarietà: Es: class Range_Error_Exception (String s) extends Throwable public Range_Error_Exception(String s) super(s); Una volta definite le eccezioni possono essere generate e catturate: Es: try if (X>MAX_VALUE ) throw new Range_Error_Exception( X= +X) catch (Range_Error_Exception exc) System.out.println( Errore di Range: +exc.getmessage());

9 Gestione delle eccezioni: propagazione Se l eccezione non è catturata deve essere propagata dal metodo che l ha generata ( altrimenti viene emesso un errore a tempo di compilazione ) per propagare una eccezione occorre inserire dopo la segnatura del metodo il costrutto: Throws <nome eccezione> Es: Class Funzioni public static boolean NumeroPrimo(long n) throws Range_Error_Exception if (n<0) throw new Range_Error_Exception( numero negativo! ); if (n%2==0) return false; long radice_di_n=(long) (Math.sqrt ( (double) n )) +1; for (long i=3; i<=radice_di_n;i+=2) if (n%i ==0) return false; return true

10 Gestione delle eccezioni: propagazione Propagare una eccezione significa demandare la sua gestione verso l alto nello stack di esecuzione. Ogni volta che si scrive l invocazione di un metodo si deve essere a conoscenza delle eccezioni che il metodo può generare per catturarle o propagarle. Le eccezioni generabili dai metodi del JDK sono documentate ( Es: Class Main public static void main(string argv[]) try System.out.println( I numeri primi da 20 a -1 sono: ); for(int i=20; i>=-1;i--) // il metodo NumeroPrimo può generare if (Funzioni.NumeroPrimo(i)) // Range_Error_Exception System.out.println(i); catch ( Range_Error_Exception exc) // che va catturata! System.out.println( Range_Error_Exception : + exc.getmessage());

11 Gestione delle eccezioni: propagazione C:\jdk1.1>javac Main.java C:\jdk1.1>java Main i numeri primi da 20 a -1 sono: Range_Error_Exception:numero negativo! C:\jdk1.1>

12 Gestione delle eccezioni: clausola finally La clausola finally situata dopo il blocco try o try/catch delimita una sezione di codice che deve essere eseguita a prescindere dall esito del try/catch o try. Es: Class Main public static void main(string argv[]) try System.out.println( I numeri primi da 20 a -1 sono: ); for(int i=20; i>=-1;i--) if (Funzioni.NumeroPrimo(i)) System.out.println(i); catch ( Range_Error_Exception exc) System.out.println( Range_Error_Exception : + exc.getmessage()); finally System.out.println( Comunque sia andata la lista è terminata );

13 Gestione delle eccezioni: un esempio completo import java.io.*; public class copia public static void main(string[] args) File inputfile = new File(args[0]); File outputfile = new File(args[1]); try FileReader in = new FileReader(inputFile); FileWriter out = new FileWriter(outputFile); BufferedReader inb=new BufferedReader(in); BufferedWriter outb=new BufferedWriter(out); int c; while ((c = inb.read())!= -1) outb.write(c); inb.close(); outb.close(); catch(filenotfoundexception exc) C:\jdk1.1>javac copia.java C:\jdk1.1>java copia input.txt output.txt file inesistente: input.txt C:\jdk1.1> System.out.println("file inesistente: "+exc.getmessage()); catch(ioexception exc) System.out.println("errore di input/output: "+exc.getmessage()); catch(throwable exc) System.out.println("errore inaspettato: "+exc.getmessage()); output

14 Programmazione concorrente La programmazione concorrente è un complesso di tecniche e strumenti (costrutti) che riguardano la realizzazione di applicazioni in cui diverse sezioni di codice sono eseguite simultaneamente L esecuzione di una di tali sezioni si chiama thread Una applicazione multithreading può generare una configurazione di thread simultanei rappresentabile da una struttura a grafo. Programmazione MonoThread Programmazione MultiThread Tempo Thread Main Thread 1 Thread Main Thread 2 INIZIO INIZIO FINE FINE

15 Programmazione concorrente: interazioni tra thread Le interazioni tra thread possono essere di 3 tipi: cooperazione (interazione prevedibile e desiderata ) si ha quando 2 o più thread comunicano dati tra loro. Es: un thread produce dati necessari ad un altro thread. competizione (interazione prevedibile non desiderata ma necessaria ) si ha quando 2 o più thread competono per l uso di risorse comuni che non possono essere usate contemporaneamente da più thread. Es: una stampante è una risorsa non condivisibile interferenza (interazione non prevedibile e non desiderata ) è dovuta ad erronea soluzione di situazioni di cooperazione o competizione. Il manifestarsi degli effetti di una interferenza dipende dai rapporti di velocità dei thread coinvolti.

16 Programmazione concorrente: I thread in JAVA I thread in JAVA sono rappresentati dalla classe: Thread. Questa incapsula tutto il sistema di controllo sui thread. Un oggetto Thread NON è un thread in esecuzione. Si deve pensare ad un oggetto di tipo Thread come ad un pannello di controllo o come alla rappresentazione di un thread in esecuzione. Ogni thread ha una priorità (un intero da 1 a 10) che viene usata dalla JVM per determinare il comportamento del thread rispetto agli altri thread. La CPU può eseguire istruzioni di un solo thread alla volta. La priorità è usata per decidere quando effettuare il context-switch e cioè quando passare dal thread attualmente in esecuzione ad un altro thread.

17 Programmazione concorrente: I thread in JAVA Ci possono essere due casi di context-switch Il thread cede la CPU questo può avvenire: - volontariamente tramite l invocazione di un metodo sull oggetto Thread che lo rappresenta. - perché si pone in pausa - perché si ferma - perché in attesa di I/O In questo caso tra tutti i thread pronti ad essere eseguiti quello a priorità maggiore guadagna la CPU Il thread viene forzato a lasciare la CPU da un thread a priorità più alta La politica per la quale il thread a priorità maggiore rispetto a quelli in esecuzione guadagna immediatamente la CPU viene definita pre-emptive multitasking.

18 Generazione di Thread: primo metodo 1) Si dichiara una classe che implementa l interfaccia Runnable interface Runnable public abstract void run(); Class ThreadNumeroPrimo implements Runnable private long numero; private boolean risultato; public ThreadNumeroPrimo(final long n) numero=n; public void run() // il codice che implementa il metodo run verrà eseguito come // thread indipendente risultato=funzioni.numeroprimo(numero); // verifica se numero è primo o no public boolean risultato() return risultato

19 Generazione di Thread: primo metodo 2) Si crea un oggetto di tipo Thread passando al costruttore un oggetto della classe dichiarata ThreadNumeroPrimo TNP=new ThreadNumeroPrimo(147) Thread T=new Thread(TNP); 3) L esecuzione del Thread creato parte nel momento in cui sull oggetto di tipo Thread viene invocato il metodo start. L invocazione del metodo join provoca l attesa che il thread abbia terminato l esecuzione Class Main public static void main(string argv[]) throws Exception ThreadNumeroPrimo TNP=newThreadNumeroPrimo(147); Thread T=new Thread(TNP); T.start(); T.start() 1 2 Threads // altre attività del main T.join(); // il main si sincronizza con la fine del Thread System.out.println( la risposta è +TNP.risultato()); tempo T.join()

20 Generazione di Thread: primo metodo INIZIO ThreadNumeroPrimo TNP=newThreadNumeroPrimo(147); Thread T=new Thread(TNP); T.start(); // altre attività del main risultato=funzioni.numeroprimo(numero); T.join(); System.out.println( la risposta è +TNP.risultato()); FINE

21 Metodi principali per il multithreading Metodi della classe java.lang.thread Thread( name ): crea un oggetto di tipo Thread chiamato name Thread( object ): crea un oggetto di tipo Thread a partire da un oggetto che implementa Runnable start(): provoca l esecuzione del Thread. Viene eseguito il codice presente nel metodo run() join(): provoca l attesa che il thread termini setpriority(int p): imposta la priorità del thread a p sleep(int delay): pone il thread in pausa per delay ms yield(): cede a Thread con più bassa priorità il diritto all esecuzione destroy(): distrugge il thread Metodi posseduti java.lang.object che interagiscono con i thread notifyall(): notifica di Wake Up a tutti i Threads in stato di wait sull oggetto. Un thread entra in stato di wait quando invoca uno dei metodi wait notify(): notifica di Wake Up al primo thread che si è posto in wait sull oggetto wait( delay ): attende che una delle seguenti condizioni si verifichi:» Uno dei metodi notify o notifyall è chiamato da un altro thread su questo oggetto» Il tempo delay in ms è passato wait(): attende che uno dei metodi notify o notifyall è invocato da un altro thread su questo oggetto

22 Metodi principali per il multithreading wait, notify, notifyall invocazione di wait e notifyall sull oggetto O invocazione di wait e notify sull oggetto O tempo Thread 1 priorità: 2 Thread 2 priorità: 5 Thread 3 priorità:8 Thread 1 priorità: 2 Thread 2 priorità: 5 Thread 3 priorità:8 O.wait() O.wait() O.wait() O.wait() O.notifyAll() O.notify()

23 Generazione di thread: secondo metodo 1) Si dichiara una classe che eredita direttamente dalla classe Thread Class ThreadNumeroPrimo extends Thread private long numero; private boolean risultato; public ThreadNumeroPrimo(final long n) numero=n; public void run() // il codice che implementa il metodo run verrà eseguito come // thread indipendente risultato=funzioni.numeroprimo(numero); // verifica se numero è primo o no public boolean risultato() return risultato

24 Generazione di Thread: secondo metodo 2) Si crea un oggetto della classe dichiarata 3) Si invoca sull oggetto creato il metodo start() ereditato dalla classe Thread e ridefinito. Class Main public static void main(string argv[]) throws Exception ThreadNumeroPrimo TNP=newThreadNumeroPrimo(147); TNP.start(); // altre attività del main TNP.join(); // il main si sincronizza con la fine del Thread System.out.println( la risposta è +TNP.risultato());

25 Mutua esclusione e sezioni critiche Una sezione critica è una parte di codice a cui può accedere un thread alla volta (serializzazione) es: buffer condiviso da due thread per la copia dei dati da un disco A ad un disco B Disco A read Reader Writer write Disco B i thred di lettura (Reader) e di scrittura (Writer) devono essere serializzati sulla struttura dati che implementa il buffer per proteggere la corruzione di indici e dati JAVA consente l uso di un costrutto di programmazione concorrente chiamato Monitor (Hoare-74) In JAVA un monitor è implementato definendo una classe i cui metodi sono dichiarati synchronized

26 Mutua esclusione e sezioni critiche In un oggetto i metodi dichiarati synchronized vengono eseguiti in modo mutuamente esclusivo. Non è possibile che due metodi synchronized vengano eseguiti simultaneamente da due thread diversi Quando un metodo synchronized viene invocato: se l oggetto su cui viene invocato è unlocked» il metodo viene immediatamente eseguito» l oggetto viene posto in stato di locked e ripasserà nello stato unlocked quando l esecuzione del metodo sarà terminata se l oggetto su cui viene invocato è locked» l esecuzione del metodo viene ritardata fino a quando l oggetto non sarà di nuovo unlocked

27 Mutua esclusione e sezioni critiche: esempio Class O. public synchronized void m1() public synchronized void m2(). O locked O unlocked Thread2 O.m1() Esecuzione O.m1() tempo Thread1 O.m2() attesa Esecuzione O.m2() tempo

28 Esempio di Monitor Applicazione per la copia di un file da un disco A ad un disco B tramite un buffer per il bilanciamento delle velocità di accesso dei dischi Si può implementare con la tecnica del produttore/consumatore definendo le classi: Reader implementa il thread che legge il file dal disco A e scrive i dati nel buffer. Se il buffer è pieno il thread è posto in stato di wait e permane in questo stato fino a che non viene svegliato dal Writer (notify). Ciò avviene quando il Writer legge (consuma) i dati dal buffer liberando spazio per nuovi dati. Writer implementa il thread che legge i dati dal buffer e li scrive sul file del disco B. Se il buffer è vuoto il thread è posto in stato di wait e permane in questo stato fino a che non viene svegliato dal Reader (notify). Ciò avviene quando il Reader scrive (produce) i dati sul buffer. Buffer implementa un Monitor che serializza le funzioni di scrittura e lettura su Buffer

29 La classe Buffer: descrizione Contiene i due metodi synchronized put e get per inserire e prelevare oggetti dal buffer Il buffer è implementato da un array di elementi di tipo Object gestito come una coda primo ultimo A B Il metodo get controlla se ci sono oggetti da prelevare. Se ci sono preleva il primo ed invoca il metodo notifyall altrimenti invoca il metodo wait Il metodo put controlla se la coda è piena se si invoca il metodo wait altrimenti inserisce l oggetto all ultimo posto ed invoca il metodo notifyall

30 La classe Buffer: implementazione Import java.io.*; class Buffer private static final int dim_coda = 5; // dimensione della coda private static final int ultimo_indice=dim_coda-1; private Object coda[]=new Object[dim_coda]; private int num_oggetti=0; private int primo=0; private int ultimo=0; public synchronized Object get() while (num_oggetti <= 0) try wait(); catch(interruptedexception e) // attendo che ci sia qualcosa da leggere Object res=coda[primo]; // prelevo il primo oggetto primo=primo==ultimo_indice? 0 : primo+1 // incremento (in modo circolare) primo num_oggetti--; // decremento il numero degli oggetti notifyall(); // sveglio il thread in attesa sul metodo put return res public synchronized Object put (Object valore) while (num_oggetti >= dim_coda) try wait(); catch(interruptedexception e) // attendo che ci sia posto per scrivere coda[ultimo] =valore; // inserisco l oggetto all ultimo posto ultimo=ultimo==ultimo_indice? 0 : ultimo+1; // incremento in modo circolare ultimo num_oggetti++; // incremento il numero degli oggetti notifyall(); // sveglio il thread in attesa sul metodo get

31 La classe Reader: descrizione Eredita dalla classe Thread Associa un BufferedInputStream al file origine sul disco A Per ogni linea del file: legge la linea la converte in un oggetto di tipo String inserisce l oggetto String nel buffer Al termine del file inserisce il valore null nel Buffer

32 La classe Reader: implementazione Class Reader extends Thread private Buffer buffer; private String nome_file; public Reader ( String nome_file, Buffer buffer ) super( Reader ); this.buffer=buffer; this.nome_file=nome_file; public void run() try FileInputStream istream = new FileInputStream (nome_file ); BufferedInputStream bis = new BufferdInputStream (istream ); int ch=bis.read(); while (ch!= -1 ) String linea = ; while (ch!= \n && ch!= -1 ) linea+= (char) ch; ch=bis.read(); buffer.put( linea ) ch=bis.read(); bis.close(); catch(exception e) buffer.put(null);

33 La classe Writer: descrizione Eredita dalla classe Thread Associa un oggetto di tipo PrintWriter al file destinazione sul disco B Legge le stringhe dal Buffer fino a che non viene letta la stringa null Ogni stringa letta viene scritta tramite lo stream PrintWriter sul file destinazione

34 La classe Writer: implementazione Class Writer extends Thread private Buffer buffer; private String nome_file; public Writer ( String nome_file, Buffer buffer) super( Writer ); this.buffer=buffer; this.nome_file=nome_file; public void run() try FileOutputStream ostream = new FileOutputStream (nome_file); PrintWriter pw = new PrintWriter (ostream ); Object linea = buffer.get(); while (linea!= null ) pw.print ( (String) linea + \n ); linea = buffer.get(); pw.flush(); ostream.close(); catch(exception e)

35 L applicazione Copia Class Copia public static void main ( String args[]) Buffer buffer = new Buffer(); // creazione del Monitor Reader reader = new Reader ( A:\input.txt,buffer); // creazione del Thread Reader Writer writer = new Writer ( B:\output.txt,buffer); // creazione del Thread Writer writer.start(); reader.start(); // entrambi i thread sono in esecuzione