Programmazione Concorrente

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1 Programmazione Concorrente Programmazione in Ambienti Distribuiti A.A Programmi sequenziali Stack (Variabili locali) Stack pointer Istruzioni Heap (Oggetti) 2 1

2 Processi paralleli Processo 1 Processo 2 Socket 3 Thread (1) Stack 1 Stack 2 Heap 4 2

3 Thread (2) Un thread è un singolo flusso di controllo sequenziale all interno di un processo All atto della creazione del processo, il sistema operativo crea il thread principale ad esso associato Ad ogni thread è associato un program counter, uno stack (con il relativo puntatore) ed altre informazioni di controllo Tutti i thread di un dato processo condividono il codice ed i dati su cui operano 5 Creazione di thread Per creare un thread occorre: Preparare le strutture di supporto necessarie alla sua esecuzione Indicare quale codice esso debba eseguire La classe java.lang.thread si occupa del primo aspetto, il programmatore del secondo 6 3

4 Creazione di un thread Si specifica il codice da eseguire: creando una sottoclasse di Thread che ridefinisca il metodo run() passando al costruttore della classe Thread un oggetto che implementi l interfaccia Runnable Istanziando la classe Thread o una sua sottoclasse si prepara l esecuzione di un nuovo flusso di esecuzione All atto della creazione, questo non è ancora attivo Lo diventa quando viene invocato il metodo start() 7 Stato di un thread new Thread() New Thread Runnable Not Runnable stop() start() run()termina stop() Dead vari casi stop() 8 4

5 Scheduling Ad ogni istante, la JVM sceglie tra tutti i thread nello stato Runnable quello che deve essere eseguito Ad ogni thread è associata una priorità che viene utilizzata in questo processo di scelta: Viene attribuita dal programmatore con il metodo setpriority() Lo scheduler non la cambia Se più thread sono eseguibili, viene scelto quello alla massima priorità Se ci sono più thread alla massima priorità, ne viene selezionato uno a turno 9 Passaggio di stato Un thread diventa non eseguibile nei seguenti casi: sleep(long time) obj.wait() esegue un operazione di I/O bloccante Ritorna eseguibile se trascorre il tempo un altro thread chiama obj.notify() finisce l operazione di I/O un altro thread esegue t.interrupt() 10 5

6 Conoscere lo stato di un thread Il metodo isalive() ritorna true se il thread è iniziato e non è ancora terminato Non è possibile determinare se un dato thread sia o no eseguibile 11 Terminare un thread Un thread termina quando il metodo run() ritorna oppure se qualcuno ne invoca il metodo stop() Alternativa deprecata perché può dare origine a problemi di sincronizzazione Se il thread contiene un ciclo conviene usare una variabile condivisa: Ad ogni ripetizione del ciclo la variabile viene testata per decidere se è il caso di continuare oppure no 12 6

7 Terminare un thread (2) Thread runner; public void go() { runner= new Thread(this); } public void halt() { runner=null; } public void run() { Thread me; me=thread.getcurrentthread(); while (runner == me) { //esegui il ciclo //... } } 13 Attendere la morte di un thread Siano dati due thread, t1 e t2 t1 può attendere la terminazione di t2 invocando t2.join() L attesa di t1 può essere interrotta chiamando t1.interrupt() 14 7

8 Thread: problemi introdotti Thread1: modifica Thread2: lettura Dato condiviso 15 Compiti del programmatore Java fornisce solo meccanismi semplici di sincronizzazione È compito del programmatore riconoscere quando e dove utilizzarli Un uso sbagliato porta a risultati disastrosi Mancata sincronizzazione: malfunzionamenti casuali Errata sincronizzazione: blocco 16 8

9 Sincronizzazione Mentre una modifica è in corso bisogna evitare che altri thread accedano alla risorsa condivisa: È necessario introdurre un meccanismo che regoli l accesso alle zone pericolose Non è possibile realizzare un semaforo direttamente in Java: diventerebbe, infatti, una risorsa condivisa e necessiterebbe di un semaforo 17 Sezioni critiche Porzioni di codice che operano su dati condivisi: Mentre un thread esegue una sezione critica, nessun altro thread dovrebbe poter agire sui dati condivisi Ciò si ottiene con il meccanismo di mutua esclusione fornito da Java Utilizzo della parola chiave synchronized 18 9

10 Mutua esclusione (1) synchronized metodo1() synchronized metodo2() Oggetto 19 Mutua esclusione (2) Ogni oggetto dispone di di un unica chiave che controlla l accesso ai metodi sincronizzati Per poter eseguire il codice è necessario aprire il lucchetto Il primo thread che cerca di eseguire un metodo sincronizzato, prende la chiave e la tiene fino al termine del metodo stesso Eventuali altri thread che cerchino di accedere oltre un lucchetto devono attendere la disponibilità della chiave 20 10

11 Deadlock Un thread può trovarsi in più sezioni critiche allo stesso tempo: chiamando un metodo sincronizzato di un oggetto dall interno di un metodo sincronizzato di un altro oggetto Questo può dare origine a forme di blocco synchronized metodo1() synchronized metodoy() Obj1 Obj2 synchronized metodox() synchronized metodo2() 21 Sincronizzazione e metodi statici La sincronizzazione dei metodi statici fa riferimento alla chiave contenuta nell oggetto che rappresenta la classe a cui appartengono I metodi synchronized statici non sono in mutua esclusione con quelli synchronized non statici 22 11

12 Segnalazione tra thread A volte, per proseguire un thread deve attendere il verificarsi di una data condizione in un altro thread In java lo si realizza con il meccanismo wait()/notify() 23 Wait() Ogni oggetto dispone di un semaforo inizialmente bloccato Si attende il via libera con il metodo wait() Occorre invocare tale metodo solo all interno di codice sincronizzato synchronized (this) { wait(); } 24 12

13 Notify() Fornisce il via libera ad un thread in attesa tramite wait() Se nessuno è in attesa non capita nulla Se più di un thread è in attesa, ne viene scelto uno a caso Si può chiamare questo metodo all interno di codice sincronizzato: Poiché sia il thread che invia la notifica che quelli in attesa sono all interno di una sezione critica, solo quando chi ha effettuato la notifica esce dal blocco sincronizzato, il thread svegliato può iniziare 25 Meccanismi di comunicazione Il meccanismo wait/notify si limita ad indicare che il thread in attesa può continuare Se occorre anche scambiare dei messaggi tra i due thread è necessario ricorrere all uso di oggetti condivisi 26 13

14 Meccanismi di comunicazione La complessità di gestione della sincronizzazione spinge verso l uso di tecniche note ed affidabili (Pattern) È sempre necessaria molta cautela nella realizzazione di programmi multi-thread 27 Thread e Socket Server concorrenti Si accettano più connessioni la cui gestione viene demandata a thread differenti Obiettivo: massimizzare l efficienza o Spesso i tempi di risposta di un server sono condizionati dalla velocità di risposta delle reti e non dal carico computazionale associato Protocolli applicativi full-duplex Occorre disporre di thread separati e fortemente coordinati per gestire le interazioni da e verso il client 28 14

15 Server concorrenti (1) A fronte di ogni nuova connessione si crea un thread, responsabile della sua gestione Strategia semplice, adatta per server a basso carico Può portare a perdita di risorse (è difficile monitorare lo stato del server e di tutti i thread presenti) L overhead legato alla creazione di nuovi thread può consumare tutte le risorse della macchina virtuale provocando il blocco del sistema (trash) 29 Server concorrenti (2) Si creano, a priori, un certo numero di thread che competono per accettare nuove connessioni Si limita il numero di connessioni gestibili in parallelo È possibile dimensionare a priori le caratteristiche della macchina virtuale in modo compatibile con la richiesta di risorse Si semplifica il monitoraggio del sistema 30 15

16 Protocolli full-duplex Ammettono lo scambio contemporaneo di messaggi lungo le due direzioni Utilizzano più efficientemente la rete Rendono la scrittura di client e server più complessa Basandosi su primitive di I/O bloccanti, richiedono la presenza di almeno due thread, uno per ogni verso di comunicazione Le cose si semplificano se si usano primitive non bloccanti (java.nio) 31 16