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769
770
771
772
773
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779
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782
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784
785
786
787
788
789
790
791
792
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795
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797
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801
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808
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811
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871
872
873
874
875
|
<html>
<head>
<title>
Handbuch der Java-Programmierung, 5. Auflage
</title>
</head>
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installKbdHandler("97,#startofbody;101,#endofbody;116,cover.html;122,k100003.html;115,search.html;105,index.html;100,JDKDOCS;112,APIDOCS;104,k100143.html;106,k100146.html;107,k100148.html;108,k100150.html");
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<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="cover.html"> Titel </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100003.html"> Inhalt </a>
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<td align="right">Handbuch der Java-Programmierung, 5. Auflage
<tr bgcolor="#EEFFCC">
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100143.html"> << </a>
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<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="../jdkdocs/api/index.html" onClick="this.href=getApiIndex()"> API </a>
<td align="right">Kapitel 22 - Multithreading
</table>
<hr>
<!-- Section -->
<a name="sectlevel2id022004"></a>
<h2>22.4 Synchronisation<a name="ixa101491"></a><a name="ixa101492"></a>
</h2>
<hr>
<ul>
<li><a href="k100147.html#sectlevel2id022004">22.4 Synchronisation</a>
<ul>
<li><a href="k100147.html#sectlevel3id022004001">22.4.1 Synchronisationsprobleme</a>
<li><a href="k100147.html#monitore">22.4.2 Monitore</a>
<ul>
<li><a href="k100147.html#sectlevel4id022004002001">Anwendung von synchronized auf einen Block von Anweisungen</a>
<li><a href="k100147.html#sectlevel4id022004002002">Anwendung von synchronized auf eine Methode</a>
</ul>
<li><a href="k100147.html#sectlevel3id022004003">22.4.3 wait und notify</a>
<li><a href="k100147.html#pipedthreads">22.4.4 PipedInputStream und PipedOutputStream</a>
</ul>
</ul>
<hr>
<!-- Section -->
<a name="sectlevel3id022004001"></a>
<h3>22.4.1 Synchronisationsprobleme </h3>
<p>
Wenn man sich mit Nebenläufigkeit beschäftigt, muss man
sich in aller Regel auch mit Fragen der <i>Synchronisation</i> nebenläufiger
Prozesse beschäftigen. In Java erfolgt die Kommunikation zweier
Threads auf der Basis gemeinsamer Variablen, die von beiden Threads
erreicht werden können. Führen beide Prozesse Änderungen
auf den gemeinsamen Daten durch, so müssen sie synchronisiert
werden, denn andernfalls können undefinierte Ergebnisse entstehen.
<p>
Wir wollen uns als einleitendes Beispiel ein kleines Programm ansehen,
bei dem zwei Threads einen gemeinsamen Zähler hochzählen:
<a name="listingid022009"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#00AA00">/* Listing2209.java */</font>
<font color="#555555">002 </font>
<font color="#555555">003 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">class</font> Listing2209
<font color="#555555">004 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">005 </font>{
<font color="#555555">006 </font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">int</font> cnt = 0;
<font color="#555555">007 </font>
<font color="#555555">008 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">void</font> main(String[] args)
<font color="#555555">009 </font> {
<font color="#555555">010 </font> Thread t1 = <font color="#0000AA">new</font> Listing2209();
<font color="#555555">011 </font> Thread t2 = <font color="#0000AA">new</font> Listing2209();
<font color="#555555">012 </font> t1.start();
<font color="#555555">013 </font> t2.start();
<font color="#555555">014 </font> }
<font color="#555555">015 </font>
<font color="#555555">016 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">017 </font> {
<font color="#555555">018 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">019 </font> System.out.println(cnt++);
<font color="#555555">020 </font> }
<font color="#555555">021 </font> }
<font color="#555555">022 </font>}</pre>
</font>
</td>
<td valign=top align=right>
<a href="../examples/Listing2209.java"><font color="#000055" size=-1>Listing2209.java</font></a></td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.9: Zwei Zählerthreads</i></p>
<p>
Läßt man das Programm eine Weile laufen, könnte es
beispielsweise zu folgender Ausgabe kommen:
<font color="#333300">
<pre>
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
33 <-- Nanu? Wo ist die 32?
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
32 <-- Ach so, hier!
58
59
</pre>
</font>
<p>
Beide Prozesse greifen unsynchronisiert auf die gemeinsame Klassenvariable
<font color="#000077"><tt>cnt</tt></font> zu. Da die Operation <font color="#000077"><tt>System.out.println(cnt++);</tt></font>
nicht <i>atomar</i> ist, kommt es zu dem Fall, dass die Operation
mitten in der Ausführung unterbrochen wird und der Scheduler
mit dem anderen Thread fortfährt. Erst später, wenn der
unterbrochene prozess wieder Rechenzeit erhält, kann er seinen
vor der Unterbrechung errechneten Zählerwert von 32 ausgeben.
Sein Pendant war in der Zwischenzeit allerdings bereits bis 56 fortgefahren.
Um diese Art von Inkonsistenzen zu beseitigen, bedarf es der <i>Synchronisation</i>
der beteiligten Prozesse.
<!-- Section -->
<a name="monitore"></a>
<h3>22.4.2 Monitore </h3>
<p>
Zur Synchronisation nebenläufiger Prozesse hat Java das Konzept
des <i>Monitors</i> implementiert. Ein Monitor ist die Kapselung eines
<a name="ixa101493"><i>kritischen Bereichs</i></a> (also eines Programmteils,
der nur von jeweils einem prozess zur Zeit durchlaufen werden darf)
mit Hilfe einer automatisch verwalteten Sperre. Diese Sperre wird
beim Betreten des Monitors gesetzt und beim Verlassen wieder zurückgenommen.
Ist sie beim Eintritt in den Monitor bereits von einem anderen prozess
gesetzt, so muss der aktuelle prozess warten, bis der Konkurrent die
Sperre freigegeben und den Monitor verlassen hat.
<p>
Das Monitor-Konzept wird mit Hilfe des in die Sprache integrierten
Schlüsselworts <a name="ixa101494"><a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a></a>
realisiert. Durch <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>
kann entweder eine komplette Methode oder ein Block innerhalb einer
Methode geschützt werden. Der Eintritt in den so deklarierten
Monitor wird durch das Setzen einer Sperre auf einer Objektvariablen
erreicht. Bezieht sich <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>
auf eine komplette Methode, wird als Sperre der <a href="index_t.html#ixb100273"><font color=#000080><tt>this</tt></font></a>-Pointer
verwendet, andernfalls ist eine Objektvariable explizit anzugeben.
<!-- Section -->
<a name="sectlevel4id022004002001"></a>
<h4>Anwendung von synchronized auf einen Block von Anweisungen </h4>
<p>
Wir wollen uns diese Art der Verwendung an einem Beispiel ansehen,
welches das oben demonstrierte Synchronisationsproblem löst.
Die naheliegende Lösung, die Anweisung <font color="#000077"><tt>System.out.println(cnt++);</tt></font>
durch einen <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>-Block
auf der Variablen <a href="index_t.html#ixb100273"><font color=#000080><tt>this</tt></font></a>
zu synchronisieren, funktioniert leider nicht. Da der Zeiger <a href="index_t.html#ixb100273"><font color=#000080><tt>this</tt></font></a>
für jeden der beiden Threads, die ja unterschiedliche Instanzen
repräsentieren, neu vergeben wird, wäre für jeden Thread
der Eintritt in den Monitor grundsätzlich erlaubt.
<p>
Statt dessen verwenden wir die (in <a href="k100273.html#dieklasseclass">Abschnitt 43.2.2</a>
erläuterte) Methode <a name="ixa101495"><a href="index_g.html#ixb100781"><font color=#000080><tt>getClass</tt></font></a></a>,
die uns ein Klassenobjekt beschafft (ein und dasselbe für alle
Instanzen), mit dem wir die Klassenvariable <font color="#000077"><tt>cnt</tt></font>
schützen können:
<a name="listingid022010"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#00AA00">/* Listing2210.java */</font>
<font color="#555555">002 </font>
<font color="#555555">003 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">class</font> Listing2210
<font color="#555555">004 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">005 </font>{
<font color="#555555">006 </font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">int</font> cnt = 0;
<font color="#555555">007 </font>
<font color="#555555">008 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">void</font> main(String[] args)
<font color="#555555">009 </font> {
<font color="#555555">010 </font> Thread t1 = <font color="#0000AA">new</font> Listing2210();
<font color="#555555">011 </font> Thread t2 = <font color="#0000AA">new</font> Listing2210();
<font color="#555555">012 </font> t1.start();
<font color="#555555">013 </font> t2.start();
<font color="#555555">014 </font> }
<font color="#555555">015 </font>
<font color="#555555">016 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">017 </font> {
<font color="#555555">018 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">019 </font> <font color="#0000AA">synchronized</font> (getClass()) {
<font color="#555555">020 </font> System.out.println(cnt++);
<font color="#555555">021 </font> }
<font color="#555555">022 </font> }
<font color="#555555">023 </font> }
<font color="#555555">024 </font>}</pre>
</font>
</td>
<td valign=top align=right>
<a href="../examples/Listing2210.java"><font color="#000055" size=-1>Listing2210.java</font></a></td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.10: Synchronisation von Threads mit Klassenobjekten</i></p>
<p>
Nun werden alle Zählerwerte in aufsteigender Reihenfolge ausgegeben.
<!-- Section -->
<a name="sectlevel4id022004002002"></a>
<h4>Anwendung von synchronized auf eine Methode </h4>
<p>
Ein anderer Fall ist der, bei dem der Zugriff auf ein Objekt selbst
synchronisiert werden muss, weil damit zu rechnen ist, dass mehr als
ein Thread zur gleichen Zeit das Objekt verwenden will.
<p>
Im folgenden werden die potentiellen Probleme am Beispiel eines Zählerobjekts
erläutert, dessen Aufgabe es ist, einen internen Zähler
zu kapseln, auf Anforderung den aktuellen Zählerstand zu liefern
und den internen Zähler zu inkrementieren. Hierbei handelt es
sich um eine Aufgabe, die beispielsweise in der Datenbankprogrammierung
sehr häufig vorkommt, um Schlüsselnummern zu generieren.
<p>
Typischerweise wird das Synchronisationsproblem dadurch verschärft,
dass die Verwendung des Zählers einige vergleichsweise langsame
Festplattenzugriffe erforderlich macht. In unserem Beispiel wird der
Zähler von fünf Threads verwendet. Die Langsamkeit und damit
die Wahrscheinlichkeit, dass der Scheduler die Zugriffsoperation unterbricht,
wird in unserem Beispiel durch eine Sequenz eingestreuter Fließkommaoperationen
erhöht:
<a name="listingid022011"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#00AA00">/* Listing2211.java */</font>
<font color="#555555">002 </font>
<font color="#555555">003 </font><font color="#0000AA">class</font> Counter2211
<font color="#555555">004 </font>{
<font color="#555555">005 </font> <font color="#006699">int</font> cnt;
<font color="#555555">006 </font>
<font color="#555555">007 </font> <font color="#0000AA">public</font> Counter2211(<font color="#006699">int</font> cnt)
<font color="#555555">008 </font> {
<font color="#555555">009 </font> <font color="#006699">this</font>.cnt = cnt;
<font color="#555555">010 </font> }
<font color="#555555">011 </font>
<font color="#555555">012 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">int</font> nextNumber()
<font color="#555555">013 </font> {
<font color="#555555">014 </font> <font color="#006699">int</font> ret = cnt;
<font color="#555555">015 </font> <font color="#00AA00">//Hier erfolgen ein paar zeitaufwändige Berechnungen, um</font>
<font color="#555555">016 </font> <font color="#00AA00">//so zu tun, als sei das Errechnen des Nachfolgezählers</font>
<font color="#555555">017 </font> <font color="#00AA00">//eine langwierige Operation, die leicht durch den</font>
<font color="#555555">018 </font> <font color="#00AA00">//Scheduler unterbrochen werden kann.</font>
<font color="#555555">019 </font> <font color="#006699">double</font> x = 1.0, y, z;
<font color="#555555">020 </font> <font color="#0000AA">for</font> (<font color="#006699">int</font> i= 0; i < 1000; ++i) {
<font color="#555555">021 </font> x = Math.sin((x*i%35)*1.13);
<font color="#555555">022 </font> y = Math.log(x+10.0);
<font color="#555555">023 </font> z = Math.sqrt(x+y);
<font color="#555555">024 </font> }
<font color="#555555">025 </font> <font color="#00AA00">//Jetzt ist der Wert gefunden</font>
<font color="#555555">026 </font> cnt++;
<font color="#555555">027 </font> <font color="#0000AA">return</font> ret;
<font color="#555555">028 </font> }
<font color="#555555">029 </font>}
<font color="#555555">030 </font>
<font color="#555555">031 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">class</font> Listing2211
<font color="#555555">032 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">033 </font>{
<font color="#555555">034 </font> <font color="#0000AA">private</font> String name;
<font color="#555555">035 </font> <font color="#0000AA">private</font> Counter2211 counter;
<font color="#555555">036 </font>
<font color="#555555">037 </font> <font color="#0000AA">public</font> Listing2211(String name, Counter2211 counter)
<font color="#555555">038 </font> {
<font color="#555555">039 </font> <font color="#006699">this</font>.name = name;
<font color="#555555">040 </font> <font color="#006699">this</font>.counter = counter;
<font color="#555555">041 </font> }
<font color="#555555">042 </font>
<font color="#555555">043 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">void</font> main(String[] args)
<font color="#555555">044 </font> {
<font color="#555555">045 </font> Thread[] t = <font color="#0000AA">new</font> Thread[5];
<font color="#555555">046 </font> Counter2211 cnt = <font color="#0000AA">new</font> Counter2211(10);
<font color="#555555">047 </font> <font color="#0000AA">for</font> (<font color="#006699">int</font> i = 0; i < 5; ++i) {
<font color="#555555">048 </font> t[i] = <font color="#0000AA">new</font> Listing2211(<font color="#0000FF">"Thread-"</font>+i,cnt);
<font color="#555555">049 </font> t[i].start();
<font color="#555555">050 </font> }
<font color="#555555">051 </font> }
<font color="#555555">052 </font>
<font color="#555555">053 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">054 </font> {
<font color="#555555">055 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">056 </font> System.out.println(counter.nextNumber()+<font color="#0000FF">" for "</font>+name);
<font color="#555555">057 </font> }
<font color="#555555">058 </font> }
<font color="#555555">059 </font>}</pre>
</font>
</td>
<td valign=top align=right>
<a href="../examples/Listing2211.java"><font color="#000055" size=-1>Listing2211.java</font></a></td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.11: Eine unzureichend synchronisierte Zählerklasse</i></p>
<p>
Das Ergebnis des Programms ist - wie nicht anders zu erwarten - schlecht,
denn es werden sehr viele doppelte Schlüssel produziert. Ein
Beispiellauf brachte bereits in den ersten 15 Aufrufen 6 doppelte
Zählerwerte:
<font color="#333300">
<pre>
10 for Thread-2
11 for Thread-4
10 for Thread-0
10 for Thread-1
11 for Thread-2
11 for Thread-3
12 for Thread-4
13 for Thread-0
14 for Thread-1
15 for Thread-2
16 for Thread-3
17 for Thread-4
18 for Thread-0
19 for Thread-1
20 for Thread-2
</pre>
</font>
<p>
Auch hier gibt es eine einfache Lösung für das Synchronisationsproblem.
Eine einfache Markierung der Methode <font color="#000077"><tt>nextNumber</tt></font>
als <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>
macht diese zu einem Monitor und sorgt dafür, dass der komplette
Code innerhalb der Methode als atomares Programmfragment behandelt
wird. Eine Unterbrechung des kritischen Abschnitts durch einen anderen
Thread ist dann nicht mehr möglich:
<a name="listingid022012"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">synchronized</font> <font color="#006699">int</font> nextNumber()
<font color="#555555">002 </font>{
<font color="#555555">003 </font> <font color="#006699">int</font> ret = cnt;
<font color="#555555">004 </font> <font color="#00AA00">//Hier erfolgen ein paar zeitaufwändige Berechnungen, um so</font>
<font color="#555555">005 </font> <font color="#00AA00">//zu tun, als sei das Errechnen des Nachfolgezählerstandes</font>
<font color="#555555">006 </font> <font color="#00AA00">//eine langwierige Operation, die leicht durch den</font>
<font color="#555555">007 </font> <font color="#00AA00">//Scheduler unterbrochen werden kann.</font>
<font color="#555555">008 </font> <font color="#006699">double</font> x = 1.0, y, z;
<font color="#555555">009 </font> <font color="#0000AA">for</font> (<font color="#006699">int</font> i= 0; i < 1000; ++i) {
<font color="#555555">010 </font> x = Math.sin((x*i%35)*1.13);
<font color="#555555">011 </font> y = Math.log(x+10.0);
<font color="#555555">012 </font> z = Math.sqrt(x+y);
<font color="#555555">013 </font> }
<font color="#555555">014 </font> <font color="#00AA00">//Jetzt ist der Wert gefunden</font>
<font color="#555555">015 </font> cnt++;
<font color="#555555">016 </font> <font color="#0000AA">return</font> ret;
<font color="#555555">017 </font>}</pre>
</font>
</td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.12: Synchronisieren der Zählermethode</i></p>
<p>
Durch das <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>-Attribut
wird beim Aufruf der Methode die Instanzvariable <a href="index_t.html#ixb100273"><font color=#000080><tt>this</tt></font></a>
gesperrt und damit der Zugriff für andere Threads unmöglich
gemacht. Erst nach Verlassen der Methode und Entsperren von <a href="index_t.html#ixb100273"><font color=#000080><tt>this</tt></font></a>
kann <font color="#000077"><tt>nextNumber</tt></font> wieder von anderen
Threads aufgerufen werden.
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100%>
<tr>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#000077"><img src="trp1_1.gif"></td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top width=1000>
<p>
Diese Art des Zugriffschutzes wird in Java von vielen Klassen verwendet,
um ihre Methoden <i>thread-sicher</i> zu machen. Nach Aussage der
Sprachspezifikation kann davon ausgegangen werden, dass die gesamte
Java-Klassenbibliothek in diesem Sinne thread-sicher ist. Dies gilt
allerdings nicht für die Swing-Klassen.</td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=1 width=100% bgcolor="#000077">
<tr>
<td><font color="#FFFFFF"> Hinweis </font></td>
</tr>
</table>
</td>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#000077"><img src="trp1_1.gif"></td>
</tr>
</table>
<!-- Section -->
<a name="sectlevel3id022004003"></a>
<h3>22.4.3 wait und notify </h3>
<p>
Neben dem Monitorkonzept stehen mit den Methoden <a name="ixa101496"><a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a></a>
und <a name="ixa101497"><a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a></a>
der Klasse <a href="index_o.html#ixb100224"><font color=#000080><tt>Object</tt></font></a>
noch weitere Synchronisationsprimitive zur Verfügung. Zusätzlich
zu der bereits erwähnten Sperre, die einem Objekt zugeordnet
ist, besitzt ein Objekt nämlich auch noch eine <a name="ixa101498"><i>Warteliste</i></a>.
Dabei handelt es sich um eine (möglicherweise leere) Menge von
Threads, die vom Scheduler unterbrochen wurden und auf ein Ereignis
warten, um fortgesetzt werden zu können.
<p>
Sowohl <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>
als auch <a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>
dürfen nur aufgerufen werden, wenn das Objekt bereits gesperrt
ist, also nur innerhalb eines <a href="index_s.html#ixb100715"><font color=#000080><tt>synchronized</tt></font></a>-Blocks
für dieses Objekt. Ein Aufruf von <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>
nimmt die bereits gewährten Sperren (temporär) zurück
und stellt den prozess, der den Aufruf von <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>
verursachte, in die Warteliste des Objekts. Dadurch wird er unterbrochen
und im Scheduler als <i>wartend</i> markiert. Ein Aufruf von <a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>
entfernt einen (beliebigen) prozess aus der Warteliste des Objekts,
stellt die (temporär) aufgehobenen Sperren wieder her und führt
ihn dem normalen Scheduling zu. <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>
und <a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>
sind damit für elementare Synchronisationsaufgaben geeignet,
bei denen es weniger auf die Kommunikation als auf die Steuerung der
zeitlichen Abläufe ankommt.
<p>
Das folgende Beispiel demonstriert den Einsatz von <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>
und <a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>
an einem <a name="ixa101499"><i>Producer/Consumer-Beispiel</i></a>.
Ein prozess arbeitet dabei als Produzent, der Fließkommazahlen
»herstellt«, und ein anderer als Konsument, der die produzierten
Daten verbraucht. Die Kommunikation zwischen beiden erfolgt über
ein gemeinsam verwendetes <a href="index_v.html#ixb100120"><font color=#000080><tt>Vector</tt></font></a>-Objekt,
das die produzierten Elemente zwischenspeichert und als Medium für
die <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>-/<a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>-Aufrufe
dient:
<a name="listingid022013"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#00AA00">/* Listing2213.java */</font>
<font color="#555555">002 </font>
<font color="#555555">003 </font><font color="#0000AA">import</font> java.util.*;
<font color="#555555">004 </font>
<font color="#555555">005 </font><font color="#0000AA">class</font> Producer2213
<font color="#555555">006 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">007 </font>{
<font color="#555555">008 </font> <font color="#0000AA">private</font> Vector v;
<font color="#555555">009 </font>
<font color="#555555">010 </font> <font color="#0000AA">public</font> Producer2213(Vector v)
<font color="#555555">011 </font> {
<font color="#555555">012 </font> <font color="#006699">this</font>.v = v;
<font color="#555555">013 </font> }
<font color="#555555">014 </font>
<font color="#555555">015 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">016 </font> {
<font color="#555555">017 </font> String s;
<font color="#555555">018 </font>
<font color="#555555">019 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">020 </font> <font color="#0000AA">synchronized</font> (v) {
<font color="#555555">021 </font> s = <font color="#0000FF">"Wert "</font>+Math.random();
<font color="#555555">022 </font> v.addElement(s);
<font color="#555555">023 </font> System.out.println(<font color="#0000FF">"Produzent erzeugte "</font>+s);
<font color="#555555">024 </font> v.notify();
<font color="#555555">025 </font> }
<font color="#555555">026 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">027 </font> Thread.sleep((<font color="#006699">int</font>)(100*Math.random()));
<font color="#555555">028 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (InterruptedException e) {
<font color="#555555">029 </font> <font color="#00AA00">//nichts</font>
<font color="#555555">030 </font> }
<font color="#555555">031 </font> }
<font color="#555555">032 </font> }
<font color="#555555">033 </font>}
<font color="#555555">034 </font>
<font color="#555555">035 </font><font color="#0000AA">class</font> Consumer2213
<font color="#555555">036 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">037 </font>{
<font color="#555555">038 </font> <font color="#0000AA">private</font> Vector v;
<font color="#555555">039 </font>
<font color="#555555">040 </font> <font color="#0000AA">public</font> Consumer2213(Vector v)
<font color="#555555">041 </font> {
<font color="#555555">042 </font> <font color="#006699">this</font>.v = v;
<font color="#555555">043 </font> }
<font color="#555555">044 </font>
<font color="#555555">045 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">046 </font> {
<font color="#555555">047 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">048 </font> <font color="#0000AA">synchronized</font> (v) {
<font color="#555555">049 </font> <font color="#0000AA">if</font> (v.size() < 1) {
<font color="#555555">050 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">051 </font> v.wait();
<font color="#555555">052 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (InterruptedException e) {
<font color="#555555">053 </font> <font color="#00AA00">//nichts</font>
<font color="#555555">054 </font> }
<font color="#555555">055 </font> }
<font color="#555555">056 </font> System.out.print(
<font color="#555555">057 </font> <font color="#0000FF">" Konsument fand "</font>+(String)v.elementAt(0)
<font color="#555555">058 </font> );
<font color="#555555">059 </font> v.removeElementAt(0);
<font color="#555555">060 </font> System.out.println(<font color="#0000FF">" (verbleiben: "</font>+v.size()+<font color="#0000FF">")"</font>);
<font color="#555555">061 </font> }
<font color="#555555">062 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">063 </font> Thread.sleep((<font color="#006699">int</font>)(100*Math.random()));
<font color="#555555">064 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (InterruptedException e) {
<font color="#555555">065 </font> <font color="#00AA00">//nichts</font>
<font color="#555555">066 </font> }
<font color="#555555">067 </font> }
<font color="#555555">068 </font> }
<font color="#555555">069 </font>}
<font color="#555555">070 </font>
<font color="#555555">071 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">class</font> Listing2213
<font color="#555555">072 </font>{
<font color="#555555">073 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">void</font> main(String[] args)
<font color="#555555">074 </font> {
<font color="#555555">075 </font> Vector v = <font color="#0000AA">new</font> Vector();
<font color="#555555">076 </font>
<font color="#555555">077 </font> Producer2213 p = <font color="#0000AA">new</font> Producer2213(v);
<font color="#555555">078 </font> Consumer2213 c = <font color="#0000AA">new</font> Consumer2213(v);
<font color="#555555">079 </font> p.start();
<font color="#555555">080 </font> c.start();
<font color="#555555">081 </font> }
<font color="#555555">082 </font>}</pre>
</font>
</td>
<td valign=top align=right>
<a href="../examples/Listing2213.java"><font color="#000055" size=-1>Listing2213.java</font></a></td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.13: Ein Producer-/Consumer-Beispiel mit wait und notify</i></p>
<p>
Um die Arbeitsverteilung zwischen den Prozessen etwas interessanter
zu gestalten, werden beide gezwungen, nach jedem Schritt eine kleine
Pause einzulegen. Da die Wartezeit zufällig ausgewählt wird,
kann es durchaus dazu kommen, dass der Produzent eine größere
Anzahl an Elementen anhäuft, die der Konsument noch nicht abgeholt
hat. Der umgekehrte Fall ist natürlich nicht möglich, da
der Konsument warten muss, wenn keine Elemente verfügbar sind.
Eine Beispielsitzung könnte etwa so aussehen:
<font color="#333300">
<pre>
Produzent erzeugte Wert 0.09100924684649958
Konsument fand Wert 0.09100924684649958 (verbleiben: 0)
Produzent erzeugte Wert 0.5429652807455857
Konsument fand Wert 0.5429652807455857 (verbleiben: 0)
Produzent erzeugte Wert 0.6548096532111007
Konsument fand Wert 0.6548096532111007 (verbleiben: 0)
Produzent erzeugte Wert 0.02311095955845288
Konsument fand Wert 0.02311095955845288 (verbleiben: 0)
Produzent erzeugte Wert 0.6277057416210464
Konsument fand Wert 0.6277057416210464 (verbleiben: 0)
Produzent erzeugte Wert 0.6965546173953919
Produzent erzeugte Wert 0.6990053250441516
Produzent erzeugte Wert 0.9874467815778902
Produzent erzeugte Wert 0.12110075531692543
Produzent erzeugte Wert 0.5957795111549329
Konsument fand Wert 0.6965546173953919 (verbleiben: 4)
Produzent erzeugte Wert 0.019655027417308846
Konsument fand Wert 0.6990053250441516 (verbleiben: 4)
Konsument fand Wert 0.9874467815778902 (verbleiben: 3)
Produzent erzeugte Wert 0.14247583735074354
Konsument fand Wert 0.12110075531692543 (verbleiben: 3)
</pre>
</font>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100%>
<tr>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#000077"><img src="trp1_1.gif"></td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top width=1000>
<p>
Durch eine konstante Pause nach jedem produzierten Element könnte
der Produzent bewußt langsamer gemacht werden. Der schnellere
Konsument würde dann einen Großteil seiner Zeit damit verbringen,
festzustellen, dass keine Elemente verfügbar sind. Zwar würde
das Beispiel (in leicht modifizierter Form) auch ohne den Einsatz
von <a href="index_w.html#ixb101120"><font color=#000080><tt>wait</tt></font></a>/<a href="index_n.html#ixb101127"><font color=#000080><tt>notify</tt></font></a>
funktionieren. Durch ihre Verwendung aber ist der Konsumentenprozess
nicht gezwungen, <i>aktiv</i> zu warten, sondern wird vom Produzenten
benachrichtigt, wenn ein neues Element verfügbar ist. Der Rechenzeitbedarf
reduziert sich dadurch auf einen Bruchteil dessen, was andernfalls
benötigt würde.</td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=1 width=100% bgcolor="#000077">
<tr>
<td><font color="#FFFFFF"> Hinweis </font></td>
</tr>
</table>
</td>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#000077"><img src="trp1_1.gif"></td>
</tr>
</table>
<!-- Section -->
<a name="pipedthreads"></a>
<h3>22.4.4 PipedInputStream und PipedOutputStream </h3>
<p>
Sollen wie im vorigen Beispiel zwei Threads so miteinander verbunden
werden, dass einer von beiden Daten erzeugt, die der andere verarbeitet,
gibt es die Möglichkeit, beide mit Hilfe einer <a name="ixa101500"><i>Pipe</i></a>
zu synchronisieren. Dabei werden die beiden Threads über einen
ByteStream miteinander verbunden, der von einem Thread geschrieben
und von dem anderen gelesen wird.
<p>
Dieses Piping-Konzept wird in Java durch die Klassen <a name="ixa101501"><a href="index_p.html#ixb100969"><font color=#000080><tt>PipedInputStream</tt></font></a></a>
und <a name="ixa101502"><a href="index_p.html#ixb100970"><font color=#000080><tt>PipedOutputStream</tt></font></a></a>
realisiert. Beide Klassen werden immer paarweise und immer in getrennten
Threads verwendet. Daten, die der eine Thread in den <a href="index_p.html#ixb100970"><font color=#000080><tt>PipedOutputStream</tt></font></a>
schreibt, kann der andere aus dem angebundenen <a href="index_p.html#ixb100969"><font color=#000080><tt>PipedInputStream</tt></font></a>
lesen.
<p>
Da die Kommunikation <i>gepuffert</i> erfolgt, kann der schreibende
Thread in einem gewissen Rahmen mehr Daten produzieren, als der lesende
verarbeiten kann. Ist der Puffer voll (im JDK 1.2 ist er 1024 Byte
groß), wird der schreibende Thread angehalten, bis der lesende
ausreichend Zeichen gelesen hat. Greift der lesende Thread auf eine
Pipe zu, die nicht genügend Daten enthält, muss er warten,
bis ein anderer Thread die erforderliche Anzahl an Bytes hineingeschrieben
hat.
<p>
Wir können das Producer-/Consumer-Beispiel unter Verwendung von
<a href="index_p.html#ixb100969"><font color=#000080><tt>PipedInputStream</tt></font></a>
und <a href="index_p.html#ixb100970"><font color=#000080><tt>PipedOutputStream</tt></font></a>
vereinfachen, denn die gesamte Synchronisationsarbeit wird automatisch
beim Aufruf der <a href="index_r.html#ixb100984"><font color=#000080><tt>read</tt></font></a>-
und <a href="index_w.html#ixb100959"><font color=#000080><tt>write</tt></font></a>-Methoden
erledigt.
<p>
Das folgende Listing zeigt zwei Threads, die über eine Pipe einzelne
Datenbytes miteinander austauschen. Die Pipe wird vom Hauptprogramm
erzeugt, indem zunächst der <a href="index_p.html#ixb100969"><font color=#000080><tt>PipedInputStream</tt></font></a>
angelegt und an den danach erzeugten <a href="index_p.html#ixb100970"><font color=#000080><tt>PipedOutputStream</tt></font></a>
übergeben wird. Alternativ hätte die Verbindung auch hergestellt
werden können, indem einer der beiden Streams an die <a name="ixa101503"><a href="index_c.html#ixb101131"><font color=#000080><tt>connect</tt></font></a></a>-Methode
des anderen übergeben worden wäre.
<a name="listingid022014"></a>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100% bgcolor="#DDDDDD">
<tr>
<td valign=top>
<font color="#000055">
<pre>
<font color="#555555">001 </font><font color="#00AA00">/* Listing2214.java */</font>
<font color="#555555">002 </font>
<font color="#555555">003 </font><font color="#0000AA">import</font> java.io.*;
<font color="#555555">004 </font>
<font color="#555555">005 </font><font color="#0000AA">class</font> Producer2214
<font color="#555555">006 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">007 </font>{
<font color="#555555">008 </font> <font color="#0000AA">private</font> PipedOutputStream pipe;
<font color="#555555">009 </font>
<font color="#555555">010 </font> <font color="#0000AA">public</font> Producer2214(PipedOutputStream pipe)
<font color="#555555">011 </font> {
<font color="#555555">012 </font> <font color="#006699">this</font>.pipe = pipe;
<font color="#555555">013 </font> }
<font color="#555555">014 </font>
<font color="#555555">015 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">016 </font> {
<font color="#555555">017 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">018 </font> <font color="#006699">byte</font> b = (<font color="#006699">byte</font>)(Math.random() * 128);
<font color="#555555">019 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">020 </font> pipe.write(b);
<font color="#555555">021 </font> System.out.println(<font color="#0000FF">"Produzent erzeugte "</font> + b);
<font color="#555555">022 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (IOException e) {
<font color="#555555">023 </font> System.err.println(e.toString());
<font color="#555555">024 </font> }
<font color="#555555">025 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">026 </font> Thread.sleep((<font color="#006699">int</font>)(100*Math.random()));
<font color="#555555">027 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (InterruptedException e) {
<font color="#555555">028 </font> <font color="#00AA00">//nichts</font>
<font color="#555555">029 </font> }
<font color="#555555">030 </font> }
<font color="#555555">031 </font> }
<font color="#555555">032 </font>}
<font color="#555555">033 </font>
<font color="#555555">034 </font><font color="#0000AA">class</font> Consumer2214
<font color="#555555">035 </font><font color="#0000AA">extends</font> Thread
<font color="#555555">036 </font>{
<font color="#555555">037 </font> <font color="#0000AA">private</font> PipedInputStream pipe;
<font color="#555555">038 </font>
<font color="#555555">039 </font> <font color="#0000AA">public</font> Consumer2214(PipedInputStream pipe)
<font color="#555555">040 </font> {
<font color="#555555">041 </font> <font color="#006699">this</font>.pipe = pipe;
<font color="#555555">042 </font> }
<font color="#555555">043 </font>
<font color="#555555">044 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#006699">void</font> run()
<font color="#555555">045 </font> {
<font color="#555555">046 </font> <font color="#0000AA">while</font> (<font color="#006699">true</font>) {
<font color="#555555">047 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">048 </font> <font color="#006699">byte</font> b = (<font color="#006699">byte</font>)pipe.read();
<font color="#555555">049 </font> System.out.println(<font color="#0000FF">" Konsument fand "</font> + b);
<font color="#555555">050 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (IOException e) {
<font color="#555555">051 </font> System.err.println(e.toString());
<font color="#555555">052 </font> }
<font color="#555555">053 </font> <font color="#0000AA">try</font> {
<font color="#555555">054 </font> Thread.sleep((<font color="#006699">int</font>)(100*Math.random()));
<font color="#555555">055 </font> } <font color="#0000AA">catch</font> (InterruptedException e) {
<font color="#555555">056 </font> <font color="#00AA00">//nichts</font>
<font color="#555555">057 </font> }
<font color="#555555">058 </font> }
<font color="#555555">059 </font> }
<font color="#555555">060 </font>}
<font color="#555555">061 </font>
<font color="#555555">062 </font><font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">class</font> Listing2214
<font color="#555555">063 </font>{
<font color="#555555">064 </font> <font color="#0000AA">public</font> <font color="#0000AA">static</font> <font color="#006699">void</font> main(String[] args)
<font color="#555555">065 </font> <font color="#0000AA">throws</font> Exception
<font color="#555555">066 </font> {
<font color="#555555">067 </font> PipedInputStream inPipe = <font color="#0000AA">new</font> PipedInputStream();
<font color="#555555">068 </font> PipedOutputStream outPipe = <font color="#0000AA">new</font> PipedOutputStream(inPipe);
<font color="#555555">069 </font> Producer2214 p = <font color="#0000AA">new</font> Producer2214(outPipe);
<font color="#555555">070 </font> Consumer2214 c = <font color="#0000AA">new</font> Consumer2214(inPipe);
<font color="#555555">071 </font> p.start();
<font color="#555555">072 </font> c.start();
<font color="#555555">073 </font> }
<font color="#555555">074 </font>}</pre>
</font>
</td>
<td valign=top align=right>
<a href="../examples/Listing2214.java"><font color="#000055" size=-1>Listing2214.java</font></a></td>
</tr>
</table>
<i>
Listing 22.14: Das Producer-/Consumer-Beispiel mit einer Pipe</i></p>
<p>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=100%>
<tr>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#0099CC"><img src="trp1_1.gif"></td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=1></td>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#0099CC"><img src="trp1_1.gif"></td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top width=1000>
<p>
Piping gibt es auch für zeichenbasierte Kommunikation. Dazu werden
die Klassen <a name="ixa101504"><a href="index_p.html#ixb100967"><font color=#000080><tt>PipedWriter</tt></font></a></a>
und <a name="ixa101505"><a href="index_p.html#ixb100968"><font color=#000080><tt>PipedReader</tt></font></a></a>
verwendet. Bis auf den Unterschied, dass Zeichen anstelle von Bytes
ausgetauscht werden, entspricht ihre Arbeitsweise genau den hier vorgestellten
Byte-Pipes.</td>
<td><img src="trp1_1.gif" width=2></td>
<td valign=top>
<table border=0 cellspacing=0 cellpadding=1 width=100% bgcolor="#0099CC">
<tr>
<td><font color="#FFFFFF"> Tipp </font></td>
</tr>
</table>
</td>
<td width=1 align=left valign=top bgcolor="#0099CC"><img src="trp1_1.gif"></td>
</tr>
</table>
<hr>
<table border=0 cellpadding=0 cellspacing=1 width="100%">
<tr bgcolor="#EEFFCC">
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="cover.html"> Titel </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100003.html"> Inhalt </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="search.html"> Suchen </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="index.html"> Index </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="../jdkdocs/index.html" onClick="this.href=getDocIndex()"> DOC </a>
<td align="right">Handbuch der Java-Programmierung, 5. Auflage, Addison
Wesley, Version 5.0.1
<tr bgcolor="#EEFFCC">
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100143.html"> << </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100146.html"> < </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100148.html"> > </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="k100150.html"> >> </a>
<td width="7%" align=center bgcolor="#DDCC99"><a href="../jdkdocs/api/index.html" onClick="this.href=getApiIndex()"> API </a>
<td align="right">© 1998, 2007 Guido Krüger & Thomas
Stark, <a href="http://www.javabuch.de">http://www.javabuch.de</a>
</table>
<a name="endofbody"></a>
</body>
</html>
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