CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament d’Arquitectura de Computadors (apunts de l’assignatura en format transparència) Multithreading and.

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1 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament d’Arquitectura de Computadors (apunts de l’assignatura en format transparència) Multithreading and Thread Synchronization in Java Adolfo Alonso Puig e6743863@est.fib.upc.es Eva Perales Laguna e0993693@est.fib.upc.es

2 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 2 Que es un thread en Java o Un thread representa una CPU virtual que ejecuta el código de un programa. o Se compone de 3 partes: –Procesador vrtual –Código –Datos

3 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 3 Creación de un thread (I) o Tenemos dos posibilidades a la hora de crear threads: –Crear una instancia de una clase que implemente el interface Runnable • Debe proveer una implementación del método run() miClase th= new miClase();

4 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 4 Creación de un thread (II) –Extender la clase Thread • Redefinición del método run() de la superclase public class MyThread extends Thread{ … } MyThread th= new MyThread(); • Problema: Java sólo permite la herencia simple,no será posible extender ninguna otra clase cuando extendemos la clase Thread.

5 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 5 Inicio de un thread o Al crear un thread no iniciamos su ejecución de forma automática. Para iniciarlo debemos invocar a su método start() th.start(); o El thread esta preparado para ejecutarse

6 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 6 Control básico de threads (I) o Finalización de un thread –Podemos detener un thread utilizando un flag que indique a su método run que debe terminar su ejecución.Una vez finalizado no puede volver a ser ejecutado –En versiones anteriores de JDK se usaba el método stop() pero esta “Deprecated”. o Verificación del estado de un thread –Para saber si un thread puede ser elegido para ejecución utilizamos el método isAlive()

7 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 7 Control básico de threads (II) o Bloqueo de un thread –El método sleep() permite detener un thread durante un periodo de tiempo definido por el usuario. –El método join() bloquea el thread actual hasta que el thread sobre el cual ha sido ejecutado el join termina. –En versiones anteriores de JDK se proporcionaba el método suspend() que bloqueaba el thread hasta que fuera nuevamente activado por el método resume()

8 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 8 Estados de un thread

9 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 9 Planificación de threads o Se basa en el modelo de prioridades y no en la multiplexacion del tiempo de CPU (“timeslicing”) o Para decidir que thread se ejecuta el planificador se fija en la prioridad de cada uno y elige el de prioridad más alta o El método yield() puede ser utilizado para permitir a otros threads con la misma prioridad la posibilidad de ejecutarse

10 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 10 Prioridades o La prioridad de un thread puede tener un valor entero entre MIN_PRIORITY y MAX_PRIORITY (constantes de la clase java.lang.Thread) o La prioridad de un nuevo thread es la misma del thread en ejecución. o El método getPriority() devuelve el valor actual de la prioridad del thread. o El método setPriority() modifica la prioridad del thread

11 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 11 Problemas con threads: Race condition o Es el problema más común y a la vez el más insidioso que se produce con los threads. Aparece cuando dos o más threads acceden al mismo recurso a la vez. o El problema se genera de forma aleatoria produciendo un abrazo mortal (deadlock) entre todos los threads, datos inconsistentes o fallo del programa.

12 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 12 Ejemplo de race condition (I) class UnsafeLogger { // recurso crítico, podria ser una lista enlazada, vector o cualquier recurso private File m_file; public void write ( String s ) { // tratamiento de ficheros simplificado m_file.open ( "filename.log" ); m_file.write ( s ); m_file.close ( ); }

13 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 13 Ejemplo de race condition (II) class Writer extends Thread { private UnsafeLogger m_log; private String m_threadID; Writer ( UnsafeLogger log, String threadID ) { m_log = log; m_threadID = threadID; } public void run ( ) { while( true ) { m_log.write ( m_threadID ); m_log.write ( " is alive\n" ); }

14 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 14 Ejemplo de race condition (III) class MainClass { public static void main ( ) { UnsafeLogger log = new UnsafeLogger ( ); Writer writer1 = new Writer ( log, "thread1" ); Writer writer2 = new Writer ( log, "thread2" ); // inicia los threads writer1.start ( ); writer2.start ( ); }

15 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 15 Posibles ejecuciones del ejemplo (I) Salida: Thread1 is alive Thread2 is alive El código parece funcionar funcionar correctamente

16 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 16 Posibles ejecuciones del ejemplo (II) Salida: Thread1 Thread2 is alive is alive Funcionara pero no de forma correcta al intercalar las salidas de los threads.

17 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 17 Posibles ejecuciones del ejemplo (III) El thread2 intenta escribir en un fichero cerrado, falla el programa.

18 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 18 Flag de bloqueo de un objeto o El método synchronized permite controlar este flag para activar el acceso exclusivo al objeto. o Permitirá bloquear recursos compartidos para controlar el acceso de los threads sobre estos. CriticalResource m_criticalResource; // bloquea el recurso antes de que sea usado synchronized( m_criticalResource ) { // uso el recurso } // fin del desbloqueo del recurso

19 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 19 Solución del ejemplo con synchronized o Aplicamos el método synchronized para intentar solucionar el problema: public void write( String s ) { synchronized( m_file ) { m_file.open( "filename.log" ); m_file.write( s ); m_file.close(); }

20 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 20 Posible ejecución del ejemplo con synchronized Salida: Thread1 Thread2 is alive is alive Aun se puede producir esta situación

21 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 21 Solución final o Con el código proporcionado no hay manera evitar que se pueda dar la salida intercalada utilizando 2 threads. o Modificaremos las instrucciones m_log.write( m_threadID ); m_log.write( " is alive\n" ); o Por una operación atómica de escritura String logMessage = m_threadID + " is alive\n"; m_log.write( logMessage );

22 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 22 Problema de lectores/escritores o Base de datos accedida por una serie de procesos lectores y otros escritores que la modifican. o Los lectores pueden acceder de forma simultanea. o Los escritores deben hacerlo de forma individual y mientras modifiquen la base de datos esta no puede ser accedida por ningún lector.

23 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 23 Solución intuitiva 1 (I) Object readLock = new Object(); Object writeLock = new Object(); int readers = 0; public void read() { synchronized (readLock); { if ( readers == 0 ) { synchronized(writeLock);...

24 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 24 Solución intuitiva 1 (II) o Esta solución es incorrecta. Cuando salimos de la región synchronized (writelock), desaparece el bloqueo para los escritores. o Synchronized no es realmente un semáforo sino que sólo una región crítica.

25 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 25 Solución intuitiva 2 (I) public void read() { synchronized (m_lock) { // lectura } public void write() { getDataToWrite(); synchronized(m_lock) { // escritura }

26 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 26 Solución intuitiva 2 (II) o Esta solución funciona, aunque no hace exactamente lo que se esperaba de ella. o Protege correctamente las regiones críticas, pero no permite el acceso a varios lectores de forma simultanea a la base de datos, así que las ventajas del multithreading desaparecen.

27 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 27 Solución con espera activa (I) public class CriticalResourceUsingSynchronized { private Object m_readLock = new Object(); private int m_reading = 0; public int read() { int readData = 0; synchronized( m_readLock ) { m_reading++; } // lectura synchronized( m_readLock ) { m_reading--; } return readData; }

28 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 28 Solución con espera activa (II) public void write ( int x ) { boolean succeeded = false; while ( !succeeded ) { synchronized ( m_readLock ) { if ( m_reading == 0 ) { // escritura succeeded = true; } if ( succeeded == false ) Thread.currentThread().yield(); }

29 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 29 Comunicación entre threads o Las esperas activas no son eficientes y malgastan una serie de recursos inútilmente. o Existen dos métodos, wait() y notify() que permiten la comunicación entre threads. o Si un thread ejecuta la llamada wait() sobre un objeto x pausará su ejecución hasta que otro thread ejecute una llamada a notify() mediante el mismo objeto x.

30 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 30 Monitores (I) o La coordinación de threads que acceden a datos comunes puede resultar muy compleja. La información debe mantenerse en un estado consistente. o Los monitores mantienen un flujo de comunicación entre los threads

31 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 31 Monitores (II) o El esquema básico de los monitores es el siguiente: Object o = new Object(); synchronized(o) { o.wait(); } synchronized(o) { o.notify(); }

32 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 32 Monitores (III) o Los métodos wait y notify nos permiten implementar bloqueos reales en Java. o Para ello podemos utilizar la clase Lock, que implementa un semáforo booleano.

33 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 33 Clase Lock (I) class Lock extends Object { private boolean m_bLocked = false; public synchronized void lock() { if( m_bLocked ) { do { try { wait(); } catch( Exception e ) { e.printStackTrace(); } } while ( m_bLocked ); } m_bLocked = true; }

34 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 34 Clase Lock (II) public synchronized void releaseLock() { if( m_bLocked ) { m_bLocked = false; notify(); } public synchronized boolean isLocked() { return m_bLocked; }

35 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 35 Solución con la clase Lock (I) import Lock; public class CriticalResourceUsingLocks { private Lock m_readLock = new Lock(); private intm_reading = 0; private Lock m_writeLock = new Lock(); public int read() { int readData = 0; m_readLock.lock(); if( m_reading == 0 ) m_writeLock.lock(); m_reading++; m_readLock.releaseLock();

36 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 36 Solución con la clase Lock (II) // lectura m_readLock.lock(); m_reading--; if( m_reading == 0 ) m_writeLock.releaseLock(); m_readLock.releaseLock(); return readData; } public void write( int x ) { m_writeLock.lock(); // escritura m_writeLock.releaseLock(); }

37 CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Departament. d’Arquitectura de Computadors - UPC 37 Bibliografía  http://journal.iftech.com/articles/threadsync/  http://developer.java.sun.com o http://sunsite.dcc.uchile.cl/java o http://java.sun.com/docs/books/tutorial/index.html