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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Java ist auch eine Sprache
2 Sprachbeschreibung
3 Klassen und Objekte
4 Der Umgang mit Zeichenketten
5 Mathematisches
6 Eigene Klassen schreiben
7 Angewandte Objektorientierung
8 Exceptions
9 Die Funktionsbibliothek
10 Threads und nebenläufige Programmierung
11 Raum und Zeit
12 Datenstrukturen und Algorithmen
13 Dateien und Datenströme
14 Die eXtensible Markup Language (XML)
15 Grafische Oberflächen mit Swing
16 Grafikprogrammierung
17 Netzwerkprogrammierung
18 Verteilte Programmierung mit RMI und Web-Services
19 JavaServer Pages und Servlets
20 Applets
21 Midlets und die Java ME
22 Datenbankmanagement mit JDBC
23 Reflection und Annotationen
24 Logging und Monitoring
25 Sicherheitskonzepte
26 Java Native Interface (JNI)
27 Dienstprogramme für die Java-Umgebung
A Die Begleit-DVD
Stichwort
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Java ist auch eine Insel von Christian Ullenboom Programmieren mit der Java Standard Edition Version 6
Java ist auch eine Insel 7., aktualisierte Auflage geb., mit DVD (November 2007) 1.492 S., 49,90 Euro Galileo Computing ISBN 978-3-8362-1146-8 |
| 10 Threads und nebenläufige Programmierung
|  | 10.1 Nebenläufigkeit
|  |  | 10.1.1 Threads und Prozesse
|  |  | 10.1.2 Wie parallele Programme die Geschwindigkeit steigern können
|  |  | 10.1.3 Was Java für Nebenläufigkeit alles bietet
|  | 10.2 Threads erzeugen
|  |  | 10.2.1 Threads über die Schnittstelle Runnable implementieren
|  |  | 10.2.2 Thread mit Runnable starten
|  |  | 10.2.3 Der Name eines Threads
|  |  | 10.2.4 Die Klasse Thread erweitern
|  |  | 10.2.5 Wer bin ich?
|  | 10.3 Die Zustände eines Threads
|  |  | 10.3.1 Threads schlafen
|  |  | 10.3.2 Mit yield() auf Rechenzeit verzichten
|  |  | 10.3.3 Das Ende eines Threads
|  |  | 10.3.4 UncaughtExceptionHandler für unbehandelte Ausnahmen
|  |  | 10.3.5 Einen Thread höflich mit Interrupt beenden
|  |  | 10.3.6 Der stop() von außen und die Rettung mit ThreadDeath
|  |  | 10.3.7 Ein Rendezvous mit join()
|  |  | 10.3.8 Barrier und Austausch mit Exchanger
|  |  | 10.3.9 Arbeit niederlegen und wieder aufnehmen
|  |  | 10.3.10 Priorität
|  |  | 10.3.11 Der Thread ist ein Dämon
|  | 10.4 Der Ausführer (Executor) kommt
|  |  | 10.4.1 Die Schnittstelle Executor
|  |  | 10.4.2 Die Thread-Pools
|  |  | 10.4.3 Threads mit Rückgabe über Callable
|  |  | 10.4.4 Mehrere Callable abarbeiten
|  |  | 10.4.5 Mit ScheduledExecutorService wiederholende Ausgaben und Zeitsteuerungen
|  | 10.5 Synchronisation über kritische Abschnitte
|  |  | 10.5.1 Gemeinsam genutzte Daten
|  |  | 10.5.2 Probleme beim gemeinsamen Zugriff und kritische Abschnitte
|  |  | 10.5.3 Punkte parallel initialisieren
|  |  | 10.5.4 i++ sieht atomar aus, ist es aber nicht
|  |  | 10.5.5 Kritische Abschnitte schützen
|  |  | 10.5.6 Schützen mit ReentrantLock
|  |  | 10.5.7 Synchronisieren mit synchronized
|  |  | 10.5.8 Synchronized-Methoden der Klasse StringBuffer
|  |  | 10.5.9 Mit synchronized synchronisierte Blöcke
|  |  | 10.5.10 Dann machen wir doch gleich alles synchronisiert!
|  |  | 10.5.11 Lock-Freigabe im Fall von Exceptions
|  |  | 10.5.12 Mit synchronized nachträglich synchronisieren
|  |  | 10.5.13 Monitore sind reentrant – gut für die Geschwindigkeit
|  |  | 10.5.14 Synchronisierte Methodenaufrufe zusammenfassen
|  |  | 10.5.15 Deadlocks
|  | 10.6 Synchronisation über Warten und Benachrichtigen
|  |  | 10.6.1 Die Schnittstelle Condition
|  |  | 10.6.2 Beispiel: Erzeuger-Verbraucher-Programm
|  |  | 10.6.3 Warten mit wait() und Aufwecken mit notify()
|  |  | 10.6.4 Falls der Lock fehlt: IllegalMonitorStateException
|  |  | 10.6.5 Semaphor
|  | 10.7 Atomare Operationen und frische Werte mit volatile
|  |  | 10.7.1 Der Modifizierer volatile bei Objekt-/Klassenvariablen
|  |  | 10.7.2 Das Paket java.util.concurrent.atomic
|  | 10.8 Mit dem Thread verbundene Variablen
|  |  | 10.8.1 ThreadLocal
|  |  | 10.8.2 InheritableThreadLocal
|  | 10.9 Gruppen von Threads in einer Thread-Gruppe
|  |  | 10.9.1 Aktive Threads in der Umgebung
|  |  | 10.9.2 Etwas über die aktuelle Thread-Gruppe herausfinden
|  |  | 10.9.3 Threads in einer Thread-Gruppe anlegen
|  |  | 10.9.4 Methoden von Thread und ThreadGroup im Vergleich
|  | 10.10 Zeitgesteuerte Abläufe
|  |  | 10.10.1 Die Klassen Timer und TimerTask
|  |  | 10.10.2 Job-Scheduler Quartz
|  | 10.11 Einen Abbruch der virtuellen Maschine erkennen
|  | 10.12 Zum Weiterlesen
## 10.7 Atomare Operationen und frische Werte mit volatile Die JVM arbeitet bei den Ganzzahl-Datentypen kleiner gleich int intern nur mit einem int. Doch obwohl es auch für die 64-Bit-Datentypen long und double einzelne Bytecode-Befehle gibt, ist nicht gesichert, dass die Operationen auf diesen Datentypen unteilbar sind, da etwa eine 64-Bit-Zuweisung sich aus zwei 32-Bit-Zuweisungen zusammensetzen lässt. Es kann also passieren, dass ein Thread mitten in einer long- oder double-Operation von einem anderen Thread verdrängt wird. Greifen zwei Threads auf die gleiche 64-Bit-Variable zu, so könnte möglicherweise der eine Thread eine Hälfte schreiben und der andere Thread die andere.
Beispiel Zwei Threads versuchen gleichzeitig die Variable l vom Typ long zu ändern. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ein Leerzeichen nach dem ersten 32-Bit-Block in der hexadezimalen Notation eingefügt.)
    l = 0x00000000 00000000             l = 0xFFFFFFFF FFFFFFFF
Schreibt der erste Thread den ersten Teil der long-Variable mit 00000000 und findet dann ein Kontextwechsel statt, sodass der zweite Thread die Variable komplett mit FFFFFFFF FFFFFFFF initialisiert, gibt es nach dem erneuten Umschalten ein Problem, weil dann der erste Thread seine zweite Hälfe schreiben wird und die Belegung der Variablen FFFFFF 00000000 ist. Insgesamt gibt es vier denkbare Belegungen durch das Scheduling beim Kontext-Wechsel:
    l = 0x00000000 00000000
    l = 0xFFFFFFFF FFFFFFFF
    l = 0x00000000 FFFFFFFF
    l = 0xFFFFFFFF 00000000
### 10.7.1 Der Modifizierer volatile bei Objekt-/Klassenvariablen Um dies zu vermeiden, können die Objekt- und Klassenvariablen mit dem Modifizierer volatile deklariert werden. Die Zugriffsoperationen werden auf diesen Variablen dann atomar ausgeführt. Der Modifizierer ist bei lokalen Variablen nicht gestattet, da sie auf dem Stapel liegen und für andere Threads nicht zugänglich sind. Achtung: Auch mit volatile sind Operationen wie i++ natürlich noch nicht atomar, da i++ aus Grundoperationen besteht: Lesen von i, Erhöhen um eins und Schreiben von i; unser Kapitel »Mit synchronized synchronisierte Blöcke« nannte die Teile schon. #### Zwischenspeicherung untersagen volatile beugt zusätzlich einem anderen Problem vor. Während der Berechnung könnte die Laufzeitumgebung Inhalte von Variablen im Prozessorspeicher (zum Beispiel Register) zwischengespeichert haben. Das passiert etwa, wenn in einer Schleife ein Wert immer hochgezählt wird, der in einer Objektvariablen gespeichert wird. Eine Laufzeitumgebung könnte den Zugriff auf Objektvariablen optimieren, indem zuerst der Variableninhalt in eine interne lokale Variable kopiert und anschließend, nach einer Berechnung, das Ergebnis zurückgespeichert wird. Ist cnt eine Objektvariable, dann könnte folgende Schleife von der Laufzeitumgebung optimiert werden:
    for ( int i = 0; i < 1000000; i++ )
      cnt++;
Eine optimierende Laufzeitumgebung könnte nun auf die Idee kommen, nicht bei jedem Schleifendurchlauf die Objektvariable zu erhöhen, sondern nur am Ende. Wenn die Umgebung i zuerst in eine interne lokale Variable kopiert, dann die gesamte Schleife ausführt und erst anschließend den internen Wert nach i zurückkopiert, haben wir viel Zeit gespart, denn der Zugriff auf eine lokale Variable, die sich im Register des Prozessors aufhalten kann, ist wesentlich schneller als der Zugriff auf eine Objektvariable. Dies ist im Übrigen eine beliebte Strategie, um die Performance eines Programms zu steigern. Mit dieser internen Optimierung kommt es jedoch zu schwer kontrollierbaren Nebeneffekten, und Änderungen am Wert von i sind nicht sofort für andere Threads sichtbar, denen damit die Information über die einzelnen Inkrementschritte fehlt. Oder ein anderes Beispiel:
    int i = cnt;
    Thread.sleep( 10000 );
    int j = cnt;
Verändert ein anderer Thread während des Wartens die Variable cnt, könnte dennoch i = j sein, wenn die Laufzeitumgebung die Variable j nicht frisch mit dem Wert aus cnt initialisiert. Auch hier hilft wieder das ungewöhnliche Schlüsselwort. Ist die Variable mit volatile gekennzeichnet, wird das Ergebnis nicht im Zwischenspeicher belassen, sondern ständig aktualisiert. Die parallelen Threads sehen somit immer den korrekten Variablenwert, da er vor jeder Benutzung aus dem Speicher gelesen und nach einer Änderung sofort wieder zurückgeschrieben wird. Sehr gut ist das für boolean-Werte, die Flags anzeigen, die andere Threads zur Synchronisation beobachten. Ein Array, das mit volatile markiert ist, hat alle Zugriffe auf die Elemente volatile, denn auch hier könnte die JVM die Elemente aus Performance-Gründen zwischenspeichern. Wohlgemerkt bleiben nur die Werte aktuell; nicht-atomare Operationen wie cnt++ sind damit immer noch nicht atomar. ### 10.7.2 Das Paket java.util.concurrent.atomic Während volatile das Lesen und Schreiben auf den 64-Bit-Datentypen atomar macht, ist eine Operation wie cnt++ oder cnt > 12 nicht atomar. Kurz vor dem Vergleich kann ein Thread-Wechsel stattfinden und cnt geändert werden, sodass der Vergleich einen anderen Ausgang findet. Die Rettung ist ein synchronisierter Block, wobei jedoch eine Synchronisationsvariable nötig ist. Seit Java 5 helfen hier die Klassen des Pakets java.util.concurrent.atomic. Ein Beispiel für einen veränderbaren Behälter ist AtomicInteger, der Operationen wie getAndIncrement() anbietet, die den Wert des Behälters atomar erhöhen.
Beispiel Eine öffentliche Klasse bietet über eine statische Methode eine ID (im Bereich long) an. Listing 10.29 com/tutego/insel/thread/atomic/Id.java
    public class Id
    {
      private static final AtomicLong id = new AtomicLong();

      private Id() { /* Empty */ }

      public long next()
      {
        return id.getAndIncrement();
      }
    }
Insgesamt befinden sich im Paket java.util.concurrent.atomic folgende Klassen für elementare Datentypen: AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong – es gibt weder Atomic-Short noch AtomicByte. Da diese Objekte alle veränderbar sind, eignen sie sich nicht unbedingt als Ersatz für immutable Wrapper-Objekte wie Integer, insbesondere nicht in allgemeinen Assoziativspeichern oder Mengen; sie definierten auch gar kein eigenes equals() und hashCode(). Für Felder stehen bereit: AtomicIntegerArray, AtomicLongArray. Die Klassen AtomicIntegerFieldUpdater<T> und AtomicLongFieldUpdater<T> gehen über Reflection an Attribute heran, die volatile sind, und ermöglichen atomare Operationen. Dazu kommen noch einige Klassen zum atomaren Arbeiten mit Referenzen: AtomicReference, AtomicReference-Array<E>, AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>, AtomicMarkableReference<V> (assoziiert ein Objekt mit einem Flag, das atomar geändert werden kann) und AtomicStampedReference<V> (assoziiert ein Objekt mit einer Ganzzahl). ### Ihr Kommentar Wie hat Ihnen das <openbook> gefallen? Wir freuen uns immer über Ihre freundlichen und kritischen Rückmeldungen.
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