Präsentation: Christoph PlatenVertieferseminar 07.11.02
VertieferseminarGeoinformation WS 02/03
Parallele Programmierung von
Signalverarbeitung in Java
Signalverarbeitung 07.11.02 Christoph Platen
Vortragsgliederung
1. Motivation
2. Prozesskonzepte
3. Zustandsübergänge von Threads
4. verwendete Methoden
5. Programmierung von Threads
6. Race Condition
7. Monitorkonzept
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Motivation
GPS-Empfänger
Kompass
Pointman
Tastatur
PCNebenprogramm
Hauptprogramm
Die in einzelnen Nebenprogrammenaufbereiteten Datenwerden durch ein Hauptprogramm
verarbeitet
Projektsituation im Sommersemester 03 :
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Motivation
• Signalübertragung vom GPS-Empfänger zum PC nur dann, wenn Daten vorliegen
• alle anderen Anwendungen sollen parallel ablaufen ( Download, Tastatur, Drucker etc. )
• keine Wartezeiten,bis ein Programm komplett ausgeführt ist
• Ziel: Ablauf verschiedener Prozesse soll quasi parallel sein
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Prozesskonzepte
• aus Kostengründen hat jeder Rechner nur einen Prozessor• bis in die 60er Jahre wurden Batch-Betriebssysteme
verwendet• dies bedeutet das der Programmablauf sequentiell war• ein Programm konnte den Prozessor besitzen, Programme
mussten nacheinander ausgeführt werden
Programm A Programm B Programm C Prozessor
Sequentieller Programmablauf in einem Batch-Betriebssystem
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Prozesskonzepte
• Konzept eines Betriebssystem-Prozesses brachte Idee hervor ein Programm unterbrechbar zu machen (d.h. dem Programm das Betriebsmittel (Prozessor) zu entziehen)
• Prozessor wird an andere Prozesse abgegeben; findet der Wechsel schnell genug statt,so merkt Beobachter den stetigen Prozesswechsel nicht
• Prozesse laufen quasi parallel ab
C B A C B A C B A Prozessor
Time-Sharing-Betriebssystem: Prozess bekommt vom Scheduler eine bestimmte Zeitscheibe zugeordnet
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Prozesskonzepte
• ein klassischer Betriebssystem-Prozess stellt eine Einheit für das Memory Management und das Scheduling dar
• es wird Platz im Arbeitsspeicher zugeordnet und Rechenzeit durch den Scheduler gewährt
• da der Kontextwechsel eines Betriebssystem-Prozesses mit der Verwaltung des Arbeitsspeichers gekoppelt ist spricht man von einem schwergewichtigem Prozess
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Prozesskonzepte
• Moderne Betriebssysteme bedienen sich sogenannter Threads
• Threads sind nur eine Einheit für das Scheduling
• innerhalb eines Betriebssystem-Prozesses können mehrere Threads gleichzeitig ablaufen
• da ein Thread nicht mit der Verwaltung des Arbeitsspeichers gekoppelt ist spricht man von einem leichtgewichtigen Prozess
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Prozesskonzepte
BetriebssystemProzess 1
BetriebssystemProzess 2
Thread 1Thread 2
Thread 3BetriebssystemProzess 3
Schaubild Threads und Prozesse
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Zustandsübergänge von Threads
• Threads können ähnlich wie Betriebssystem-Prozesse verschiedene Zustände haben
• Zustandsübergänge können erfolgen als Konsequenz von Methodenaufrufen
• oder durch Aktionen des Betriebssystems (virtuelle Maschine)
• Zustand eines Prozesses hängt davon ab,welche Betriebsmittel er gerade besitzt
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Zustandsübergänge von Threads
Zustandsübergänge von Threadsals Folge von Methodenaufrufen und der virtuellen Maschine
I/O Zugriff
I/O b
eendet
Scheduler w
eist Prozessor zu
Prozessor w
ird entzogen
new ready-to-run
blocked running deadsleep()
join()
yield()
start()
Join
() bee
ndet
Sleep
() bee
ndet
run() wird beendet
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Zustände New und Ready-To-Run
New• Thread wird durch den new-Operator generiert • er befindet sich in seinem Anfangszustand• er ist noch nicht ablauffähig• Datenfelder und Methoden können angesprochen werden
Ready-To-Run• Thread hat alle Betriebs-
mittel um zu laufen,bis auf
den Prozessor
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Zustände Blocked und Running
• ein laufender Thread
macht eine I/O Operation
und verliert den Prozessor• Methodenaufrufe wie
sleep() oder join()
versetzen Thread in
diesen Zustand
Blocked Running• Thread bekommt vom Scheduler den Prozessor zugeteilt
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Methode start() und yield()
start()• überführt einen Thread
vom Zustand „new“ in
den Zustand „ready-to-run“• wurde Thread bereits
gestartet,so wird eine
Fehlermeldung ausge-
geben
yield()• bricht die Verarbeitung
des gerade laufenden
Threads ab • überführt diesen wieder in
den Zustand „ready-to-run“
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Methode sleep() und join()
join()• ein Thread kann diese Methode eines andere Threads aufrufen
• aufrufender Thread wird in den Zustand „blocked“ versetzt, bis der Thread, dessen join() Methode aufgerufen worden ist, beendet ist
• gezieltes Warten auf einen Thread möglich
sleep()• versetzt den gerade
laufenden Thread für
msec bzw. nsec in den
Zustand „blocked“• Schrittauflösung von 1ms
bzw. 1ns ist Betriebs-
system abhängig
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Methode interrupt()
interrupt()• wird zu einem gerade blockierten Thread aufgerufen • überführt diesen in den Zustand „ready-to-run“• ein Thread kann so vorzeitig aufgeweckt werden,wenn er
z.B. durch eine sleep() oder join() Methode in den Zustand
„blocked“ versetzt wurde• es wird eine sogenannte InterruptedException geworfen
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Programmierung von Threads
• schreiben einer Thread Klasse und diese direkt von der Klasse java.lang.Thread ableiten
• Methode run() der Klasse java.lang.Thread ist zu überschreiben
• der in der Methode run() enthaltene Code wird während des „running“ Zustandes ausgeführt
Thread
Sohn 1 Sohn 2
Implementieren von Threads durch das Ableiten von der Klasse Thread
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Programmierung von Threads
Rechenzeit wird durch Scheduler zuge-wiesen und Methode run () ausgeführt
Nach Ablauf der Zeit geht Thread wieder in den Zustand „ready-to-run“
Die Klasse Time wird definiert,indem man direkt von der Klasse java.lang.Thread ableitet
In der Klasse Uhr wird mit new ein Objektder Klasse Time erzeugt und somit ein neuer Thread generiert
Geerbte Methode start() versetzt ThreadIn Zustand „ready-to-run“
Methode start() ruft Methode run() auf
Aktuelle Datum wird ausgegeben
Methode sleep() versetzt Thread für 100msec in den Zustand „Blocked“
Interrupt() Methode beendet bei Aufruf die Methode run()
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Zugriff auf gemeinsame Ressourcen
• benutzen mehrere Threads dieselben Daten, so kann es zu Synchronisationsproblemen kommen
• beispielsweise bekommt ein schreibender Thread den Prozessor entzogen ehe er mit dem Schreiben der Datei fertig ist
• der Lese-Thread beginnt jedoch schon zu lesen und erhält inkonsistente Daten. ( Reader/Writer-Problem)
• man spricht von einer Race Condition, bei der das Ergebnis von der ausgeführten Reihenfolge der Threads abhängt
• um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten ist eine Abarbeitungsreihenfolge ( Synchronisation) der Threads zwingend erforderlich
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Race Condition
• Beispiel: Threads 1 und 2 greifen auf eine gemeinsam genutzte Variable (Array) zu
Thread 1 schreibt Messdaten in das Array beginnend ab Array-Index 1 und die Anzahl der Werte in die Variable Zähler
Thread 2 liest die Daten aus und quittiert das Auslesen, indem er die Zählvariable auf 0 setzt
es kann sein, dass schneller geschrieben als gelesen wird
Zähler
Wert 1
Wert 2
Wert n-2
0
1
3
2
n-1
2
7
37
Array mit einem Zähler für die benutzten Elemente
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Race Condition
Sequenzdiagramm zur Darstelung einer Race Condition. Die Zeitachse t gibt den zeitlichen Verlauf an
Zähler lesen
Daten schreiben
Zähler erhöhen
Zähler lesen
Daten lesen
Zähler auf 0 setzen
Thread 1 Thread 2Gemeinsame
Variable
Thread2aktiv
Thread1aktiv
Thread2aktiv
t
Datenverlust
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Kritische Abschnitte
• zur Vermeidung von Race Conditions wendet man das Prinzip des wechselseitigen Ausschlusses an (mutual exclusion)
• dazu führt man kritische Abschnitte ein• ein kritischer Abschnitt ist eine Folge von Befehlen,die
ein Thread nacheinander vollständig abarbeiten muss• Abgabe des Prozessors an einen anderen Thread
ändert an dieser Bedingung nichts• kein anderer Thread darf einen kritischen Abschnitt
betreten,solange der erstgenannte Thread mit der Abarbeitung der Befehlsfolge noch nicht fertig ist
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Monitorkonzept
• Zur Realisierung der Problemstellung der kritischen Abschnitte wurde 1974 von Hoare das Monitorkonzept als Synchronisationsmittel entwickelt
• Grundidee eines Monitors ist, dass die Daten, auf denen die kritischen Abschnitte arbeiten, und die kritischen Abschnitte selbst in einem zentralen Konstrukt zusammengefasst werden
critical section
critical section
Monitorread()
write()
Daten
P 1P 3 P 2
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MonitorkonzeptDie grundlegenden Eigenschaften eines Monitors sind:
• Kritische Abschnitte,die auf denselben Daten arbeiten,sind Methoden eines Monitors
• Ein Prozess betritt einen Monitor durch Aufruf einer Methode des Monitors
• Nur ein Prozess kann zur selben Zeit den Monitor benutzen• Jeder andere Prozess,der den Monitor aufruft,wird suspendiert
und muss warten,bis der Monitor verfügbar wird• In Java wird das Monitorkonzept mit Hilfe des Schlüsselwortes
synchronized realisiert
• synchronized kann als Schlüsselwort für Methoden verwendet werden oder einen synchronisierten Codeblock
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Monitorkonzept
Erstens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss von synchronisierten Klassenmethoden einer Klasse
Methode1()
Methode2()
Monitor
Syn1Für alle synchronisierten Klassenmethoden einer Klasse wird ein Monitor angelegt,welcherdie Klassenmethoden überwacht
So kann nur ein einziger Thread zu einerbestimmten Zeit eine der synchronisierten Methoden bearbeiten
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Monitorkonzept
Zweitens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss der Abarbeitung von synchronisierten Instanzmethoden zu einem speziellen Objekt
Werden eine oder mehrere Instanzmethoden mit dem Schlüsselwort synchronized versehen,so hat jedes Objekt, das von dieser Klasse geschaffen wird, einen eigenen Monitor, der den Zugriff auf die Instanzmethoden überwacht
Methode1()
Methode2()
Monitor
a:Syn
Methode1()
Methode2()
Monitor
b:Syn
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Monitorkonzept
Drittens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss von einzelnen synchronisierten Codeblöcken
Eine synchronized Anweisung wird mit dem Schlüsselwort synchronized eingeleitet.In den runden Klammern erwartet die synchronized Anweisung eine Referenz auf ein Objekt.Dieses Objekt dient als Schlüssel,auch Lock genannt.
Nur der Thread,der den Schlüssel besitzt hat Zugang zum Monitor.
Wird eine synchronized Anweisung betreten, so wird nachgeschaut, ob das Schlüsselobjekt schon von einem anderen Thread benutzt wird.
Ist dies der Fall,so muss der Thread warten,bis das Schlüsselobjekt freigegeben wird.
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Methode wait() und notify()
wait()• überführt einen Thread, der eine synchronisierte Anweisung abarbeitet in den Zustand“blocked“• dadurch wird der Monitor für einen anderen Thread frei
notify()• durch notify() wird ein Thread der zuvor durch den Aufruf von wait() in den Zustand „blocked“ gebracht wurde, wieder aufgeweckt
• Thread erhält Zustand „ready to run“
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Lexikon
• Java virtuelle Maschine: läuft in einem Betriebssystem-Prozess ab,d.h. sollen mehrer Java-Programme in getrennten Betriebssystem-Prozessoren ablaufen,so hat jeder Prozess seine eigene virtuelle Maschine
• Thread: (engl. Faden) Ablauffaden des Programmcodes sprich Kontrollfluss
• Betriebsmittel: sind Mittel,die ein Prozess zum Laufen braucht,dies kann der Prozessor oder ein I/O–Kanal eines Programms zu einer Datei auf der Festplatte sein
• I/O-Kanäle: sind Eingabe- bzw. Ausgabeströme, sie können von der Tastatur,Platte kommen oder auf den Bildschirm,die Platte gehen