INFORMATICA III ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS E INFORMATICA.

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1 INFORMATICA III ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS E INFORMATICA

2 CONCURRENCIA CONCURRENCIA en JAVA THREADS: –CONCEPTOS BÁSICOS –SINCRONIZACIÓN –PRIORIZACIÓN –GRUPOS DE THREADS Java.util.concurrency

3 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20073 Concurrencia Vida real Sucesos concurrentes Desarrollo de software Representar estos sucesos concurrentes

4 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20074 Concurrencia Programa con un único flujo de control Abandonar Debo poder desarrollar programas con múltiples flujo de control

5 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20075 Concurrencia ProcesosThreads Recursos propios Existen dentro de un proceso

6 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20076 Thread principal Cada programa java tiene al menos un thread, el thread principal (main). Este puede ejecutar otros threads.

7 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20077 Concurrencia Programación concurrente Notaciones y técnicas para expresar la ejecución concurrente de procesos.

8 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20078 Concurrencia Programación concurrente Sistema operativo Lenguaje de programación

9 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 20079 Concurrencia Máquinas con un núcleo de ejecución simple Time slicing Máquinas con más de un núcleo de ejecución simple o con varios procesadores Hace más eficiente la ejecución concurrente de procesos

10 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200710 Si no comparto recursos no tengo problemas. Si comparto recursos debo tener una forma de que estos no caigan en inconsistencias y evitar el caso de que dos flujos quieran utilizar juntos el mismo recurso. Concurrencia

11 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200711 Concurrencia en Java Antes de la version JDK 1.5Monitores Después de la version JDK 1.5 Semáforos

12 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200712 THREAD / HILO Un programa Un thread Un thread es un flujo de control secuencial en un programa.

13 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200713 MULTIPLES THREADS Un programa dos threads

14 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200714 Java soporta la ejecución paralela de varios threads (hilos) múltiples threads ejecutándose en una máquina pueden compartir recursos (ejemplo: memoria) múltiples threads ejecutándose en varias máquinas necesitan capacidades de comunicación Concurrencia

15 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200715 Manejo de la Concurrencia Dos formas de implementación: Ejecución de un hilo hasta que termine o se autobloquee (actividades de E/S) (deja el control) Ejecución de un hilo hasta que el SO le saque el control, puede que, antes que le saque el control, termine o se autobloquee. (cantidad de tiempo)(es desalojado)

16 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200716 Formas de crear threads 1.Instanciando un objeto runnable: public class HelloRunnable implements Runnable { public void run() { System.out.println("Hello from a thread!"); } public static void main(String args[]) { (new Thread(new HelloRunnable())).start(); } }

17 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200717 Formas de crear threads 2.Creando una clase extendida de thread: public class HelloThread extends Thread { public void run() { System.out.println("Hello from a thread!"); } public static void main(String args[]) { (new HelloThread()).start(); } }

18 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200718 Formas de crear threads ¿Porqué existirán dos formas? ¿Cual usar? ¿Porqué?

19 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200719 Java es único entre los lenguajes de propósitos generales que pone primitivas de concurrencia a disposición del programador Java.lang.Thread THREAD

20 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200720 Ejemplos de aplicaciones concurrentes Descargas de grandes archivos de la WWW Construcción de interfases gráficas Recolección de basura de Java (garbage colector)

21 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200721 Inicio de la ejecución de un hilo Se invoca al método start. Este crea los recursos necesarios del sistema para ejecutar el thread, y llama al método run del thread. El invocador se ejecuta en paralelo con el thread

22 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200722 Estados de hilos: ciclo de vida nacidolisto ejecución muerto dormidosuspendidoen espera bloqueado Solicitud E/S Completar E/S Expira el tiempo Termina quantum Asignar procesador Invocación de métodos Invocación de un método Cumplió condición ejecutable parado

23 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200723 Sincronización Pueden operar en forma independiente. Cada uno tiene todos los datos y métodos que necesita. No necesito sincronización

24 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200724 Comparten datos y deben considerar el estado y las actividades de otros threads. Sincronización Errores: interferencia de threads inconsistencia de memoria

25 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200725 Comparten datos y deben considerar el estado y las actividades de otros threads. Necesito sincronización Sincronización

26 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200726 Sincronización Iinterferencia de threads: múltiples threads acceden a datos compartidos Errores de inconsistencia en la memoria: son errores que resultan de vistas inconsistentes de la memoria. Métodos sincronizados: métodos simples que pueden prevenir los dos errores anteriores Candados implícitos y sincronización: la sincronización está basada en candados implícitos

27 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200727 Interferencia de threads class Counter { private int c = 0; public void increment() { c++; } //recuperar el valor de c //incrementarlo en 1 //almacenarlo nuevamente public void decrement() { c--; } //recuperar el valor de c //decrementarlo en 1 //almacenarlo nuevamente public int value() { return c; } }

28 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200728 Errores de inconsistencia en la memoria Los valores almacenados en memoria van a depender de la secuencia en que se ejecuten las acciones cuando haya múltiples threads compartiendo un objeto.

29 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200729 Métodos sincronizados Los métodos que tengan que acceder al mismo objeto, se deben declarar “synchronized” para lograr el bloqueo. La ejecución de dos métodos sincronizados es mutuamente excluyente.

30 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200730 public class SynchronizedCounter { private int c = 0; public synchronized void increment() { c++; } public synchronized void decrement() { c-- ; } public synchronized int value() { return c; } } Definición de métodos sincronizados

31 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200731 class Account { private double balance public Account ( double inicial) { balance=inicial; } public synchronized double getBalance{ return balance; } public synchronized void deposito (double amount) { balance += amount; }} Definición de métodos sincronizados

32 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200732 Candados implícitos y sincronización Cuando un thread invoca un método sincronizado es como si encerrara el objeto con un candado, de forma que nadie pueda accederlo. Lo libera cuando el método ejecuta un return.

33 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200733 PRODUCTOR - CONSUMIDOR Problema tipo que ejemplifica la necesidad de sincronización

34 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200734 Escenarios productor /consumidor Un thread escribe datos en un archivo Otro thread lee datos del archivo Comparten recursos debo sincronizarlos Sincronización

35 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200735 Sincronización Thread bloquea Thread Solo un thread por vez puede acceder a un objeto

36 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200736 Sincronización de hilos Java usa monitores para la sincronización de hilos. Todo objeto con métodos “synchronized” es un monitor. El monitor sólo permite a un hilo por vez ejecutar un método “synchronized” sobre el objeto.

37 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200737 Métodos sincronizados Instancia (bloquean objetos) Clase (bloquean clases)

38 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200738 Como trabajan los threads Crear un thread Configurarlo : nombre, prioridad,etc. Ejecutarlo : invocar el método start, éste invoca al método run cuando run devuelve el control el thread ha terminado.

39 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200739 Prioridades de los threads La prioridad de un thread lo afecta cuando se está ejecutando en relación a otros threads.

40 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200740 Prioridades SOentrega el control a uno wait suspend sleep I/O estado listo prioridad 10 estado listo prioridad 9.................. estado listo prioridad 1 yield otro de prioridad mayor pasa a listo expira su quantum

41 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200741 Planificación de threads Mantener un hilo de máxima prioridad ejecutándose en todo momento, de acuerdo a la forma en que maneje la concurrencia. La aparición de hilos de alta prioridad puede posponer indefinidamente la ejecución de hilos de prioridades bajas

42 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200742 Prioridades de los Threads Todo thread en Java tiene una prioridad en el intervalo : Thread.MIN_PRIORITY( constante que vale 1 ) Thread.MAX_PRIORITY( constante que vale 10 ) Thread.NORM_PRIORITY ( constante que vale 5 )

43 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200743 Un hilo puede llamar al método yield para dar oportunidad a otros hilos de su misma prioridad a ejecutarse, esto se usa siempre que el manejo de la concurrencia no este basada en quantum. Planificación de threads

44 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200744 Un hilo se ejecuta hasta que ocurre alguna de las situaciones siguientes: muere. se bloquea para entrada/salida. invoca a sleep. invoca a yield. es desalojado por un hilo de mayor prioridad. expira su quantum. Planificación de threads

45 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200745 Un hilo con prioridad más alta que el que se está ejecutando, puede desalojar a éste si: si invoca a resume. si se acaba el período de sleep. si se completa la E/S por la cual se bloqueo. si se invoca notify o notifyAll para un hilo que había invocado wait. Planificación de threads

46 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200746 Ejemplo: Sincronización de hilos

47 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200747 Grupos de hilos Permite identificar varios hilos como pertenecientes a un grupo de hilos. La clase ThreadGroup contiene los métodos necesarios para crear y manipular grupos de hilos. El grupo tiene un nombre único. Los grupos se pueden tratar colectivamente.

48 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200748 Técnicas de concurrencia Exclusión mutua: utilizar variables de datos compartidas entre procesos. Secciones críticas: aquellas parte de los programas que no pueden ejecutar concurrentemente dos procesos. Bloqueo: Se debe poder bloquear las secciones críticas.

49 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200749 Asegurarse que no ocurra interbloqueo.(dos threads se bloquean uno a otro) Asegurarse que no ocurra cierre. (un thread depende de la acción de otro y este a su vez de la acción de otro y ninguno progresa) Técnicas de concurrencia

50 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200750 Semáforos: indicador que registra si un recurso está disponible o no. –inicializar(Semáforo s, int v) –espera (s) (bloquea) –señal (s) (desbloqueo) Técnicas de concurrencia

51 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200751 Monitores: conjunto de procesos que proporciona el acceso a la sección crítica con exclusión mutua. Sólo un proceso puede estar activo por vez para ejecutar un proceso del monitor. Mas problemas para sincronización que con semáforos. Técnicas de concurrencia

52 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200752 Java.util.concurrency Provee objetos de alto nivel de concurrencia: Objetos lock: provee objetos que simplifican las aplicaciones concurrentes. Solo un thread puede apropiarse de un objeto lock

53 Ing. E. D'AgostinoINFORMATICA III - 200753 Interfaces Interfaces ejecutoras: Executor, una interface que soporta lanzar nuevas tareas. ExecutorService, una subinterface de Executor, que agrega características que ayudan a manejar el ciclo de vida, de las tareas y de Executor. ScheduledExecutorService, una subinterface de ExecutorService, soporta la ejecución de tareas periódicas y/o futuras.