hilos

Programación Orientada a Objetos Trabajo Teórico Mayo, 2004

Multihilo en Java Raúl Herrero Pascual Rubén Montero Diez

Departamento de Informática y Automática Universidad de Salamanca

Información de los autores:

Raúl Herrero Pascual Departamento de Informática y Automática Facultad de Ciencias - Universidad de Salamanca Plaza de la Merced S/N – 37008 - Salamanca ruly2oo2@yahoo.es Rubén Montero Diez Departamento de Informática y Automática Facultad de Ciencias - Universidad de Salamanca Plaza de la Merced S/N – 37008 - Salamanca r_montero_diez@yahoo.es

Este documento puede ser libremente distribuido. © Programación Orientada a Objetos 2004

Resumen En este documento se recogen los detalles fundamentales del manejo de threads en Java. No pretende ser más que una introducción a este tema en concreto, tratando simplemente de comentar las operaciones que se pueden realizar sobre ellos y explicar algunos detalles de su implementación.

Estas operaciones nos determinarán los diferentes estados del ciclo de vida por el que pasa un thread, también se explican algunas formas de sincronización para evitar problemas de concurrencia, y por último las prioridades de los hilos para que estos se ejecuten en un determinado orden.

Abstract In this document the basic details for working with threads in Java are presented. It only intent to be an introduction to this specific subject, we only try to comment the operations that we can realize with them and explain some details of them implementation.

This operations decides the different states of the life’s cycle that a thread does, some ways of synchronization for preventing turnout problems are also explain, and finally thread’s priorities for that threads are executed in a fixed order.

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I

Tabla de Contenidos 1.

Introducción ______________________________________________

1

2.

Multitarea y multihilo ____________________________________

1

2.1.

Programas de flujo único ____________________________________ 2

2.2.

Programas de flujo múltiple __________________________________ 2

3.

Creación de threads _____________________________________

3

3.1.

Construcción de una clase derivada de Thread ________________ 3

3.2.

Implementación del Interface Runnable _______________________ 4

4.

Paso de parámetros a los threads ____________________

6

5.

Ciclo de vida de un thread _____________________________

7

5.1.

La clase Thread _____________________________________________ 7

5.2.

Métodos de Clase ___________________________________________ 7

5.3.

Métodos de Instancia ________________________________________ 7

5.4.

Estados de un Thread _______________________________________ 9

6.

6.1.

7.

Sincronización

__________________________________________ 11

Ejemplo____________________________________________________ 14

Prioridades y threads daemon _______________________

19

7.1.

Conmutación de contexto ___________________________________ 19

7.2.

Threads daemon ___________________________________________ 20

8.

Grupos de hilos _________________________________________

20

9.

Comentario_______________________________________________

21

10. Conclusiones ____________________________________________

22

11. Referencias ______________________________________________

23

12. Bibliografía _______________________________________________

23

II

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Tabla de Ilustraciones Figura 1. Disputa de CPU entre procesos pesados ____________________________ 2 Figura 2. Visualización de la salida de ThredEjemplo _________________________ 4 Figura 3. Estados de un thread ___________________________________________ 9 Figura 4. Situación de los filósofos comilones_______________________________ 14 Figura 5. Visualización de la salida del problema de los filósofos comilones ______ 18

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III

1. Introducción Actualmente los procesadores y los sistemas operativos permiten la multitarea, es decir, la realización simultánea de dos o más actividades, al menos aparentemente. En la realidad, un ordenador con una sola CPU no puede realizar dos actividades a la vez. Sin embargo los sistemas operativos modernos son capaces de ejecutar varios programas "simultáneamente" aunque sólo dispongan de una CPU, para ello reparten el tiempo entre dos o más actividades, o bien utilizan los tiempos muertos de una actividad, como por ejemplo en las operaciones de lectura de datos desde el teclado, para trabajar en la otra. Mientras que en ordenadores con dos o más procesadores la multitarea es real, ya que cada procesador puede ejecutar un hilo o thread diferente.

Un proceso es un programa ejecutándose de forma independiente y con un espacio propio de memoria, un sistema operativo multitarea es capaz de ejecutar más de un proceso simultáneamente. Un thread o hilo es un flujo secuencial simple dentro de un proceso, un único proceso puede tener varios hilos ejecutándose. Por ejemplo el programa Netscape sería un proceso, mientras que cada una de las ventanas que se pueden tener abiertas simultáneamente trayendo páginas HTML estaría formada por al menos un hilo.

Sin el uso de threads hay tareas que son prácticamente imposibles de ejecutar, en particular las que tienen tiempos de espera importantes entre etapas. Los threads o hilos de ejecución permiten organizar los recursos del ordenador de forma que pueda haber varios programas actuando en paralelo. Un hilo de ejecución puede realizar cualquier tarea que pueda realizar un programa normal y corriente. Bastará con indicar lo que tiene que hacer en el método run(), que es el que define la actividad principal de las threads.

2. Multitarea y multihilo Muchos entornos tienen la llamada multitarea en su sistema operativo, esto es distinto al multihilo. En un sistema operativo multitarea a las tareas se les llama procesos pesados, mientras que en un entorno multihilo se les denomina procesos ligeros o hilos, la diferencia es que los procesos pesados están en espacios de direccionamiento distintos y por ello la comunicación entre procesos y el cambio de contexto es caro. Por el contrario, los hilos comparten el mismo espacio de direcciones y comparten cooperativamente el mismo proceso pesado, cada hilo guarda su propia pila, variables locales y contador de programa, por ello, la comunicación entre hilos es muy ligera y la conmutación de contexto muy rápida.

En la Figura 1 observamos cómo sobre una CPU pueden estar ejecutándose distintos procesos pesados y uno de ellos puede estar compuesto por distintos flujos de ejecución (threads o hebras o hilos). Estos threads tendrán que “disputarse” el tiempo de ejecución que el sistema operativo le dé al proceso en el que residen.

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Figura 1. Disputa de CPU entre procesos pesados

2.1.

Programas de flujo único

Un programa de flujo único o single-threaded utiliza un único flujo de control para controlar su ejecución. Muchos programas no necesitan la potencia o utilidad de múltiples flujos de control, sin necesidad de especificar explícitamente que se quiere un único flujo de control.

Por ejemplo: public class HolaMundo { static public void main( String args[] ) { System.out.println( "Hola Mundo" ); } } Aquí, cuando se llama a main(), la aplicación imprime el mensaje y termina. Esto ocurre dentro de un único thread, un único hilo de ejecución.

2.2.

Programas de flujo múltiple

En el ejemplo anterior no vemos el thread que ejecuta nuestro programa, se crea y se ejecuta de forma implícita, sin embargo Java posibilita la creación y control de threads explícitamente. La utilización de threads en Java permite una enorme flexibilidad a los programadores a la hora de plantearse el desarrollo de aplicaciones. La simplicidad para crear, configurar y ejecutar threads, permite que se puedan implementar aplicaciones poderosas y portables que no se puede con otros lenguajes de tercera generación. Esta herramienta es fundamental en un lenguaje con marcada orientación a Internet como es Java.

Las aplicaciones multithreaded utilizan muchos contextos de ejecución para cumplir su trabajo, utilizan el hecho de que muchas tareas contienen subtareas distintas e independientes, pudiendo utilizar un thread para cada subtarea.

Mientras que los programas de flujo único pueden realizar su tarea ejecutando las subtareas secuencialmente, un programa multithreaded permite que cada thread comience y termine tan pronto como sea posible. Este comportamiento presenta una mejor respuesta a la entrada en tiempo real.

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3. Creación de threads Lo primero que hay que realizar para poder utilizar un thread es crearlo. El programador puede elegir cualquiera de las dos posibilidades que proporciona Java, y que como explica Pedro Manuel Cuenca en su libro [1], se describen a continuación.

3.1.

Construcción de una clase derivada de Thread

La funcionalidad básica de un thread esta implementada en la clase Thread. Cualquier clase que derive de esta puede construir un hilo de ejecución independiente, para lo cual basta con que sobrescriba el método run(). En este método hay que incluir el código que deseamos que se ejecute en paralelo con otras tareas. Para que comience la ejecución del thread, debe invocarse el método start(), que después de realizar los preparativos convenientes invoca a su vez a run().

El siguiente ejemplo demuestra la creación de un thread del modo descrito: public class ThreadEjemplo extends Thread { public ThreadEjemplo(String str) { super(str); } public void run() { for (int i = 0; i < 10 ; i++) System.out.println(i + " " + getName()); System.out.println("Termina thread " + getName()); } public static void main (String [] args) { new ThreadEjemplo("Pepe").start(); new ThreadEjemplo("Juan").start(); System.out.println("Termina thread main"); } } Notas sobre el programa: • • • •

•

3

El constructor public Thread(String str) recibe un parámetro que es la identificación del thread.

El método run() contiene el bloque de ejecución del thread. Dentro de él, el método getName() devuelve el nombre del thread, es decir, el que se ha pasado como argumento al constructor.

El método main() crea dos objetos de clase ThreadEjemplo y los inicia con la llamada al método start(), dicho método después de iniciar el nuevo thread llama al método run().

En la salida el primer mensaje que se visualizará será el de finalización del thread main. La ejecución de los threads es asíncrona. Realiza la llamada al método start(), éste le devuelve el control y continua su ejecución independientemente de los otros threads.

En la salida los mensajes de un thread y otro se van mezclando ya que la máquina virtual asigna tiempos a cada thread.

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En la Figura 2 se puede observar una de las posibles salidas por pantalla que se pueden obtener al ejecutar este programa.

Figura 2. Visualización de la salida de ThredEjemplo

3.2.

Implementación del Interface Runnable

Construir una clase derivada de Thread presenta el gran inconveniente de que para poder crear un thread es necesario que la clase que contiene el código que se desea ejecutar en paralelo derive de Thread. Esta limitación es muy importante ya que Java no dispone de herencia múltiple y por ello no podremos crear un thread con cualquier clase arbitraria que herede su funcionalidad de otras que sean de nuestro interés.

Para solventar este problema, puede utilizarse un segundo mecanismo para la creación de un thread. Este mecanismo consiste en que la clase de nuestro interés implemente el interface Runnable, y a continuación crearíamos un nuevo thread utilizando uno de los constructores de la clase Thread, que admite como argumento cualquier objeto que implemente Runnable.

Este técnica no supone ninguna restricción, pues una clase puede implementar cualquier número de interfaces.

El interface Runnable únicamente define un método denominado run() y al igual que sucedía en el caso anterior, debemos colocar dentro del mismo el código que deseamos que se ejecute en paralelo con otros threads.

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El siguiente ejemplo es equivalente al del apartado anterior, pero utilizando la interface Runnable: public class ThreadEjemplo implements Runnable { public void run() { for (int i = 0; i < 5 ; i++) System.out.println(i + " " + Thread.currentThread().getName()); System.out.println("Termina thread " + Thread.currentThread().getName()); } public static void main (String [] args) { new Thread ( new ThreadEjemplo() , "Pepe").start(); new Thread ( new ThreadEjemplo() , "Juan").start(); System.out.println("Termina thread main"); } } Notas sobre el programa: • • •

Se implanta la interface Runnable en lugar de extender la clase Thread.

El constructor que había antes no es necesario.

En el main() se puede observar la forma en que se crea el thread, esa expresión es equivalente a: ThreadEjemplo ejemplo = new ThreadEjemplo(); Thread thread = new Thread ( ejemplo , "Pepe"); thread.start(); Primero se crea la instancia de nuestra clase.

Después se crea una instancia de la clase Thread, pasando como parámetros la referencia de nuestro objeto y el nombre del nuevo thread. o Por último se llama al método start() de la clase Thread. Este método iniciará el nuevo thread y llamará al método run() de nuestra clase.

Por último, obsérvese la llamada al método getName() desde run(). getName() es un método de la clase Thread, por lo que nuestra clase debe obtener una referencia al thread propio. Es lo que hace el método estático currentThread() de la clase Thread. o o

•

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4. Paso de parámetros a los threads El método run() no toma argumentos, sin embargo, en muchas ocasiones es necesario pasarle parámetros a un thread. Esto se puede conseguir encapsulando el thread en una clase y pasando los parámetros al constructor de la misma para almacenarlos en variables locales. En el siguiente ejemplo consideramos una aplicación que crea un nuevo esclavo en un thread por cada nuevo trabajo que le llega.

class Parametros implements Runnable { private int parm1; private int parm2; private Thread me; public Parametros (int p1, int p2, String nombre) { parm1 = p1; parm2 = p2; me = new Thread (this,nombre); me.start(); } public void run() { if (me == Thread.currentThread()) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"\n\tp1 = "+ parm1 + "\n\tp2 = " + parm2); } } public static void main (String[] args) { new Parametros(4,5,"Hilo 1"); new Parametros(7,9,"Hilo 2"); } } Esto imprimiría: Hilo 1 p1 = 4 p2 = 5 Hilo 2 p1 = 7 p2 = 9

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5. Ciclo de vida de un thread 5.1.

La clase Thread

Es la clase que encapsula todo el control necesario sobre los hilos de ejecución (threads). Hay que distinguir claramente un objeto Thread de un hilo de ejecución o thread. Esta distinción resulta complicada, aunque se puede simplificar si se considera al objeto Thread como el panel de control de un hilo de ejecución. La clase Thread es la única forma de controlar el comportamiento de los hilos y para ello se sirve de los métodos que se exponen a continuación.

5.2.

Métodos de Clase

Estos son los métodos estáticos que deben llamarse de manera directa en la clase Thread. ¾ currentThread(): este método devuelve el thread que se está ejecutando en este momento, es decir, aquél desde donde se produjo la invocación a currentThread(). ¾ yield(): este método libera el procesador para que pueda ser utilizado por otros threads. Esto no significa que el thread se detenga definitivamente, sino que simplemente indica al planificador que pase a ejecutar otro thread. El thread que invocó a yield() se volverá a ejecutar cuando le toque el turno de nuevo. ¾ sleep(long): este método interrumpe la ejecución del hilo en curso durante el número de milisegundos que se indiquen en el parámetro de tipo long. Una vez transcurridos esos milisegundos, dicho hilo volverá a estar disponible para su ejecución. ¾ activeCount(): este método devuelve el número de threads activos dentro del grupo donde está incluido el thread en ejecución.

5.3.

Métodos de Instancia

¾ start(), stop(), run(), destroy(): estos métodos son los que controlan el funcionamiento básico del thread. El método start() se invoca cuando se desea comenzar la ejecución del thread. La implementación de la clase Thread realiza diversas tareas de iniciación antes de pasar a invocar el método run(). El programador puede utilizar start() para añadir código adicional de inicialización, aunque esto sólo es posible si se crea una subclase de Thread. Como puede imaginarse, stop() sirve para indicar al thread que debe terminar su ejecución, mientras que destroy() tiene como cometido liberar todos los recursos que pudieran estar empleándose. ¾ getName(), setName(): los threads pueden tener asociado un nombre, lo que facilita las labores de depuración o incluso la creación de trazas en el código para supervisar la ejecución, una de las formas para asignar este nombre es mediante el método setName(). En cuanto a la depuración cabe destacar que la realización de

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programas con varios threads es considerablemente más compleja y difícil de depurar que el desarrollo de aplicaciones sin esta capacidad.

Además del método setName(), existen constructores de la clase Thread en los que se pueden especificar el nombre que se desea asignar. ¾ getPriority(), setPriotity(): puede asignarse una prioridad a cada thread, de modo que se asigne más tiempo de ejecución a los threads más prioritarios.

Esto es todo lo que Java permite profundizar sobre el estudio de la prioridad, siendo imposible conocer cómo se realizará la planificación entre threads de igual prioridad.

La prioridad de un thread ha de estar comprendida entre los valores MIN_PRIORITY y MAX_PRIORITY. Cuando se crea un thread, recibe por defecto la prioridad NORM_PRIORITY. ¾ getThreadGroup(): este método obtiene el grupo donde está contenido el thread.

No existe un método setThreadGroup(), por consiguiente, debe emplearse alguna versión del constructor para indicar el grupo a donde se desea que pertenezca el thread. ¾ suspend(): el método suspend() es distinto de stop(). suspend() toma el hilo y provoca que se detenga su ejecución sin destruir el hilo. Si la ejecución de un hilo se suspende, puede llamarse a resume() sobre el mismo hilo para lograr que vuelva a ejecutarse de nuevo. ¾ resume(): el método resume() se utiliza para revivir un hilo suspendido. No hay garantías de que el hilo comience a ejecutarse inmediatamente, ya que puede haber un hilo de mayor prioridad en ejecución actualmente, pero resume() ocasiona que el hilo vuelva a ser un candidato a ser ejecutado. ¾ isAlive(): el interfaz de programación de la clase Thread incluye el método isAlive(), que devuelve true si el hilo ha sido arrancado (con start()) y no ha sido detenido (con stop()). Por ello, si el método isAlive() devuelve false; sabemos que estamos ante un Nuevo thread o ante un thread Muerto, y si devuelve true; se sabe que el hilo se encuentra en estado Ejecutable o Parado, todos estos estados se explican en el siguiente apartado. No se puede diferenciar entre Nuevo thread y Muerto, ni entre un hilo Ejecutable o Parado. ¾ join(): este método detiene el hilo actual hasta que termine el hilo sobre el que se llama join(). Es usado por tanto para que unos hilos esperen a la finalización de otros.

Se acaban de explicar los métodos de clase y métodos de instancia más interesantes dentro del ámbito de este trabajo. Pero existen muchos más y se pueden consultar en la página web de Sun [2].

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5.4.

Estados de un Thread

Durante el ciclo de vida de un hilo, éste se puede encontrar en diferentes estados. En la Figura 3 se muestran los estados y algunos métodos que provocan el paso de un estado a otro.

Figura 3. Estados de un thread

5.4.1

Nuevo thread

Las siguientes sentencias crean un nuevo hilo de ejecución pero no lo arrancan, lo dejan en el estado de Nuevo thread: Thread MiThread = new MiClaseThread("hiloA"); Thread MiThread = new Thread( new UnaClaseThread,"hiloA"); Cuando un hilo está en este estado, es simplemente un objeto Thread vacío. El sistema no ha destinado ningún recurso para él, únicamente memoria. Desde este estado solamente puede arrancarse llamando al método start(), o detenerse definitivamente, llamando al método stop(). La llamada a cualquier otro método carece de sentido y lo único que provocará será la generación de una excepción de tipo IllegalThreadStateException.

5.4.2

Ejecutable

Obsérvense las dos líneas de código siguientes: Thread MiThread = new MiClaseThread(); MiThread.start(); La llamada al método start() reservará los recursos del sistema necesarios para que el hilo pueda ejecutarse, lo incorpora a la lista de procesos disponibles para ejecución del sistema y llama al método run() del hilo de ejecución. En este momento se encuentra en el estado

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Ejecutable del diagrama. Y este estado es Ejecutable y no En Ejecución, porque cuando el hilo está aquí no significa que esté corriendo. Muchos ordenadores tienen solamente un procesador lo que hace imposible que todos los hilos estén corriendo al mismo tiempo. Java implementa un tipo de scheduling o lista de procesos, que permite que el procesador sea compartido entre todos los procesos o hilos que se encuentran en la lista.

Cuando el hilo se encuentra en este estado, todas las instrucciones de código que se encuentren dentro del bloque declarado para el método run(), se ejecutarán secuencialmente.

5.4.3

Parado

Un hilo de ejecución entra en estado Parado cuando alguien llama al método suspend(), cuando se llama al método sleep(), cuando el hilo está bloqueado en un proceso de entrada/salida o cuando el hilo utiliza su método wait() para esperar a que se cumpla una determinada condición.

Por ejemplo, en el trozo de código siguiente: Thread MiThread = new MiClaseThread(); MiThread.start(); try { MiThread.sleep( 10000 ); } catch( InterruptedException e ) {} la línea de código que llama al método sleep() hace que el hilo se duerma durante 10 segundos. Durante ese tiempo, incluso aunque el procesador estuviese totalmente libre, MiThread no correría. Después de esos 10 segundos MiThread volvería a estar en estado Ejecutable y ahora sí que el procesador podría hacerle caso cuando se encuentre disponible.

Los métodos de recuperación del estado Ejecutable, en función de la forma de llegar al estado Parado del hilo, son los siguientes: • • • •

5.4.4

Si un hilo está dormido, pasado el tiempo especificado en el sleep().

Si un hilo de ejecución está suspendido, después de una llamada a su método resume().

Si un hilo está bloqueado en una entrada/salida, una vez que el comando de entrada/salida concluya su ejecución.

Si un hilo está esperando por una condición, cada vez que la variable que controla esa condición varíe debe llamarse al método notify() o notifyAll() .

Muerto

Un hilo de ejecución se puede morir de dos formas: por causas naturales o porque lo maten (con stop()). Un hilo muere normalmente cuando concluye su método run().

Por ejemplo, en el siguiente trozo de código: public void run() { int i=0; while( i < 20 ) { i++; System.out.println( "i = " + i ); } }

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un hilo morirá de forma natural después de que se complete el bucle y run() concluya.

También se puede matar en cualquier momento un hilo, invocando a su método stop(), en el trozo de código siguiente: Thread MiThread = new MiClaseThread(); MiThread.start(); try { MiThread.sleep( 10000 ); } catch( InterruptedException e ) {} MiThread.stop(); se crea y arranca el hilo MiThread, se duerme durante 10 segundos y en el momento de despertarse, la llamada al método stop() lo mata.

El método stop() envía un objeto ThreadDeath al hilo de ejecución que quiere detener. Así, cuando un hilo es parado de este modo, muere asíncronamente. El hilo morirá en el momento en que reciba ese objeto ThreadDeath.

Los applets utilizarán el método stop() para matar a todos sus hilos cuando el navegador con soporte Java en el que se están ejecutando le indica al applet que se detengan, por ejemplo, cuando se minimiza la ventana del navegador o cuando se cambia de página.

6. Sincronización La sincronización surge debido a la necesidad de evitar que dos o más threads traten de acceder a los mismos recursos al mismo tiempo. Por ejemplo si un thread tratara de escribir en un fichero y otro thread estuviera al mismo tiempo tratando de borrar dicho fichero, se produciría una situación no deseada. También habría que sincronizar hilos cuando un thread debe esperar a que estén preparados los datos que le debe suministrar otro thread. Para solucionar estos tipos de problemas es importante poder sincronizar los distintos threads.

Las secciones de código de un programa que acceden a un mismo recurso (un mismo objeto de una clase, un fichero del disco, etc.) desde dos threads distintos se denominan secciones críticas. Para sincronizar dos o más threads, hay que utilizar el modificador synchronized en aquellos métodos del objeto o recurso con los que puedan producirse situaciones conflictivas. De esta forma Java bloquea, asocia un bloqueo o lock, el recurso sincronizado. Por ejemplo: public synchronized void metodoSincronizado() { ...// código de la sección critica } La sincronización previene las interferencias solamente sobre un tipo de recurso: la memoria reservada para un objeto. Cuando se prevea que unas determinadas variables de una clase pueden tener problemas de sincronización, se deberán declarar como private o protected. Así solamente serán accesibles a través de métodos de la clase, los cuales deberán estar sincronizados. Es muy importante tener en cuenta que si se sincronizan algunos métodos de un objeto pero otros no, el programa puede que no funcione correctamente. La razón es que los métodos no sincronizados pueden acceder libremente a las variables miembro ignorando el bloqueo del objeto, sólo los métodos sincronizados comprueban si un objeto está bloqueado.

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Todos los métodos que accedan a un recurso compartido deben ser declarados synchronized. De esta forma, si algún método accede a un determinado recurso Java bloquea dicho recurso, así logramos que el resto de threads no puedan acceder al mismo hasta que el primero en acceder termine de realizar su tarea. Bloquear un recurso u objeto significa que sobre ese objeto no pueden actuar simultáneamente dos métodos sincronizados.

En la sincronización se pueden utilizar dos niveles de bloqueo de un recurso, el primero es a nivel de objetos, mientras que el segundo es a nivel de clases. El primero se consigue declarando todos los métodos de una clase como synchronized. Cuando se ejecuta un método synchronized sobre un objeto concreto, el sistema bloquea dicho objeto, de forma que si otro thread intenta ejecutar algún método sincronizado de ese objeto, este segundo método se mantendrá a la espera hasta que finalice el anterior y desbloquee por lo tanto el objeto. Si existen varios objetos de una misma clase, como los bloqueos se producen a nivel de objeto, es posible tener distintos threads ejecutando métodos sobre diversos objetos de una misma clase.

El bloqueo de recursos a nivel de clases se corresponde con los métodos de clase o static, y por lo tanto con las variables de clase o static. Si lo que se desea es conseguir que un método bloquee simultáneamente una clase entera, es decir, todos los objetos creados de una clase, será necesario declarar este método como synchronized static. Durante la ejecución de un método declarado de esta segunda forma ningún método sincronizado tendrá acceso a ningún objeto de la clase bloqueada.

La sincronización puede ser problemática y generar errores. Un thread podría bloquear un determinado recurso de forma indefinida impidiendo que el resto de threads accedieran al mismo, para evitar esto habrá que utilizar la sincronización sólo donde sea estrictamente necesario.

Hay que tener presente que si dentro de un método sincronizado se utiliza el método sleep() de la clase Thread, el objeto bloqueado permanecerá dormido durante el tiempo indicado en el argumento de dicho método. Esto implica que otros threads no podrán acceder a ese objeto durante ese tiempo, aunque en realidad no exista peligro de simultaneidad ya que durante ese tiempo el thread que mantiene bloqueado el objeto no realizará cambios. Para evitarlo es conveniente sustituir sleep() por el método wait(). Cuando se llama al método wait(), que siempre debe hacerse desde un método o bloque synchronized, se libera el bloqueo del objeto y por lo tanto es posible continuar utilizando ese objeto a través de métodos sincronizados. El método wait() detiene el thread hasta que se llame al método notify() o notifyAll() del objeto, o finalice el tiempo indicado como argumento del método wait().

El método unObjeto.notify() lanza una señal indicando al sistema que puede activar uno de los threads que se encuentren bloqueados esperando para acceder al objeto unObjeto. El método notifyAll() lanza una señal a todos los threads que están esperando la liberación del objeto.

Los métodos notify() y notifyAll() deben ser llamados desde el thread que tiene bloqueado el objeto para activar el resto de threads que están esperando la liberación de un objeto. Un thread se convierte en propietario del bloqueo de un objeto ejecutando un método sincronizado del objeto.

Observar las dos funciones siguientes, en las que put() inserta un dato y get() lo recoge:

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public synchronized int get() { while (available == false) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } available = false; notifyAll(); return contents; } public synchronized void put(int value) { while (available == true) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } contents = value; available = true; notifyAll(); } Notas sobre el programa: •

El bucle while de la función get() continúa ejecutándose (avalaible == false) hasta que el método put() haya suministrado un nuevo valor y lo indique con avalaible = true.

•

En cada iteración del while la función wait() hace que el hilo que ejecuta el método get() se detenga hasta que se produzca un mensaje de que algo ha sido cambiado, en este caso con el método notifAll() ejecutado por put().

•

El método put() funciona de forma similar.

También existe la posibilidad de sincronizar una parte del código de un método sin necesidad de mantener bloqueado el objeto desde el comienzo hasta el final del método. Para ello se utiliza la palabra clave syncronized indicando entre paréntesis el objeto que se desea sincronizar (synchronized(objetoASincronizar)). Por ejemplo si se desea sincronizar el propio thread en una parte del método run(), el código podría ser: public void run() { while(true) { ... syncronized(this) { // El objeto a sincronizar es el propio thread ... // Código sincronizado } try { sleep(2000); // Se detiene el thread durante 2 segundos pero el objeto // es accesible por otros threads al no estar sincronizado } catch(InterruptedException e) {} } }

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Un thread puede llamar a un método sincronizado de un objeto para el cual ya posee el bloqueo, volviendo a adquirir el bloqueo. Por ejemplo: public class VolverAAdquirir { public synchronized void a() b(); System.out.println("Estoy } public synchronized void b() System.out.println("Estoy } }

{ en a()"); { en b()");

El anterior ejemplo obtendrá como salida: Estoy en b() Estoy en a() debido a que se ha podido acceder al objeto con el método b() al ser el thread que ejecuta el método a() propietario con anterioridad del bloqueo del objeto.

El proceso de sincronización lleva bastante tiempo a la CPU, por ello se debe minimizar su uso ya que el programa será más lento cuanta más sincronización incorpore.

6.1.

Ejemplo

EL PROBLEMA DE LOS FILÓSOFOS COMILONES. Cinco filósofos pasan su vida pensando y comiendo. Los filósofos comparten una mesa circular rodeada por cinco sillas, una para cada uno de ellos. En el centro de la mesa se encuentra una fuente de arroz, y también sobre la mesa hay cinco palillos chinos. Cuando un filósofo piensa, no interactúa con sus colegas. Ocasionalmente, un filósofo tiene hambre y trata de coger los dos palillos que están más cerca de él (los palillos colocados entre él y sus vecinos de la derecha y de la izquierda). Un filósofo sólo puede coger un palillo a la vez y, obviamente, no puede ser el que está en la mano de un vecino. Cuando un filósofo hambriento tiene sus dos palillos al mismo tiempo, come sin soltarlos. Cuando termina de comer, coloca ambos palillos sobre la mesa y comienza a pensar otra vez.

La situación de los Filósofos comelones se puede observar en la Figura 4.

Figura 4. Situación de los filósofos comilones

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class semAforo { private int valor=1; synchronized void decrementar() { while(valor<=0) { try{ wait(); }catch(InterruptedException e) {} } valor--; } synchronized void incrementar() { valor++; notify(); } } class pensadores1 extends Thread { private int number; private semAforo palillo_izq; private semAforo palillo_der; long dormir; Random alea=new Random(1); public pensadores1(semAforo izq,semAforo der,int num) { palillo_izq=izq; palillo_der=der; this.number=num; } public void run() { for(;;) { palillo_izq.decrementar(); System.out.println("<"+this.number+"> Conseguido palillo izquierdo"); palillo_der.decrementar(); System.out.println("<"+this.number+"> Conseguido palillo derecho"); System.out.println("<"+this.number+"> Estoy comiendo"); try { dormir=(alea.nextInt(4))+10; sleep(dormir*1000);

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} catch (InterruptedException e) {} System.out.println("<"+this.number+"> Estoy pensando"); palillo_izq.incrementar(); palillo_der.incrementar(); try { dormir=(alea.nextInt(4))+5; sleep(dormir*1000); } catch (InterruptedException e) {} } } } class pensadores2 extends Thread { private int number; private semAforo palillo_izq; private semAforo palillo_der; long dormir; Random alea=new Random(2); public pensadores2(semAforo izq,semAforo der,int num) { palillo_izq=izq; palillo_der=der; this.number=num; } public void run() { for(;;) { palillo_der.decrementar(); System.out.println("<"+this.number+"> Conseguido palillo derecho"); palillo_izq.decrementar(); System.out.println("<"+this.number+"> Conseguido palillo izquierdo"); System.out.println("<"+this.number+"> Estoy comiendo"); try { dormir=(alea.nextInt(4))+6; sleep(dormir*1000); } catch (InterruptedException e) {} System.out.println("<"+this.number+"> Estoy pensando"); palillo_izq.incrementar(); palillo_der.incrementar(); try { dormir=(alea.nextInt(4))+5;

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sleep(dormir*1000); } catch (InterruptedException e) {} } } } class probar { public static void main(String args[]) { semAforo palillo1=new semAforo(); semAforo palillo2=new semAforo(); semAforo palillo3=new semAforo(); semAforo palillo4=new semAforo(); semAforo palillo5=new semAforo(); pensadores1 pensadores2 pensadores1 pensadores2 pensadores1

p1=new p2=new p3=new p4=new p5=new

pensadores1(palillo1,palillo2,1); pensadores2(palillo2,palillo3,2); pensadores1(palillo3,palillo4,3); pensadores2(palillo4,palillo5,4); pensadores1(palillo5,palillo1,5);

try { p1.start(); p2.start(); p3.start(); p4.start(); p5.start(); p1.join(); p2.join(); p3.join(); p4.join(); p5.join(); }catch(java.lang.InterruptedException ie) { System.out.println(ie); } } }

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En la Figura 5 se puede observar una de las posibles salidas por pantalla que se pueden obtener al ejecutar este programa.

Figura 5. Visualización de la salida del problema de los filósofos comilones

Notas sobre el programa: •

Tenemos dos clases de pensadores; pensadores1 y pensadores2, que se diferencian en que uno coge primero el palillo izquierdo y otro el palillo derecho.

Tenemos además otras dos clases; la clase semAforo y la clase probar que definirá el método main().

•

La clase semAforo tiene dos métodos; incrementar() y decrementar() que nos sirven para controlar que los palillos sólo sean utilizados por un solo filósofo, esto se consigue haciendo que esta operación sea de forma atómica y así prevenir la concurrencia, para ello se declaran como synchronized y se usan los métodos wait y notify.

•

La clase pensadores1 extiende la clase Thread (la hereda) y por ello no es necesario implementar el Runnable. Esta clase además del constructor, tiene un método run() que va a determinar las acciones a realizar por cada hilo, es decir, por cada filósofo. Estos lucharán por conseguir el palillo de su izquierda, a continuación el de la derecha, y posteriormente comerán. Después de comer, dormirán un tiempo aleatorio y los soltarán para que los demás los utilicen.

•

La clase pensadores2 es exactamente igual que la clase pensadores1 con la salvedad de que el orden en coger los palillos es al contrario para evitar que se produzca un interbloqueo debido a que todos los filósofos cojan su palillo izquierdo y esperen por el derecho.

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•

La clase probar esta constituida por el método principal, es decir, el método main() que nos sirve para ejecutar el programa y utilizar las clases anteriormente definidas. En él se instancian varios objetos, de los cuales los de la clase pensadores1 y pensadores2 llamarán al método start() para iniciar la ejecución de dichos hilos (implícitamente se llamará también a run()) y se lleven a cabo las operaciones implementadas, con lo que conseguiremos solucionar el problema. Por último esperamos por la finalización de los hilos mediante el método join().

7. Prioridades y threads daemon Para conseguir una correcta ejecución de un programa se establecen prioridades en los threads, de forma que se produzca un reparto más eficiente de los recursos disponibles. Así, en un determinado momento, interesará que un determinado proceso acabe lo antes posible sus cálculos, de forma que habrá que otorgarle más recursos, más tiempo de CPU. Esto no significa que el resto de procesos no requieran tiempo de CPU, sino que necesitarán menos. La forma de llevar a cabo esto es gracias a las prioridades.

Cuando se crea un nuevo thread, éste hereda la prioridad del thread desde el que ha sido inicializado. Las prioridades vienen definidas por variables miembro de la clase Thread, que toman valores enteros que oscilan entre la máxima prioridad MAX_PRIORITY (normalmente tiene el valor 10) y la mínima prioridad MIN_PRIORITY (valor 1), siendo la prioridad por defecto NORM_PRIORITY (valor 5). Para modificar la prioridad de un thread se utiliza el método setPriority(). Se obtiene su valor con getPriority().

7.1.

Conmutación de contexto

Las reglas para la conmutación de contexto entre threads son sencillas. Un hilo puede ceder voluntariamente el control (por abandono explícito, al quedarse dormido o al bloquearse en espera de una E/S pendiente), o puede ser desalojado. En el primer caso, se examinan todos los demás restantes y se selecciona aquel que, estando listo para su ejecución, tenga la prioridad más alta, para su asignación a la CPU. En el segundo caso, un hilo de baja prioridad que no libera la CPU es desalojado por otro de mayor prioridad, con independencia de lo que estuviese haciendo en ese instante. En otras palabras, tan pronto como un hilo de mayor prioridad desee comenzar su ejecución, lo hará. Esto se suele conocer como multitarea por desalojo.

En caso de tareas con igual prioridad se suele aplicar algún algoritmo de round-robin para conmutar entre tareas.

Un thread puede en un determinado momento renunciar a su tiempo de CPU y otorgárselo a otro thread de la misma prioridad, mediante el método yield(), aunque en ningún caso a un thread de prioridad inferior.

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7.2.

Threads daemon

Los threads pueden ser daemon o no daemon. Son daemon aquellos hilos que realizan en background (en un segundo plano) servicios generales, es decir, tareas que no forman parte de la esencia del programa y que se están ejecutando mientras no finalice la aplicación. Un thread daemon podría ser por ejemplo aquél que está comprobando permanentemente si el usuario pulsa un botón. Un programa de Java finaliza cuando sólo quedan corriendo threads de tipo daemon. Por defecto, y si no se indica lo contrario, los threads son del tipo no daemon.

Los thread Daemon tienen la prioridad más baja. Se usa el método setDaemon (true) para marcar un thread como thread demonio y se usa getDaemon para comprobar ese indicador. Por defecto, la cualidad de demonio se hereda desde el thread que crea el nuevo thread. No puede cambiarse después de haber iniciado un thread.

8. Grupos de hilos Cualquier hilo de ejecución en Java debe formar parte de un grupo, la clase ThreadGroup define e implementa la capacidad de un grupo de hilos.

Los grupos de hilos permiten que sea posible recoger varios hilos de ejecución en un solo objeto y manipularlo como un grupo, en vez de individualmente. Por ejemplo, se pueden regenerar los hilos de un grupo mediante una sola sentencia.

Cuando se crea un nuevo hilo, se coloca en un grupo, bien indicándolo explícitamente, o bien dejando que el sistema lo coloque en el grupo por defecto. Una vez creado el hilo y asignado a un grupo, ya no se podrá cambiar a otro grupo.

Si no se especifica un grupo en el constructor, el sistema coloca el hilo en el mismo grupo en que se encuentre el hilo de ejecución que lo haya creado, y si no se especifica el grupo para ninguno de los hilos, entonces todos serán miembros del grupo main, que es creado por el sistema cuando arranca la aplicación.

La clase Thread proporciona constructores en los que se puede especificar el grupo del hilo que se esta creando en el mismo momento de instanciarlo, y también métodos como getThreadGroup(), que permiten determinar el grupo en que se encuentra un hilo de ejecución.

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9. Comentario La posibilidad de soportar varios threads nos proporciona una gran flexibilidad para el diseño de aplicaciones.

La especificación de Java sólo menciona que pueden utilizarse los recursos del sistema operativo subyacente si éste soporta multithreading, en caso contrario es la maquina virtual quien realiza todas las labores de planificación y cambio de contexto.

El comportamiento que puede esperar el programador del soporte de multithreading en Java no permite la realización de aplicaciones con fuertes requisitos temporales. No es posible tan siquiera cambiar la política de planificación de la maquina virtual, y lo que es peor, ésta depende de la plataforma en la que nos encontremos. Debido a estos motivos la utilización de multithreading en Java debe limitarse simplemente a situaciones donde sea conveniente tener varias tareas en paralelo, sin que importe demasiado la precisión con que se reparten el procesador o la frecuencia con que realizan cambios de contexto.

Existe un aspecto significativo y no intuitivo dentro de los hilos, y es que debido a la planificación de los hilos, se puede hacer que una aplicación se ejecute generalmente más rápido insertando llamadas a sleep() dentro del bucle principal de run(). Debido a esto su uso parece un arte, sobre todo cuando unos retrasos más largos parecen incrementar el rendimiento.

La razón por la que ocurre esto es que retrasos más breves pueden hacer que la interrupción del planificador del final de sleep() se dé antes de que el hilo en ejecución este listo para ir a dormir, forzando así al planificador a detenerlo y volver a arrancarlo más tarde para que pueda acabar con lo que estaba haciendo, para ir después a dormir.

Las desventajas principales del multihilado son: 1. Ralentización durante la espera por recursos compartidos.

2. Sobrecarga adicional de la CPU necesaria para gestionar los hilos.

3. Complejidad sin recompensa, como la idea poco acertada de tener un hijo separado para actualizar cada elemento de un array.

4. Problemas derivados como la inanición, la competición y el interbloqueo.

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10.

Conclusiones

•

La programación de hilos requiere un cambio en la forma de pensar al programar, ya que la ejecución del código ya no se realiza de forma secuencial sino paralelamente.

•

Tiene suma importancia saber cuándo hay que hacer uso de threads y cuándo evitarlos.

Las principales razones de usarlos son al gestionar varias tareas que al entremezclarse hagan un uso más eficiente del ordenador, o porque al usuario le interese por una determinada circunstancia.

•

Un único hilo es similar a un programa secuencial; es decir, tiene un comienzo, una secuencia y un final, además en cualquier momento durante la ejecución existe un sólo punto de ejecución. Sin embargo, un hilo no es un programa; no puede correr por sí mismo, corre dentro de un programa. Un hilo por si mismo no nos ofrece nada nuevo, es la habilidad de ejecutar varios hilos dentro de un programa lo que ofrece algo nuevo y útil, ya que cada uno de estos hilos puede ejecutar tareas distintas.

•

Una ventaja de usar hilos es que las conmutaciones de contexto de procesos ligeras, sustituyen a las conmutaciones de contexto de procesos pesadas. Debido a que todos los hilos de un determinado proceso comparten el mismo espacio de memoria, una conmutación del proceso ligera sólo cambia la ejecución del programa y las variables locales, mientras que una conmutación de contexto pesada debe intercambiar todo el espacio en memoria.

•

La mayor dificultad de trabajar con hilos es que dado un recurso, este podría estar siendo compartido por más de un hilo. Por ello hay que asegurarse de que varios hilos no intenten leer y cambiar un recurso simultáneamente. Esto requiere de un uso cuidadoso de synchronized, ya que aunque es una herramienta muy útil, puede llevar a situaciones de interbloqueo sin darnos cuenta.

•

Los programas paralelos son usados en ambientes críticos y muy sensibles tales como operaciones y manipulación en bases de datos, recolección de información, etc. Con un creciente énfasis en el Web y herramientas independientes de la plataforma, es por esto que Java ha tenido un gran impacto en la creación de nuevos sistemas paralelo. El problema es que Java soporta hilos, pero no ofrece una protección adecuada para los recursos compartidos por los hilos y no tiene un mecanismo de detección de interbloqueos.

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En Java parece que existe un límite en la cantidad de hilos a crear, ya que en algunas ocasiones un número de hilos muy elevado da muestras de colapso, este punto crítico puede que se alcance con unos pocos cientos. Normalmente sólo se crean unos pocos hilos para solucionar un problema y por tanto este límite no se suele alcanzar, aunque puede parecer una limitación en grandes diseños.

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Referencias

[1] Pedro Manuel Cuenca Jiménez. “Programación en Java”. Guía Práctica para programadores. Anaya Multimedia.

[2] API de Java. Web Site.

http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/api/index.html [Última vez visitado, 8-6-2004]

12.

Bibliografía

•

Ed Tittel, Bill Brogden. “Manual Fundamental de Java”. Anaya Multimedia.

•

H. M. Deitel, P. J. Deitel . “Cómo programar en Java“. Prentice-Hall Hispanoamericana. 1a. Ed.

•

Bruce Eckel; traducción, Jorge González Barturen. “Piensa en Java “. Prentice Hall.

•

Roger Cadenhead. “Java 2 in 24 hours”. Sams Publising.

•

Página web con información acerca de varios lenguajes de programación en general, y de Java en particular. http://www.programacion.net/java/ [Última vez visitado, 8-6-2004] •

Página oficial de Sun dedicada al lenguaje Java.

http://java.sun.com/ [Última vez visitado, 8-6-2004] •

Página con varios tutoriales sobre Java y threads. http://programacion.com/java/tutorial/threads/ [Última vez visitado, 8-6-2004] •

Página web en español dedicada íntegramente al lenguaje Java. http://www.javahispano.org/ [Última vez visitado, 8-6-2004] •

El rincón de Java.

http://wwws.uib.es/rincon/java/ [Última vez visitado, 8-6-2004]

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