Thread THREAD IN JAVA. Un thread (lightweight process) è un singolo flusso sequenziale di controllo all interno di un processo

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1 THREAD IN JAVA Come si può realizzare il concetto di Thread in Java? NEL MODO PIU' NATURALE! Sono oggetti particolari ai quali si richiede un servizio (chiamato start()) corrispondente al lancio di una attività, di un thread! MA: non si aspetta che il servizio termini, esso procede in concorrenza a chi lo ha richiesto! Thread Un thread (lightweight process) è un singolo flusso sequenziale di controllo all interno di un processo Normale Richiesta di Servizio Richiesta di Servizio start() a un Thread Oggetto A Flusso di Esecuzione Oggetto A Attesa che Termini la Esecuzione di B.X() B.X() return Oggetto B Esecuzione del Metodo X in B Da qui in poi ci sono due flussi di esecuzione, l'oggetto A non aspetta che termini l'esecuzione dell'oggetto B B.start() Oggetto Thread B Esecuzione del Metodo run() in B Un thread: esegue all interno del contesto di esecuzione di un unico processo/programma NON ha uno spazio di indirizzamento riservato: tutti i thread appartenenti allo stesso processo condividono lo stesso spazio di indirizzamento ha execution stack e program counter privati

2 Java Thread Esempio di classe Simplethread che è sottoclasse di Thread (modalità 1): Due modalità per implementare thread in Java: 1. come sottoclasse della classe Thread 2. come classe che implementa l interfaccia Runnable 1) come sottoclasse della classe Thread Thread possiede un metodo run() che la sottoclasse deve ridefinire si crea un istanza della sottoclasse tramite new si esegue un thread chiamando il metodo start() che a sua volta richiama il metodo run() public class SimpleThread extends Thread { public SimpleThread(String str) { super(str); public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(i + " " + getname()); try { sleep((int)(math.random()* 1000)); catch (InterruptedException e){ System.out.println("DONE! " + getname()); public class TwoThreadsTest { public static void main (String[] args) { new SimpleThread("Jamaica").start(); new SimpleThread("Fiji").start();

3 E se occorre definire thread che non siano necessariamente sottoclassi di Thread? Esempio di classe EsempioRunnable che implementa l interfaccia Runnable ed è sottoclasse di MiaClasse (modalità 2): 2) come classe che implementa l interfaccia runnable implementare il metodo run() nella classe creare un istanza della classe tramite new creare un istanza della classe Thread con un altra new, passando come parametro l istanza della classe che si è creata invocare il metodo start() sul thread creato, producendo la chiamata al suo metodo run() class EsempioRunnable extends MiaClasse implements Runnable { // non e sottoclasse di Thread public void run() { for (int i=1; i<=10; i++) System.out.println(i + + i*i); public class Esempio { public static void main(string args[]){ Interfaccia Runnable: maggiore flessibilità derivante dal poter essere sottoclasse di qualsiasi altra classe EsempioRunnable e = new EsempioRunnable(); Thread t = new Thread (e); t.start();

4 Il ciclo di vita di un thread Dead al termine naturale della sua esecuzione o dopo l invocazione del suo metodo stop() da parte di un altro thread Metodi per il controllo di thread Creato subito dopo l istruzione new le variabili sono state allocate e inizializzate; il thread è in attesa di passare allo stato di eseguibile Runnable thread è in esecuzione, o in coda d attesa per ottenere l utilizzo della CPU Not Runnable il thread non può essere messo in esecuzione dallo scheduler. Entra in questo stato quando in attesa di un operazione di I/O, o dopo l invocazione dei metodi suspend(), wait(), sleep() start() fa partire l esecuzione di un thread. La macchina virtuale Java invoca il metodo run() del thread appena creato stop() forza la terminazione dell esecuzione di un thread. Tutte le risorse utilizzate dal thread vengono immediatamente liberate (lock inclusi), come effetto della propagazione dell eccezione ThreadDeath suspend() blocca l'esecuzione di un thread in attesa di una successiva operazione di resume. Non libera le risorse impegnate dal thread (possibilità di deadlock)

5 resume() riprende l'esecuzione di un thread precedentemente sospeso. Se il thread riattivato ha una priorità maggiore di quello correntemente in esecuzione, avrà subito accesso alla CPU, altrimenti andrà in coda d'attesa sleep(long t) blocca per un tempo specificato (time) l'esecuzione di un thread. Nessun lock in possesso del thread viene rilasciato. join() blocca il thread chiamante in attesa della terminazione del thread di cui si invoca il metodo. Anche con timeout yield() sospende l'esecuzione del thread invocante, lasciando il controllo della CPU agli altri thread in coda d'attesa I metodi precedenti interagiscono ovviamente con il gestore della sicurezza della macchina virtuale Java (SecurityManager, checkaccess(), checkpermission()) Il problema di stop()e suspend() stop() e suspend() rappresentano azioni brutali sul ciclo di vita di un thread => rischio di determinare situazioni di blocco critico (deadlock) Infatti: se il thread sospeso aveva acquisito una risorsa in maniera esclusiva, tale risorsa rimane bloccata e non è utilizzabile da altri, perché il thread sospeso non ha avuto modo di rilasciare il lock su di essa se il thread interrotto stava compiendo un insieme di operazioni su risorse comuni, da eseguirsi idealmente in maniera atomica, l interruzione può condurre ad uno stato inconsistente del sistema JDK 1.2, pur supportandoli ancora per ragioni di back-compatibility, sconsiglia l utilizzo dei metodi stop(), suspend() e resume() (metodi deprecated) Altri metodi fondamentali per le operazioni di sincronizzazione fra thread Java: wait(), notify(), notifyall() (vedi lucido 11 e seguenti) Si consiglia invece di realizzare tutte le azioni di controllo e sincronizzazione fra thread tramite i metodi wait() e notify() su variabili condizione (astrazione di monitor)

6 Priorità dei thread in Java Scheduling: esecuzione di una molteplicità di thread su una singola CPU, in un qualche ordine Macchina virtuale Java (JVM) Fixed Priority Scheduling algoritmo di scheduling molto semplice e deterministico JVM sceglie il thread in stato runnable con priorità più alta Se più thread in attesa di eseguire hanno uguale priorità, la scelta della JVM avviene con una modalità di tipo round-robin. La classe Thread fornisce i metodi: setpriority(int num) getpriority() con valori di num compresi fra MIN_PRIORITY e MAX_PRIORITY (costanti definite anch esse nella classe Thread) Il thread messo in esecuzione dallo scheduler viene interrotto se e solo se: un thread con priorità più alta diventa runnable; il metodo run termina l esecuzione o il thread esegue un yield; il quanto di tempo assegnato si è esaurito (solo su sistemi che supportano time-slicing, come Windows95/NT) public void run() { while (tick < ) { tick++; if ((tick % 50000) == 0) System.out.println("Thread #" + num + ", tick = " + tick); Time-Sliced System Non Time-Sliced System Thread #1, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #1, tick = Thread #1, tick = Thread #1, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #0, tick = Thread #1, tick = Thread #1, tick = Thread #1, tick = Thread #1, tick =

7 SINCRONIZZAZIONE di THREADS Quando due o più thread eseguono concorrentemente, è in generale impossibile prevedere l'ordine in cui le loro istruzioni verranno eseguite. Problemi nel caso in cui i thread invocano metodi sullo stesso oggetto di cui condividono il riferimento. SONO POSSIBILI INCONSISTENZE! Esempio: Oggetto conto_corrente con metodo versamento(importo) \ public void versamento(int importo) { int nuovo_totale; //variabile locale nuovo_totale = totale_conto + importo - tasse; //totale_conto è una variabile dell'oggetto //e indica i soldi totali sul conto //l'istruzione sopra calcola in nuovo totale del // conto corrente mettendo il risultato nella //variabile locale totale_conto = nuovo_totale; // metto il totale calcolato nella variabile //dell'oggetto che memorizza il conto totale Supponiamo che due thread abbiano entrambi un riferimento all'oggetto invochino separatamente il metodo versamento per fare ognuno un versamento sul conto. ESEMPIO DI INCONSISTENZA Supponiamo che l'oggetto conto_corrente abbia nella sua variabile totale_conto il valore Ci si aspetta che se qualcuno deposita 500 e qualcun altro deposita 1000, e supponendo che le tasse per ogni versamento siano 100, alla fine la variabile totale_conto valga Supponiamo che questi due depositi vengano fatti in concorrenza da due thread diversi e che durante l'esecuzione i thread si alternino sul processore, come segue Thread A Thread B conto_corrente.versamento(1000) // il thread invoca il metodo e il flusso di esecuzione fa a eseguire le istruzioni di tale metodo nuovo_totale= totale_conto+importo-tasse; //nuovo_totale = totale_conto =nuovo_totale; //totale_conto vale 2900 Alla fine, totale_conto vale 2400!!!! Il metodo versamento() non è atomico conto_corrente.versamento(500) // il thread invoca il metodo e il flusso di esecuzione fa a eseguire le istruzioni di tale metodo nuovo_totale= totale_conto+importo-tasse; //nuovo_totale = totale_conto = nuovo_totale; //totale_conto vale 2400

8 Mutua Esclusione Differenti thread che fanno parte della stessa applicazione Java condividono lo stesso spazio di memoria è possibile che più thread accedano contemporaneamente allo stesso metodo o alla stessa sezione di codice di un oggetto per accedere a un metodo o una sezione synchronized, un thread deve prima acquisire il lock dell oggetto il lock è automaticamente rilasciato quando il thread esce dalla sezione synchronized, o se viene interrotto da un eccezione un thread che non riesce ad acquisire un lock rimane sospeso sulla richiesta della risorsa fino a che il lock non è disponibile Servono meccanismi di mutua esclusione sull accesso al metodo e alla sezione di codice condivisa JVM supporta la mutua esclusione nell accesso a risorse condivise tramite la keyword synchronized NOTA: ad ogni oggetto contenente metodi o blocchi synchronized viene assegnata una sola variabile condizione Due thread non possono accedere contemporaneamente a due sezioni synchronized diverse di uno stesso oggetto synchronized su: singolo metodo, o blocco di istruzioni In pratica: a ogni oggetto Java è automaticamente associato un lock

9 ESEMPIO Lettura Dati da Socket... public class AsyncReadSocket extends Thread { private Socket s; private StringBuffer result; public AsyncReadSocket(Socket s) { this.s=s; result=new StringBuffer(); public void run(){ DataInputStream is=null; try { is=new DataInputStream(s.getInputStream()); catch (Exception e) { while (true) { try { char c=is.readchar(); result.append(c); catch (Exception e) { public String getresult { //metodo usato da un altro thread per leggere la stringa letta dalla socket String retval=result.tostring(); result=new StringBuffer(); return retval; Problemi: 1. che cosa accade se un thread chiama il metodo getresult() nello stesso momento in cui il metodo readchar() ritorna con i dati? Esempio di sequenza e di corsa critica: Thread A Thread AsynchReadSocket 1. getresult() 2. String retval=result.tostring(); 5. result=new StringBuffer() 3. Ritorno da readchar() 4. result.append(c) I dati appesi a result al passo 4 vanno persi; non sono stati, infatti ritrovati dal Thread A al passo 2 e al passo 5 Thread A assegna result ad un nuovo StringBuffer (vuoto) Un caso di corsa critica si verifica nell accesso a result in due casi: 1. Thread A chiama getresult() e Thread AsynchReadSocket esegue is.readchar e result.append 2. due thread chiamano contemporaneamente getresult()

10 ESEMPIO MODIFICATO... public class AsyncReadSocket extends Thread { private Socket s; private StringBuffer result; public AsyncReadSocket(Socket s) { this.s=s; result=new StringBuffer(); public void run(){ DataInputStream is=null; try { is=new DataInputStream(s.getInputStream()); catch (Exception e) { while (true) { try { char c=is.readchar(); appendresult(c); catch (Exception e) { public synchronized String getresult { String retval=result.tostring(); result=new StringBuffer(); return retval; public synchronized void appendresult(char c){ result.append(c) 1. se avessimo definito come sychronized solo getresult() e non appendresult()? => non avremmo risolto i problemi di corsa critica 2. e se definissimo run() come metodo synchronized? La mutua esclusione durerebbe all infinito e due Thread di tipo AsynchReadSocket non potrebbero eseguire concorrentemente

11 ESEMPIO - Uno stack sincronizzato class EmptyStackException extends Exception { EmptyStackException() { EmptyStackException(String s) { super(s); class Stack { Object val[]; int sp = 0; Stack(int max) { val = new Object[max]; public synchronized void push(object e) { val[sp++]=e; public synchronized Object pop() throws EmptyStackException { if (sp>0) return val[--sp]; else throw new EmptyStackException(); public boolean isempty() { return (sp==0); public void print() { System.out.print("Stack content: ["); for(int i=0; i<sp-1; i++) System.out.print(val[i] + ", "); if (sp>0) System.out.print(val[sp-1]); System.out.print("]"); ESEMPIO - Uso dello stack Questo codice riunisce in sé tre attività diverse: il pusher (che inserisce nello stack dato 20 oggetti Integer), il popper (che li estrae), e il printer (che visualizza lo stato dello stack). Ogni istanza di MyBody9 si comporterà quindi o come pusher, o come popper, o come printer, a seconda del nome che le viene passato all atto della costruzione. class MyBody9 implements Runnable { String chisonoio; static Stack s = new Stack(100); // condiviso MyBody9(String name){ chisonoio = name; public void run(){ if (chisonoio.equals("pusher")) { for(int i=0; i<20; i++) { System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " pushing " + i); s.push( new Integer(i) ); else if (chisonoio.equals("popper")) { try { Thread.sleep(500); catch (InterruptedException ee) { try { while(!(s.isempty())) System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " popping " + s.pop()); catch (EmptyStackException e) { System.out.println( Thread.currentThread().getName() + " tried to pop an empty stack"); else /* sono il printer */ s.print();

12 ESEMPIO - Uso dello stack public class Esempio9 { public static void main(string args[]){ // creo tre istanze configurate diversamente MyBody9 b1 = new MyBody9("pusher"); MyBody9 b2 = new MyBody9("popper"); MyBody9 b3 = new MyBody9("printer"); // creo tre thread, uno per task da eseguire Thread t1 = new Thread(b1, "Produttore"); Thread t2 = new Thread(b2, "Consumatore"); Thread t3 = new Thread(b3, "Visualizzatore"); // ora attivo Produttore e Consumatore t2.start(); t1.start(); // e aspetto che finiscano entrambi try { t1.join(); catch(interruptedexception e1) { try { t2.join(); catch(interruptedexception e2) { // alla fine attivo il Visualizzatore t3.start(); Esempio (Lettori - Scrittori): Classe che modella un DB (l implementazione è semplice: il DB è rappresentato da un intero) class Rwbasic { protected int data=0; //the database public void read(){ System.out.println( read: +data); public void write(){ data++; System.out.println( wrote: +data); NOTA: a rigore, esiste ancora un rischio di inconsistenza sugli oggetti memorizzati nello stack, in quanto si memorizzano riferimenti: altri thread potrebbero fare riferimento agli stessi oggetti, e modificarli mentre sono memorizzati nello stack sarebbe più sicuro archiviare nello stack delle copie (cloni) degli oggetti anziché mantenere dei riferimenti

13 class Reader extends Thread { int rounds; Rwbasic rw; public Reader(int rounds, Rwbasic rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){ for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.read(); class Writer extends Thread { int rounds; Rwbasic rw; public Writer(int rounds, Rwbasic rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){ for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.write(); class Main { static Rwbasic rw = new Rwbasic(); public static void main(string[] args) { int rounds = Integer.parseInt(args[0], 10); new Reader(rounds, rw).start(); new Writer(rounds, rw).start(); => accesso concorrente alla variabile data! Esempio Produttori e Consumatori in Mutua Esclusione class Rwbasicexclusive extends Rwbasic { public synchronized read(){ System.out.println( read: +data); public synchronized void write(){ data++; System.out.println( wrote: +data); class Reader extends Thread { int rounds; Rwbasicexclusive rw; public Reader(int rounds, Rwbasicexclusive rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){ for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.read(); class Writer extends Thread { int rounds; Rwbasicexclusive rw; public Writer(int rounds, Rwbasicexclusive rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){

14 for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.write(); class Main { static Rwbasicexclusive rw; rw=new Rwbasicexclusive(); public static void main(string[] args) { int rounds = Integer.parseInt(args[0], 10); new Reader(rounds, rw).start(); new Writer(rounds, rw).start(); Sincronizzazione Mutua esclusione uso di lock (tramite keyword synchronized) Politiche di sincronizzazione nell accesso ad una risorsa condivisa uso di meccanismi di guardia e di variabili logiche di condizioni (tramite keyword synchronized e metodi wait() e notify())

15 Esempio (Controllore per un parcheggio di auto) Progettare un sistema di controllo per l ingresso ad un parcheggio per auto. Il sistema deve permettere alle auto di entrare solo quando il parcheggio non è pieno e non permette alle auto di uscire quando non ci sono auto nel parcheggio. Simulare l arrivo e l uscita di auto tramite threads. ARRIVALS arrive CARPARK CONTROL depart CARPARK DEPARTURES Threads: Arrivals, Departures (implementano Runnable). CarParkControl è la classe che fornisce il controllo nell accesso al parcheggio. class CarParkControl { protected int spaces; protected int capacity; CarParkControl(int capacity) {capacity = spaces = n; synchronized void arrive() { --spaces; synchronized void depart() { ++spaces; class Arrivals implements Runnable { CarParkControl carpark; Arrivals(CarParkControl c) {carpark = c; public void run() { try { while(true) { carpark.arrive(); catch (InterruptedException e){

16 e le variabili condizione? class CarParkControl { protected int spaces; protected int capacity; CarParkControl(int capacity) {capacity = spaces = n; synchronized void arrive() throws InterruptedException { while (spaces==0) wait(); --spaces; notify(); synchronized void depart() throws InterruptedException { while (spaces==capacity) wait(); ++spaces; notify(); Ogni oggetto Java (istanza di una sottoclasse qualsiasi della classe Object) fornisce i metodi di sincronizzazione: wait() blocca l esecuzione del thread invocante in attesa che un altro thread invochi i metodi notify() o notifyall() per quell oggetto. Il thread invocante deve essere in possesso del lock sull oggetto (ossia la wait() deve essere eseguita all interno di un metodo o sezione synchronized); il suo blocco avviene dopo aver rilasciato il lock. Il thread riacquisisce il lock prima di ritornare dal metodo wait() per evitare situazioni di corsa critica. Anche varianti con specifica di timeout notify() risveglia un unico thread in attesa sul monitor dell oggetto in questione. Se più thread sono in attesa, la scelta avviene in maniera arbitraria, dipendente dall implementazione della macchina virtuale Java. Il thread risvegliato compete con ogni altro thread, come di norma, per ottenere la risorsa protetta. Anche la notify deve essere chiamata all interno di un metodo synchronised. notifyall()

17 esattamente come notify(), ma risveglia tutti i thread in attesa per l oggetto in questione. È necessario tutte le volte in cui più thread possono essere sospesi su differenti sezioni critiche dello stesso oggetto (unica coda d attesa) Altro Esempio: g i n J a v a public class GuardedBoundedBuffer implements Buffer { private List data; private final int capacity; public GuardedBoundedBuffer(int capacity) { data = new ArrayList(capacity); this.capacity = capacity; public synchronized Object take() throws Failure { while (data.size() == 0) try { wait(); catch(interruptedexception ex) {throw new Failure(); Object temp = data.get(0); data.remove(0); notifyall(); return temp; public synchronized void put(object obj) throws Failure { while (data.size() == capacity) try { wait(); catch(interruptedexception ex) {throw new Failure(); data.add(obj); notifyall(); public synchronized int size() { return data.size(); public int capacity() { return capacity;

18 Potrebbero wait() e notify() essere usati in sostituzione dei metodi synchronized? NO!!! Se non vengono chiamati dentro metodi synchronized si verificano possibili corse critiche. Esempio di corsa critica in presenza di due thread: 1. il primo thread testa una condizione e verifica che che la condizione non è verificata 2. il secondo thread modifica la condizione rendendola vera per il primo thread 3. il secondo thread chiama una notify() che pero non produce alcun effetto sul primo thread perché non ha ancora chiamato la wait() 4. il primo thread a questo punto chiama la wait() e si sospende all infinito => occorrono i lock di sincronizzazione. La wait è realizzata in modo da rilasciare il lock prima di mettersi in attesa e di riacquisirlo prima di ritornare dalla wait Produttori e Consumatori Concorrenti Possibili Politiche di Accesso se ci sono dei lettori già attivi sulla risorsa, puo un altro thread lettore accedere anche se c è già uno scrittore sospeso? se sulla risorsa è attivo uno scrittore e in attesa ci sono lettori e scrittori, a chi dare la precedenza? Ai lettori? Agli scrittori? Al primo che ha fatto la richiesta? Random? In maniera alternata? Esempio: class ReadersWriters extends Rwbasic { private int nr=0; private synchronized void startread(){ nr++; public synchronized void endread(){ nr--; if (nr==0) notify(); // sveglia i Writers in attesa // il metodo read non è piu synchronized public void read(){ startread(); System.out.println( wrote +data); endread();

19 public synchronized void write(){ while (nr>0) try { wait(); catch (InterruptedException ex) {return; data++; System.out.println( wrote +data); notify; class Reader extends Thread { int rounds; ReadersWriters rw; public Reader(int rounds, ReadersWriters rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){ for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.read(); class Writer extends Thread { int rounds; ReadersWriters rw; public Writer(int rounds, ReadersWriters rw) { this.rounds=rounds; this.rw=rw; public void run(){ for (int i= 0; i< rounds; i++) { rw.write(); class Main { static ReadersWriters rw; rw=new ReadersWriters (); public static void main(string[] args) { int rounds = Integer.parseInt(args[0], 10); new Reader(rounds, rw).start(); new Writer(rounds, rw).start(); A chi viene data la priorità nell accesso alla risorsa condivisa (variabile data)? Ai lettori

20 Variante: public abstract class RW { protected int activereaders = 0; protected int activewriters = 0; protected int waitingreaders = 0; protected int waitingwriters = 0; public void read() { beforeread(); try { doread(); finally { afterread(); public void write(){ beforewrite(); try { dowrite(); finally { afterwrite(); C o n c t P r o g r a n g i n J a v a protected synchronized void beforeread() { ++waitingreaders; while (!allowreader()) try { wait(); catch (InterruptedException ex) {... --waitingreaders; ++activereaders; protected abstract void doread(); protected synchronized void afterread() { --activereaders; notifyall(); protected boolean allowreader() { return waitingwriters == 0 && activewriters == 0; protected boolean allowwriter() { return activereaders == 0 && activewriters == 0;

21 C o n c u r t P r o g r a n J a v a protected synchronized void beforewrite() { ++waitingwriters; while (!allowwriter()) try { wait(); catch (InterruptedException ex) {... --waitingwriters; ++activewriters; protected abstract void dowrite(); protected synchronized void afterwrite() { --activewriters; notifyall();