2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 1 Programmazione Orientata agli Oggetti Processi, task e thread Java (ed esempi) Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 2 processi Un processo sequenziale denota una sequenza di attività che può essere sviluppata in totale indipendenza. I processi eventualmente si sincronizzano e comunicano. La comunicazione può avvenire per puro scambio di messaggi (Ambiente locale) o tramite accesso a variabili condivide (Shared memory o Ambiente globale). Un processo è listanza di esecuzione di un programma (Applicazione). Più processi possono essere istanziati nellambito della esecuzione di uno stesso programma In presenza di un solo processore due processi non possono essere eseguiti in reale parallelismo: essi si alterneranno sulla risorsa di calcolo secondo la modalità di gestione attuata dal del sistema operativo.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 3 Parallelismo e concorrenza In presenza di un numero limitato di processori non tutti i processi pronti per lesecuzione possono essere messi in esecuzione. Essi competono sulle limitate risorse di calcolo disponibili.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 4 processi Due processi distinti hanno distinti –Spazi di indirizzamento –Memoria Heap Variabili locali (stack riservato) …….

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 5 Processi pesanti e leggeri I processi pesanti (heavy) ottengono risorse e sono lanciati direttamente dal sistema operativo. I processi leggeri (light) corrono nello spazio di indirizzamento di un processo pesante. Nel seguito i processi pesanti sono detti semplicemente processi.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 6 Comunicazione fra processi I processi, pesanti o leggeri che siano, devono comunicare esclusivamente attraverso i meccanismi previsti, messaggi o dati condivisi, come meglio spiegato in altra parte del corso Comunicazione tra processi –Esempi: socket, shared memory, monitor, canali etc.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 7 Processi in Java Unapplicazione Java corre sempre nella macchina virtuale, creata e avviata dal SO, e insieme con qualche processo leggero, denominato Thread.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 8 Processi (leggeri) addizionali in Java In unapplicazione Java, processi leggeri addizionali sono: creati per istanza della classe Thread (e.g. Thread t= new Thread(); ) - o classe da questa derivata con sovrascrittura del metodo run() ; avviati tramite t.start() ; terminati naturalmente ovvero forzatamente tramite t.stop(), t.terminate() o per sollevamento di eccezione ( InterruptedException ).

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 9 Thread == Processo leggero Un Thread denota un processo leggero, unattività indipendente che vive allinterno di un processo (pesante) Due distinti oggetti thread hanno: –Stack riservato –Stesso spazio di indirizzamento

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 10 Thread - comunicazione La comunicazione tra due thread Java può avvenire tramite area di memoria condivisa ( shared ), visibile e accessibile da entrambi i thread Necessità di disciplinarne laccesso con opportuni meccanismi e costrutti di sincronizzazione e mutua esclusione.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 11 Java thread Java definisce in modo completo stati previsti per un suo thread e relative transizioni. Per i comportamenti, il programmatore può intervenire solo con la ridefinizione del metodo run() e, come si vedrà, di parti sincronizzate. Per il resto, nulla cambia: si tratta pur sempre di programmare e utilizzare classi. La attivazione di un thread consiste nellinvocazione del metodo start() verso il particolare oggetto thread, il quale, in risposta, eseguirà concorrentemente al chiamante il corpo del suo metodo run().

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 12 Java thread Oggetto A onClick() new B() start() Esecuzione del metodo run() definito nella classe B concorrentemente alla continuazione dellesecuzione del metodo onClick() in A Oggetto B Oggetto C unMetodo()

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 13 Java Thread Quali le caratteristiche della classe B? –Discende dalla classe Thread –Implementa il metodo run() programmato per svolgere la necessaria attività Cosa deve fare la classe A? 1.Creare una istanza di B 2.Inviargli lo stimolo di start() ; questo provvederà a invocare il metodo run() 3.run() NON deve essere invocato direttamente da A.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 14 Esempio di thread (1/2) Si realizzi un thread per stampare i numeri da 1 a 10 passo 1: definizione della classe: public class MioThread extends Thread { public void run() { for (int i=1; 1<=10; i++) System.out.println(i); }

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 15 Esempio di thread (2/2) passo 2: definizione della classe client di MioThread public class EsempioUsoThread { public static void main (String[] a) { MioThread t = new MioThread(); t.start(); }

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 16 Problema: ereditarietà multipla Se una classe deve ereditare da altra classe allora non la si può rendere anche erede di Thread perché Java NON prevede ereditarietà multipla fra classi.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 17 Interfaccia Runnable Si utilizza allora ereditarietà sia da (una) classe, sia da interfacce. A tale scopo, Java prevede linterfaccia Runnable. Questa include la dichiarazione delloperazione run(). Thread implementa Runnable. public class MioSchema extends UnaClasseImportante implements Runnable {…;} Tramite luso della interface Runnable è possibile separare il corpo del thread dal vero thread da lanciare. Tale corpo viene infatti a costituire una sorta di template dinamico di possibili istanze thread.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 18 Impiego di Runnable Cosa deve fare allora una classe cliente? Essa: 1.Specializza in una nuova classe (e.g. class Schema ) la classe da cui deve ereditare e implementa linterfaccia Runnable ; 2.Schema contiene, quindi, la definizione del metodo run() dichiarato nellinterfaccia; 3.Crea una istanza di Schema, e.g. Schema sk=new Schema(); 4.Crea i necessarti Thread, passando a ciascuno di essi sk come parametro, e.g.: Thread t1=new Thread (sk), t2= new Thread (sk); 5.Avvia ciascuno dei thread creati, invocandoli (indirettamente) tramite start() : e.g. t1.start(); t2.start();

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 19 Esempio: thread via Runnable (1/2) Linterfaccia Runnable contiene la dichiarazione del metodo run() La classe MioSchemaDiThread contiene limplementazione del metodo run() ma NON estende la classe Thread implements MioSchemaDiThread Runnable

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 20 Esempio: thread via Runnable (2/2) public class EsempioUsoThread { public static void main (String[] a) { MioSchemaThread bt = new MioSchemaThread(); Thread t = new Thread (bt); t.start(); }

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 21 Controllo accessi (Mutua esclusione) Synchronized qualcheCosa qualche cosa:: |(this) { ) | ( ) { } | (getClass(){ }) | (Class.for.Name ( )){ }) : –Rende mutuamente esclusivo laccesso a qualcheCosa

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 22 Controllo esecuzione di Thread yeld() –Il thread che lo esegue (fuori sincronizzazione!) dà la precedenza a eventuali altri thread pronti per lesecuzione. De facto applicabile in caso di gestioni multiprogrammate (senza preemtion). sleep(t) –Rende un thread (che sia fuori sincronizzazione!) non eseguibile per un intervallo di tempo non minore di t. Consente a un eventuale processo pronto di avanzare. Per il resto, vedere yeld(). wait() –Pone il thread che lo esegue in stato di attesa ( WAITING ). Dissincronizza (sblocca laccesso al monitor). Per cambiare lo stato di un tale thread e portarlo in stato BLOCKED sarà necessaria loccorrenza di una notify() e sufficiente quella di una notifyAll(). wait(t) –Pone il thread che lo esegue in stato di attesa ( WAITING ). Dissincronizza (sblocca laccesso al monitor). Per portare tale thread in stato BLOCKED sarà necessaria loccorrenza di una notify() e sufficiente quella di una notifyAll() o che sia trascorso lintervallo di tempo t.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 23 Controllo esecuzione di Thread Permettono a un thread di agire sullo stato di eventuali thread in stato di attesa ( WAITING ). notify() –Fra gli eventuali (altri!) thread in stato di attesa ( WAITING ) in un monitor Java, uno ne viene selezionato e reso pronto per ripendere la propria computazione ( BLOCKED ). Il thread notificante conserva il conmtroillo del monitor. notifyAll() –Equivale a notify() ma esteso a tutti i thread eventualmente in attesa. Conseguentemente, WAITING.numeroThreads==0;

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 24 Controllo esecuzione di Thread Permettono a un thread di agire anche su altro thread stop() –Permette di abortire lesecuzione di un thread. I monitor ocuupati dal thread sono dissincronizzati nello stato in cui si trovano (!) suspend() –Sospende lesecuzione del thread oggetto della suspend() (de facto applicabili in caso di gestioni prioritarie con preemtion). I monitor impegnati dal thread restano indisponibili. Per riprendere un thread sospeso è necessaria unapposita resume(). resume() –Riprende lesecuzione dal punto di sospensione Anche da sistema è possibile abortire una intera esecuzione(Kill, Cntrl C, etc.) generando una InterruptedException. Tutti questi metodi agiscono di forza; il loro impiego da parte del programmatore è deprecabile ed effettivamente (in Java2) deprecato: possono lasciare uno stato inconsistente o bloccare unapplicazione!!

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 25 Problemi posti da suspend Se il thread che viene sospeso ha acquisito una risorsa in uso esclusivo, altri thread, compreso quello che ha comandato la sospensione, avendo bisogno di utilizzare la medesima risorsa, finiranno in attesa. Se solo essi sono responsabili del resume() allora lapplicazione finirà in blocco mortale.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 26 Problemi posti da stop Se il thread stoppato sta operando in un monitor (su dati critici, e.g. conto corrente bancario) allora, per effetto di uno stop, il monitor può finire in uno stato inconsistente (e.g. si è versato un deposito in cassa ma non ancora sul cc del correntista).

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 27 Controllo esecuzione in Java2 Metodo statico (di classe) Thread. yield() –Linvocazione di tale metodo porta lo stato del thread corrente (non stia eseguendo un metodo sincronizzato!) da RUNNING a READY ; un thread (scelto dallo schedulatore) da READY diviene RUNNING.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 28 Thread: syncronized Se due o più thread operano sul medesimo oggetto (istanza), possono originarsi inconsistenze dovute alla sequenza effettiva di esecuzione. Per rendere mutuamente esclusivo laccesso a un elemento (e.g. metodo) della medesima istanza è necessario e sufficiente dichiarare lelemento synchronized nella sua classe. –Effetto: ne viene impedita lesecuzione concorrente

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 29 (Alcuni) stati di un thread Java CREATED : è lo stato di un thread testé creato. READY : (o RUNNABLE ) vi si perviene da CREATED per effeto di uno start(), da RUNNING per effetto di yeld(), da SLEEPING (fuori monitor) per effetto di un evento di timeElapsed(), da SUSPENDED (se fuori monitor) per effetto di un resume() (e da JOINING o INTERRUPTED ). DEAD : è lo stato di un thread naturalmente o forzatamente terminato. Vi si perviene quando un thread raggiunge la sua istruzione di fine o per effetto di un stop() o di un evento di InterruptedEvent.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 30 (Alcuni) stati di un thread Java RUNNING : è lo stato di un thread realmente o virtualmente in esecuzione. Vi perviene (1) da READY e vi permane finché (a) non occorre terminazione, (b) non prova ad accedere a un monitor ( enterSynchronizedMethod ), (c) non esegue una yeld() o una sleep(t) (o interrupt() o join() ) (2) da BLOCKED per effetto di exitSynchronizedMethod di altro thread con contestuale sua selezione da parte della macchina Java fra gli eventuali thread nello stesso stato. WAITING : un thread vi previene da RUNNING per effto di una wait() (o wait(t) et similia).

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 31 Alcuni stati di un thread Java BLOCKED : un thread vi perviene da (1) WAITING per effetto di una notifyAll() o di una notify() con contestuale selezione del thread, da parte della macchina Java (schedulatore), fra gli eventuali thread che sono nel suo stesso stato; (2) da RUNNING per effetto del tentativo di accedere a un metodo synchronized di un monitor occupato ( enterSynchronizedMethod ). JOINING : un thread RUNNING vi perviene da per effetto dellesecuzione di una t.join(); (fuori sincronizzazione!!). Quando t raggingerà lo stato DEAD, il thread JOINING diventerà READY (/ RUNNING al posto del thread terminato). SLEEPING : un thread RUNNING vi perviene da per effetto dellesecuzione di una sleep(t); (fuori sincronizzazione!!). Poi ridiventa Ready.

2 luglio 2006URM2 – ING- OOP0304 OL G. Cantone e A. Lomartire 32 Prorità di un thread Java Un thread ha una priorità di default. Questa può essere modificata tramite public final void setPriority(int newPriority) e conosciuta tramite public final int getPriority() wait può essere priorizzato, wait(p) e, conseguentemente, sarà priorizzato leffetto di notify() e di quantaltro.