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27/03/2014 1 Concorrenza multithreading in Java RICHIAMI SU

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27/03/2014
Concorrenza
multithreading in Java
RICHIAMI SU PARALLELISMO
1
Sistemi multi-processore
Possiamo scrivere un programma in cui
diverse attività (task) evolvono in parallelo da
un punto di vista logico
Queste possono evolvere in parallelismo
fisico
In passato erano costosi e riservati ad
applicazioni speciali
Oggi sistemi multiprocessore sono
largamente disponibili a livello di massa
Massimo parallelismo fisico
ogni attività parallela ha a disposizione un processore fisico
altrimenti esse vengono eseguite da
processori condivisi secondo modalità decise
da uno scheduler, in generale non
controllabile dal programmatore
3
4
1
27/03/2014
Caso 1: Task singolo
Multitasking su singolo
processore
Approccio
Processore esegue un task
Passa velocemente a un altro
Sotto il governo dello scheduler
Il processore sembra lavorare sui diversi
task concorrentemente
Caso 2: Due task
momenti di inattività o per esaurimento
5
Multitasking a livello di processi
6
Multitasking a livello di thread
Processo
Programma eseguibile caricato in memoria
Ha un suo spazio di indirizzi (variabili e
strutture dati in memoria)
Ogni processo esegue un diverso
programma
I processi comunicano via OS, files, rete
Può contenere più thread
7
Un thread condivide lo spazio di indirizzi
con gli altri thread del processo e
comunica via variabili condivise
Ha un suo contesto di esecuzione
(program counter, variabili locali)
8
2
27/03/2014
Motivazioni ed esempio
La suddivisione in processi e task coglie la
struttura logica del problema
componenti (processi) che interagiscono
ogni componente composto da diversi thread
LA SOLUZIONE DI JAVA:
THREADS
Multiple richieste simultanee
da web browser
da multipli server, ciascuno
multi-threaded
9
Costrutti per la concorrenza a
livello di linguaggio
C e C++ sono linguaggi «single-threaded»
Multitasking in C e C++ richiede di appoggiarsi al
sistema operativo, con opportune call alle primitive
multithread del SO
Java contiene primitive multitasking al suo
interno (es. Classe Thread).
Es.di thread: il Java garbage collector.
Ciò consente di scrivere sw multithread senza
occuparsi del SO
dependent
Questo ha consentito sviluppo di librerie di alto livello
che semplificano la costruzione di sw multitasking
Thread in Java
metodo 1
1. Definire una classe che eredita da Thread e
contiene il metodo run()
class ListSorter extends Thread {
public void run() {
gli statements del thread che si vuol definire
}
}
2. Creare istanza della classe
ListSorter concSorter = new ListSorter(list1)
3. Invocare il metodo start(), che a sua volta
chiama run()
lancia il thread e
concSorter.start();
ritorna
immediatamente12
3
3
27/03/2014
Esempio
Esempio
public class HelloThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Hello from a thread!");
}
public static void main(String args[]) {
(new HelloThread()).start();
}
}
13
14
Nota
La classe Thread in realtà implementa
metodo run che contiene il codice del
thread
Su ciò si basa un modo alternativo
15
16
4
27/03/2014
Thread in Java
metodo 2
1. Definire una classe che: 1) implementa l'interfaccia
Runnable, 2) eventualmente estende altra classe, 3)
contiene il metodo run()
metodo più
class ListSorter implements Runnable {
generale
si usa se si deve
public void run() {
gli statements del thread che si vuol definireereditare da
}
qualche
}
classe
2. Creare istanza
Esempio
public class HelloRunnable implements Runnable {
public void run() {
System.out.println("Hello from a thread!");
}
ListSorter concSorter = new ListSorter(list1);
public static void main(String args[]) {
(new Thread(new HelloRunnable())).start();
}
3. Creare thread
Thread myThread = new Thread(concSorter);
4. Attivare metodo run, attraverso metodo start()
myThread.start()
17
Ciclo di vita di un thread
(semplificato)
born
La classe Thread prevede anche metodi e
caratteristiche che consentono un controllo molto (a
volte troppo!) fine della concorrenza, spesso
dipendente dal SO e che qui IGNORIAMO, p.es.:
start
ready
scheduler
lock
18
Dettagli vari
costruito
running I/O
}
sleep(x) sospende il thread per x msec (stato sleeping)
interrupt(): inviare interrupt al thread (ad. es. per terminarlo); il
suo run() di norma lancia InterruptedException;
join, yield, isalive, setName, getName
fine I/O
fine lock
Ogni thread ha priorità (compresa fra
Thread.Min_Priority e Thread.Max_Priority, di default
Thread.Norm_Priority)
blocked
dead
19
La priorità è usata dallo scheduler per decidere quali thread
sono running
5
27/03/2014
Dati condivisi
Può essere necessario imporre che certe
sequenze di operazioni che accedono a
dati condivisi vengano eseguite dai task
in mutua esclusione
class ContoCorrente {
private float saldo;
public ContoCorrente (float saldoIniz)
{ saldo = saldoIniz; }
public void deposito (float soldi)
{ saldo += soldi; }
public void prelievo (float soldi)
{ saldo -= soldi; }
che succede se
due
task concorrenti
cercano l'uno di
depositare e l'altro
di prelevare dallo
stesso conto?
21
Es: Interferenza
Esecuzione concorrente di x+=y e x-=y.
Ciascun thread esegue tre operazioni:
1. Lettura del valore di x e y
2. Calcolo di espressione (x+y oppure x-y)
3. Scrittura in variabile x
-=y
può avere uno dei seguenti effetti:
- incrementare x di y
- lasciare x immutata
- decrementare x di y
22
Altro problema di concorrenza
Generalizzazione del problema
a volte si vuole che certe sequenze di
istruzioni vengano eseguite in isolamento,
senza interleaving con istruzioni di altre
sequenze parallele che altri thread
potrebbero eseguire
23
sequenze, si vogliono imporre certi
un thread venga eseguita prima (happens
Di solito ciò deriva dal fatto di voler garantire
certe proprietà di consistenza della memoria
(stato della computazione)
24
6
27/03/2014
Esempio
Come rendere i metodi "atomici"
public class SynchronizedCounter {
private int c = 0;
La parola chiave "synchronized"
public synchronized void increment() {
c++;
}
class ContoCorrente {
private float saldo;
public ContoCorrente (float saldoIniz)
{ saldo = saldoIniz; }
synchronized public void deposito (float soldi)
{ saldo += soldi; }
synchronized public void prelievo (float soldi)
{ saldo -= soldi; }
25
public synchronized void decrement() {
c--;
}
public synchronized int value() {
return c;
}
}
26
Commenti sul lock
Metodi synchronized
Diverse invocazioni di metodi synchronized sullo stesso oggetto non
sono soggette a interleaving
quanto un thread X esegue un metodo synchronized di un oggetto, i thread che
eseguono invocazioni di metodi synchronized sullo stesso oggetto vengono
Java associa un intrinsic lock (monitor) a
ciascun oggetto che ha almeno un metodo
synchronized
Quando un metodo synchronized termina, stabilisce
invocazione successiva di metodi synchronized sullo stesso oggetto
Ogni estensione di object può avere tali metodi
I costruttori non possono essere synchronized. Solo il thread che
Quando un metodo synchronized è invocato:
se nessun metodo synchronized è in esecuzione
, l'oggetto viene bloccato (locked) e quindi
il metodo viene eseguito
se l'oggetto è bloccato, il task chiamante viene
sospeso fino a quando il task bloccante libera il lock
27
Warning: attenzione a non far uscire un riferimento prematuro
costruzione sia completata
NOTA eventuali dati final (che non possono essere modificati dopo
28
la creazione) possono essere letti con metodi non synchronized
7
27/03/2014
Ulteriori commenti sul lock
Liveness
pratica
rilasciato al ritorno (sia normale che eccezionale
che da uncaught exception)
Invocazione di metodo static synchronized.
static è controllato da un lock speciale, diverso da
quelli associati alle istanze della classe
29
concorrente viene eseguita entro
accettabili limiti di tempo
Principali situazioni da evitare attraverso
deadlock, starvation e livelock
30
http://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/deadlock.html
Deadlock
Due e più thread sono bloccati per
Esempio: Anna and Giacomo sono
amici e credono nel galateo, che dice
che se una persona si inchina a un
amico, deve restare inchinata fino a che
Problema: inchino reciproco allo stesso
tempo
31
public class Friend {
private final String name;
public Friend(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public synchronized void bow(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s" + " has bowed to me!%n",
this.name, bower.getName());
bower.bowBack(this);
}
public synchronized void bowBack(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s" + " has bowed back to me!%n",
this.name, bower.getName());
}
}
final Friend giacomo = new Friend("Giacomo");
new Thread(new Runnable() {public void run() {anna.bow(giacomo);}}).start();
32
new Thread(new Runnable() {public void run() {giacomo.bow(anna);}}).start();
8
27/03/2014
Starvation
Situazione in cui un thread ha difficoltà a
guadagnare accesso a una risorsa
condivisa e quindi ha difficoltà a
procedere
Esempio:
Livelock
Errore di progetto che genera una
sequenza ciclica di operazioni inutili ai
computazione
Esempio:
frequentemente invocano metodi lunghi
ritardano costantemente il thread, o uno
scheduler che usa priorità cede sempre
33
precedenza ai task greedy
Synchronized statements
Per ridurre problemi di liveness si possono usare synch.
statements
, qui this
public void addName(String name) {
synchronized(this) {
lastName = name;
nameCount++;
}
nameList.add(name);
}
in questo modo si rilascia il lock su
this prima di
invocare metodo nameList.add, che potrebbe a sua volta
richiedere di attendere il rilascio di un lock (potenziali
problemi di liveness
35
34
Synchronized statements su oggetti
diversi da this
Es. classe XXX ha 2 campi c1 e c2,
mai usati assieme.
I loro update devono essere
synchronized, ma non
motivo di impedire di farne
interleaving: si ridurrebbe la
concorrenza con blocchi non
necessari
public class XXX {
private long c1 = 0;
private long c2 = 0;
private Object lock1 = new Object();
private Object lock2 = new Object();
public void inc1() {
synchronized(lock1) {
c1++;
}
}
public void inc2() {
synchronized(lock2) {
c2++;
}
}
invece di usare synchronized
methods o sync. Statement su
this, si creano due oggetti solo
per fornire un lock
}
36
9
27/03/2014
Synchronized statements:
Precondizioni per metodi
synchronized: guarded blocks
Utile in pratica, ma richiede MOLTA attenzione
Come evitare il prelievo se il conto va "in
rosso"?
interleaving degli update di c1 e c2?
Controllo così fine spesso induce errori di
programmazione, o comunque risulta molto complesso
class ContoCorrente {
private float saldo;
synchronized public void prelievo (float soldi) {
while (saldo-soldi<0) wait();
saldo -= soldi;
}
rilascia il lock sull'oggetto e sospende il
38
task
37
Come risvegliare un task in wait?
class ContoCorrente {
private float saldo;
public ContoCorrente (float saldoIniz)
{ saldo = saldoIniz; }
synchronized public void deposito (float soldi) {
saldo += soldi;
risveglia un task sospeso
notify();
in wait, se esiste nondeterminismo
}
synchronized public void prelievo (float soldi) {
while (saldo-soldi<0) wait();
saldo -= soldi;
Attenzione!
}
if (saldo-soldi<0) wait();
Non è sufficiente: il saldo potrebbe non
39
essere diventato positivo
Esempio: una coda fifo condivisa
Operazione di inserimento di elemento:
sospende task se coda piena
while (codaPiena()) wait();
al termine
notify();
Operazione di estrazione di elemento:
sospende task se coda vuota
while (codaVuota()) wait();
al termine
notify();
invece notifyAll risveglia tutti i
task in sospeso
MA uno solo guadagna
il lock
40
10
27/03/2014
Schema produttore/consumatore
Attenzione ai dettagli
risvegliato solo da un notify o notifyAll
altrimenti resta in wait per sempre
oggetto locked
senza bisogno di notify.
Chiamando wait() occorre in realtà anche
catturare InterruptedException (lanciata se
un altro thread invoca metodo interrupt sul
thread in sospeso)
public synchronized String take() {
public synchronized void put(String message) {
// Wait until message is
// Wait until message has
// available.
// been retrieved.
while (empty) {
while (!empty) {
try {
try {
wait();
wait();
} catch (InterruptedException e) {}
} catch (InterruptedException e) {}
}
}
// Toggle status.
// Toggle status.
empty = true;
empty = false;
// Notify producer that
// Store message.
// status has changed.
this.message = message;
notifyAll();
// Notify consumer that status
return message;
// has changed.
}
notifyAll();
}
42
Ciclo di vita «completo» di un
thread
born
// Values must be between 0 and 255.
private int red;
private int green;
private int blue;
private String name;
start
notify
notifyAll
ready
scheduler
wait
Problemi con oggetti mutabili
Da http://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/syncrgb.html
public class SynchronizedRGB {
running
I/O
lock
waiting
private void check(int red,
int green,int blue) {
if (red < 0 || red > 255
|| green < 0 || green > 255
|| blue < 0 || blue > 255) {
throw new IllegalArgumentException();
}
}
fine I/O
fine lock
blocked
dead
43
public void set(int red,
int green,int blue, String name) {
check(red, green, blue);
synchronized (this) {
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
}
public synchronized int getRGB() {
//calcola intero che rappresenta il colore con manipolazione
// rappresentazioni binarie: bitwise inclusive or | e shift sx <<
||es. 4|1 dà 5, << X esegue shift a sinistra di X posizioni
return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
}
public synchronized String getName(){
return name;
}
public SynchronizedRGB(int red,
int green, int blue, String name) {
check(red, green, blue);
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
public synchronized void invert() {
red = 255 - red;
green = 255 - green;
blue = 255 - blue;
name = "Inverse of " + name;
44
}
}
11
27/03/2014
Possibile inconsistenza
SynchronizedRGB color = new SynchronizedRGB(0, 0, 0, "Pitch Black");
int myColorInt = color.getRGB();
//Statement 1
String myColorName = color.getName(); //Statement 2
Se un altro thread invoca color.set dopo Statement 1 ma prima di Statement
2, il valore di myColorInt non corrisponde al valore di myColorName.
Fix: legare assieme i due statement in un unico synchronized statement
synchronized (color) {
int myColorInt = color.getRGB();
String myColorName = color.getName();
}
Ma abbiamo già visto che alla lunga questo approccio può dare problemi
Il problema può sorgere solo
Allora si può definire un SynchronizedRGB immutabile
45
Come creare oggetti immutabili
Non fornire metodi "setter"
Definire tutti gli attributi di istanza final e private
Non consentire alle sottoclassi di fare override dei metodi
(p.es. dichiarando la classe final oppure dichiarando il
costruttore private e costruendo gli oggetti mediante
metodi statici, detti factory methods)
Se gli attributi di istanza hanno riferimenti a oggetti mutabili,
non consentire la modifica di questi ultimi:
- Non fornire metodi che modificano oggetti mutabili
- Non fare sharing di ref. a oggetti mutabili. Non salvare
ref. a oggetti esterni mutabili passati al costruttore, se
necessario fare copie e salvare ref. alle copie. Inoltre
46
creare copie degli oggetti interni mutabili se necessario
per evitare di restituire gli originali attraverso i metodi
Soluzione ImmutableRGB
Esempio ImmutableRGB
final public class ImmutableRGB {
Nella versione mutabile ci sono due metodi setter. Il
primo (set
avrà alcun corrispettivo nella versione immutabile. Il
secondo, invert, viene adattato creando un nuovo
oggetto
Tutti gli attributi sono già private; vengono
ulteriormente qualificati final
La classe viene qualificata final
Un solo attributo fa riferimento a un oggetto, e
nulla per salvaguardare lo stato di eventuali oggetti
mutabili contenuti
47
// Values must be between 0 and 255.
final private int red;
final private int green;
final private int blue;
final private String name;
private void check(int red,
int green,
int blue) {
if (red < 0 || red > 255
|| green < 0 || green > 255
|| blue < 0 || blue > 255) {
throw new IllegalArgumentException();
}
}
public ImmutableRGB(int red,
int green,
int blue,
String name) {
check(red, green, blue);
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
public int getRGB() {
return ((red << 16) |
(green << 8) | blue);
}
public String getName() {
return name;
}
public ImmutableRGB invert() {
return new ImmutableRGB(255 - red,
255 - green,
255 - blue,
"Inverse of " + name);
}
}
48
12
27/03/2014
Concetti avanzati:
java.util.concurrent
Lock objects
Finora abbiamo visto i concetti di base, che però risultano
Sono «di basso livello» e richiedono al programmatore di scendere
troppo nei dettagli.
Il codice synchronized definisce un caso elementare di lock
(implicito), ma meccanismi più sofisticati sono forniti dal
package java.util.concurrent.locks
lock, può essere acquisito
Vediamo ora concetti introdotti con Java 5.0, in particolare
nei packages java.util.concurrent
associati a codice synchronized
Esecutori
Collezioni concorrenti
Variabili atomiche
il metodo trylock esce dal lock se questo non è
disponibile (immediatamente o dopo un timeout da
specificare)
il metodo lockInterruptibly consente il ritiro se un altro
thread manda un interrupt prima che il lock sia acquisito
49
50
Esempio (2)
Esempio: Anna, Giacomo e
2. La classe Friend
restituisce vero se riesce ad acquisire
il lock di ciascuno dei due attori che consentono
di inchinarsi e
di restituire
class Friend {
public void bow(Friend bower) {
if (impendingBow(bower)) {
try {
1: Creazione dei thread
bower.bowBack(this);
} finally {//in uscita si rilasciano i lock di this e del bower:
lock.unlock();
bower.lock.unlock();
}
} else {
System.out.format("%s: %s started« + " to bow to me, but saw that"
+ " I was already bowing to"
public static void main(String[] args) {
final Friend giacomo = new Friend("Giacomo");
final Friend anna = new Friend("Anna");
new Thread(new BowLoop(giacomo, anna)).start();
new Thread(new BowLoop(anna, giacomo)).start();
}
}
}
public void bowBack(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s has" + " bowed back to me!%n",
this.name, bower.getName());
}
giacomo e anna ad intervalli d tempo casuali
}
51
52
13
27/03/2014
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.Random;
public class Safelock {
static class Friend {
private final String name;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
Esempio (3)
2. Ancora la classe Friend il metodo
impendingBow
class Friend {
public Friend(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public boolean impendingBow(Friend bower) {
Boolean myLock = false;
Boolean yourLock = false;
try {
myLock = lock.tryLock();
yourLock = bower.lock.tryLock();
} finally {
if (! (myLock && yourLock)) {
if (myLock) {
lock.unlock();
}
if (yourLock) {
bower.lock.unlock();
}
}
}
return myLock && yourLock;
}
public boolean impendingBow(Friend bower) {
Boolean myLock = false;
Boolean yourLock = false;
try {
myLock = lock.tryLock();
yourLock = bower.lock.tryLock();
} finally {
if (! (myLock && yourLock)) {
if (myLock) {
lock.unlock();
}
if (yourLock) {
bower.lock.unlock();
}
}
}
return myLock && yourLock;
}
53
public void bow(Friend bower) {
if (impendingBow(bower)) {
try {
System.out.format("%s: %s has"
+ " bowed to me!%n",
this.name, bower.getName());
bower.bowBack(this);
} finally {
lock.unlock();
bower.lock.unlock();
}
} else {
System.out.format("%s: %s started"
+ " to bow to me, but saw that"
+ " I was already bowing to"
+ " him.%n",
this.name, bower.getName());
}
}
Codice
completo
PARTE 1
54
static class BowLoop implements Runnable {
private Friend bower;
private Friend bowee;
public BowLoop(Friend bower, Friend bowee) {
this.bower = bower;
this.bowee = bowee;
}
public void run() {
Random random = new Random();
for (;;) {
try {
Thread.sleep(random.nextInt(10));
} catch (InterruptedException e) {}
bowee.bow(bower);
}
}
Codice
completo
PARTE 2
Codice
completo
PARTE 3
}
public void bowBack(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s has" +
" bowed back to me!%n",
this.name, bower.getName());
}
public static void main(String[] args) {
final Friend alphonse =
new Friend("Alphonse");
final Friend gaston =
new Friend("Gaston");
new Thread(new BowLoop(alphonse, gaston)).start();
new Thread(new BowLoop(gaston, alphonse)).start();
}
}
55
}
56
14
27/03/2014
Esecutori
Gli strumenti finora disponibili impongono una
stretta relazione tra il compito che deve essere
Runnable
Thread
I due concetti possono essere tenuti distinti in
applicazioni complesse, mediante
interfacce Executor
thread pools
fork/join
Gli esecutori sono predefiniti e consentono una
gestione efficiente che riduce il pesanti
overhead dovuto alla gestione dei thread57
Interfacce Executors
Il package java.util.concurrent definisce 3
interfacce
Executor
ExecutorService (estende Executor)
ScheduledExecutorService (estende ExecutorService)
sovraccarico delle prestazioni associato ad
inizializzare un nuovo thread, assegnargli memoria
memoria per lo stack ecc
Un server che riceve continuamente richieste potrebbe
bloccarsi completamente
Invece di avviare un nuovo thread per ogni task,
una task è passata a un thread pool.
Non appena il thread pool ha qualche thread
inattivo, il task gli viene assegnato ed eseguito.
Uso tipico per i server: ogni connessione in
entrata è passata al pool.
Implementazione di Executors
Executors usano thread pools, che
consistono di thread che esistono al di
fuori di Runnable
Un esempio comune è
Utilizzo di Executor
Se r è un Runnable ed e è un Executor, invece di
(new Thread(r)).start();
facciamo
xecutor
chiamando il factory method newFixedThreadPool della
classe java.util.concurrent.Executors
I task sono inviati al pool attraverso una
coda (BlockingQueue)
e.execute(r);
thread
Thread Pools
Utili per limitare il numero di thread in
esecuzione allo stesso tempo.
59
60
15
27/03/2014
Collezioni concorrenti
Cenno al Fork/Join framework
altra implementazione di
ExecutorService, utile nel caso di più
processori
Consente di distribuire task a elementi
di un thread pool secondo uno schema
ricorsivo:
Il package java.util.concurrent include estensioni
a collezioni di Java, quali
BlockingQueue
struttura dati FIFO che blocca thread se si cerca
di inserire in coda piena o estrarre da coda vuota
Utile come buffer per produttore/consumatore
ConcurrentMap
consente in maniera atomica di
eliminare/modificare una coppia chiave-valore
solo se chiave presente e aggiungere chiavevalore solo se assente
if (il mio task è abbastanza piccolo)
eseguo direttamente
else
spezzo il mio task in due task
invoco i due pezzi e attendo il risultato
61
62
Esempio
Variabili atomiche
class Counter {
private int c = 0;
Il package java.util.atomic definisce classi che
supportano operazioni atomiche su singole
variabili
Esse posseggono tutte metodi get e set che si
comportano come lettura e scrittura delle
corrispondenti variabili non atomiche
compareAndSet
}
63
class SynchronizedCounter {
private int c = 0;
public void increment() {
c++;
}
public synchronized void increment() {
c++;
}
public void decrement() {
c--;
}
public synchronized void decrement() {
c--;
}
public int value() {
return c;
}
public synchronized int value() {
return c;
}
}
Come evitare problemi di interferenza?
64
16
27/03/2014
Oggetti atomici
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class AtomicCounter {
private AtomicInteger c = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
c.incrementAndGet();
}
Programmazione distribuita
public void decrement() {
c.decrementAndGet();
}
public int value() {
return c.get();
}
Consentono di evitare i problemi di liveness che possono
essere causati
dei metodi synchronized
65
Obiettivo
66
Nodi fisici e nodi logici
La rete come architettura fisica
programmabile
Poter allocare computazioni su nodi
fisici diversi e consentire il
coordinamento tra le computazioni sui
diversi nodi
67
Occorre distinguere tra nodi fisici e logici
Può essere opportuno progettare
Java consente di addirittura di vedere
tutto attraverso la nozione di oggetti e di
invocazione di metodi, dove
68
17
27/03/2014
Architettura client-server
Middleware
È il modo classico di progettare applicazioni
distribuite su rete
Server
offre un servizio "centralizzato"
attende che altri (client) li contattino per ottenere un
servizio
esempio: web server
Client
si rivolge ad apposito/i server per ottenere certi
servizi
esempio: browser www
69
Per programmare un sistema distribuito
vengono forniti servizi specifici, come
estensione del sistema operativo
Il middleware viene posto tra il sistema
operativo e le applicazioni
In Java il middleware fa parte del
linguaggio, diversamente da altri
middleware (es. CORBA)
14
70
15
Socket in Java
Middleware
package java.net, classi: Socket, ServerSocket
Client e server comunicano (pacchetti TCP)
attraverso socket (attacchi)
socket
client
71
socket
server
Endpoint individuati da:
indirizzo IP
numero di porta (uno per ogni applicazione)
72
18
27/03/2014
Comunicazione client-server
Socket come stream
Apertura, lettura e scrittura di socket del tutto
simili a gestione IO con stream
Differenza:
Metodo accept per mettersi in ascolto
Metodo connect per iniziare una connessione
1
2
stream di input, da cui leggere, e uno stream
di output su cui scrivere
3
1. il ServerSocket del server si mette in attesa di una connessione
2. il socket del client si collega al server socket
3. viene creato un socket nel server e quindi stabilito un canale di
comunicazione con i l client
Metodi getInputStream e getOutputStream.
Attenzione a UDP che non ha gestione degli errori
73
Aprire connessione (lato client)
Attesa connessione (lato server)
1.
java.net.ServerSocket
specificando il numero di porta su cui rimanere in ascolto
ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(4567);
2. Chiamare il metodo accept() che fa in modo che il server
rimanga in ascolto di una richiesta di connessione (la
porta non deve essere già in uso)
Socket mioSocket=serverSocket.accept();
3. Quando il metodo completa la sua esecuzione la
connessione col client è stabilita e viene restituita
75
1. Aprire un socket specificando indirizzo IP e numero di
porta del server
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 4567)
2.
ascolto un processo server
Socket socket=serverSocket.accept();
3. Se la connessione ha successo si usano (sia dal lato
client che dal lato server) gli stream associati al socket per
permettere la comunicazione tra client e server (e
viceversa)
Scanner in = new Scanner(socket.getInputStream());
PrintWriter out = new
PrintWriter(socket.getOutputStream());
76
19
27/03/2014
Esempio di server: EchoServer
Si crei un server che accetta
connessioni TCP sulla porta 1337
Una volta accettata la connessione il
server leggerà ciò che viene scritto una
riga alla volta e ripeterà nella stessa
connessione ciò che è stato scritto.
esecuzione
public class EchoServer {
private int port;
public void startServer() throws IOException {
serverSocket = new ServerSocket(port); // apro una porta TCP
System.out.println("Server socket ready on port: " + port);
Socket socket = serverSocket.accept(); // resto in attesa di una connessione
System.out.println("Received client connection");
// apro gli stream di input e output per leggere e scrivere nella connessione appena ricevuta:
Scanner in = new Scanner(socket.getInputStream());
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
while (true) {// leggo e scrivo nella connessione finche' non ricevo "quit":
String line = in.nextLine();
if (line.equals("quit")) {
break;
} else {
out.println("Received: " + line);
out.flush();
}
}
System.out.println("Closing sockets"); // chiudo gli stream e il socket
in.close();
out.close();
socket.close();
serverSocket.close();
}
77
Esempio di client: LineClient
Si crei un client che si colleghi, con
protocollo TCP, alla porta 1337
Una volta stabilita la connessione il client
legge una riga alla volta dallo standard
input e invia il testo digitato al server
Il client inoltre stampa sullo standard
output le risposte ottenute dal server
Il client deve terminare quando il server
79
chiude la connessione
78
public class LineClient {
private String ip;
private int port;
public void startClient() throws IOException {
Socket socket = new Socket(ip, port);
System.out.println("Connection established");
Scanner socketIn = new Scanner(socket.getInputStream());
PrintWriter socketOut = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
Scanner stdin = new Scanner(System.in);
try {
while (true) {
String inputLine = stdin.nextLine();
socketOut.println(inputLine);
socketOut.flush();
String socketLine = socketIn.nextLine();
System.out.println(socketLine);
}
} catch(NoSuchElementException e) {
System.out.println("Connection closed");
} finally {
stdin.close();
socketIn.close();
socketOut.close();
socket.close();
}
}
80
20
27/03/2014
Creare EchoServer e LineClient
public class LineClient {
public class EchoServer {
private String ip;
private int port;
private int port;
private ServerSocket serverSocket;
public void startClient() throws IOException {
public EchoServer(int port) {
public LineClient(String ip, int port) {
this.port = port;
this.ip = ip;
}
this.port = port;
public static void main(String[] args) {
}
EchoServer server = new
public static void main(String[] args) {
EchoServer(1337);
LineClient client = new
try {
LineClient("127.0.0.1", 1337);
server.startServer();
try {
} catch (IOException e) {
client.startClient();
System.err.println(e.getMessage());
} catch (IOException e) {
}
System.err.println(e.getMessage());
}
}
}
}
}
Serializzazione
E se devo inviare oggetti?
Posso inviare tramite socket anche un oggetto
a patto che sia «serializzabili».
Serializzazione=trasformazione di un oggetto in un byte
stream
Serializable
81
Es. serializzazione
ClasseSerializzabile o = new ClasseSerializzabile ();
//Decorazione flusso uscita del socket
ObjectOutputStream objOut = new
ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
objOut.writeObject(o);
//Decorazione flusso uscita del socket:
ObjectInputStream in = new
ObjectInputStream(socket.getInputStream());
//Lettura di un oggetto dal socket:
o = (ClasseSerializzabile)objInputStream.readObject();
Architettura del server
Il server che abbiamo visto accetta una sola
connessione (da un solo client)
Un server dovrebbe essere in grado di
accettare connessioni da diversi client e di
In questo modo è possibile accettare più client
contemporaneamente
84
21
27/03/2014
Esempio: EchoServer multithread
Spostiamo la logica che gestisce la
comunicazione con il client in una nuova
classe ClientHandler che implementa
Runnable
La classe principale del server si occupa solo
di istanziare il ServerSocket, eseguire la
accept() e di creare i thread necessari per
gestire le connessioni accettate
La classe ClientHandler si occupa di gestire la
comunicazione con il client associato al
socket assegnato
85
EchoServer multi-thread (Client handler)
public class EchoServerClientHandler implements Runnable {
private Socket socket;
public EchoServerClientHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
public void run() {
try {
Scanner in = new Scanner(socket.getInputStream());
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
// leggo e scrivo nella connessione finche' non ricevo "quit"
while (true) {
String line = in.nextLine();
if (line.equals("quit")) {
break;
} else {
out.println("Received: " + line);
out.flush();
}
}
// chiudo gli stream e il socket
in.close();
out.close();
socket.close();
} catch (IOException e) {
System.err.println(e.getMessage());
}
}
86
}
EchoServer multi-thread (Server)
public class MultiEchoServer {
private int port;
public MultiEchoServer(int port) {
this.port = port;
}
public void startServer() {
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
ServerSocket serverSocket;
try {
serverSocket = new ServerSocket(port);
} catch (IOException e) {
System.err.println(e.getMessage()); // porta non disponibile
return;
}
System.out.println("Server ready");
while (true) {
try {
Socket socket = serverSocket.accept();
executor.submit(new EchoServerClientHandler(socket));
} catch(IOException e) {
break; // entrerei qui se serverSocket venisse chiuso
}
}
executor.shutdown();
}
public static void main(String[] args) {
MultiEchoServer echoServer = new MultiEchoServer(1337);
echoServer.startServer();
}
87
}
Chiusura connessioni
Per chiudere un ServerSocket o un Socket si
utilizza il metodo close()
Per ServerSocket, close() fa terminare la
accept() con IOException
Per Socket, close() fa terminare le operazioni
di lettura o scrittura del socket con eccezioni
che dipendono dal tipo di reader/writer
utilizzato
Sia ServerSocket sia Socket hanno un
metodo isClosed() che restituisce vero se il
socket è stato chiuso
88
22
27/03/2014
RMI
Remote Method Invocation
Middleware che porta i vantaggi della
programmazione orientata gli oggetti nel
contesto distribuito
Si possono essere invocati metodi su oggetti remoti,
per i quali si ha un riferimento remoto
Aspetti innovativi
passaggio dei parametri per valore (per oggetti NON
REMOTI) e indirizzo (oggetti REMOTI)
possibilità di download automatico dalla rete delle
classi necessarie per la valutazione remota
89
Architettura client-server con RMI
Caso tipico
Server crea oggetti remoti, li rende visibili e
aspetta che i client invochino metodi su di
essi
Client ottiene riferimenti a oggetti remoti e
invoca metodi su di essi
RMI fornisce il meccanismo con cui il
server e i client comunicano per
costituire l'applicazione distribuita
90
Architettura "esterna"
viene usato anche un normale server web per caricare
(dinamicamente) le classi (in bytecode), da client a
91
92
23
27/03/2014
Funzionalità di RMI (1)
Funzionalità di RMI (2)
Localizzazione di oggetti remoti
Gli oggetti remoti sono registrati presso un registro
di nomi (rmiregistry) che fornisce una "naming
facility", oppure
Le operazioni passano come parametri e/o
restituiscono riferimenti a oggetti remoti
Comunicazione con oggetti remoti
Client ottiene servizi dal server invocando metodi
di oggetti remoti con una sintassi identica a quella
per gli oggetti locali (residenti sulla stessa JVM),
Dynamic class loading
essendo possibile passare oggetti ai metodi
di oggetti remoti, oltre a trasmettere i valori
dei parametri, RMI consente di trasferire il
codice degli oggetti a run time (potrebbe
trattarsi di un nuovo sottotipo)
È un esempio di codice mobile
93
94
Definizioni
Vincoli
Oggetto remoto: oggetto i cui metodi possono essere
Le interfacce che definiscono le
funzionalità degli oggetti remoti (cioè resi
accessibili da altri oggetti non locali
tramite il sistema RMI) devono ereditare
da java.rmi.Remote
I metodi definiti in tali interfacce devono
dichiarare l'eccezione
java.rmi.RemoteException
95
risiede
Interfaccia remota: interfaccia che dichiara quali sono i
metodi che possono essere invocati da una diversa JVM
Server: insieme di uno o più oggetti remoti che,
implementando una o più interfacce remote, offrono delle
risorse (dati e/o procedure) a macchine esterne
distribuite sulla rete
Remote Method Invocation (RMI): invocazione di un
metodo presente in una interfaccia remota implementata
da un oggetto remoto (sintassi di invocazione 96
remota è
identica a quella locale)
24
27/03/2014
Registry
Architettura interna
È un programma che viene lanciato
dalla finestra dei comandi
Il client colloquia con un proxy (ossia un
«rappresentante») locale del server, detto stub
rmiregistry -JDjava.rmi.server.hostname=0.0.0.0
È un programma di rete che ascolta su
Occorre dargli comando per realizzare il
binding tra l'oggetto locale esportato
come remoto e il nome col quale ad
esso si riferiscono i client
lo stub rappresenta il server sul lato client
implementa l'interfaccia del server
è capace di fare forward di chiamate di metodi
il client ha un riferimento locale all'oggetto stub
Esiste anche un proxy del client sul lato server, detto
skeleton
è una rappresentazione del client
chiama i servizi del server
sa come fare forward dei risultati
lo skeleton ha un riferimento all'oggetto
97
98
Architettura interna
Il client colloquia con un proxy locale del server,
detto stub
lo stub rappresenta il server sul lato client
implementa l'interfaccia del server
è capace di fare forward di chiamate di metodi
il client ha un riferimento locale all'oggetto stub
Esiste anche un proxy del client sul lato server,
detto skeleton
è una rappresentazione del client
chiama i servizi del server
sa come fare forward dei risultati
lo skeleton ha un riferimento all'oggetto
99
100
25
27/03/2014
Fasi di creazione di un sistema
Creazione di interfaccia remota
import java.rmi.Remote;
import java.rmi.RemoteException;
public interface HelloServer extends Remote {
String sayHello() throws RemoteException;
}
1. Definire una INTERFACCIA remota per la
comunicazione tra client e server
2.
server
convenzione: stesso nome dell'interf. e suffisso Impl
Un'interfaccia remota
1. deve essere pubblica
2. deve estendere java.rmi.Remote
3. ogni metodo deve dichiarare java.rmi. RemoteException
4. ogni oggetto remoto passato come parametro o
valore di ritorno deve essere dichiarato di tipo interfaccia
remota
102
3. Definire client che usa un riferimento
all'interfaccia remota per accedere all'oggetto
remoto
4. Compilare ed eseguire
101
Lato server
obj
stub usando la classe
java.rmi.server.UnicastRemoteObject:
Lato server: esempio
IR.
IR stub = (IR) UnicastRemoteObject.exportObject(obj,
0);
import java.rmi.registry.Registry;
import java.rmi.registry.LocateRegistry;
import java.rmi.server.UnicastRemoteObject;
public class HelloServerImpl implements HelloServer {
public String sayHello() {
return "Hello, world!";
}
3. Registrare lo stub nel "registry"
obj potrebbe avere metodi che restituiscono riferimenti agli altri
oggetti remoti, evitando così di dover passare attraverso il registry per accedere
ad essi.
Registry registry = LocateRegistry.getRegistry();
NOME
Quando si esegue il server bisogna specificare come parametro della JVM:
-Djava.rmi.server.codebase=file:classDir/ dove classDir è la directory che contiene i file compilati (deve
essere raggiungibile sia dal client che dal registry!). In alternativa bisogna rendere i file compilati disponibili
nel classpath del client e del registry.
103
public static void main(String args[]) {
try {
HelloServerImpl helloServer = new HelloServerImpl(); HelloServer helloServerStub = (HelloServer)
UnicastRemoteObject.exportObject(helloServer, 0);
nel
// registry e lo identifica con la stringa "Hello".
Registry registry = LocateRegistry.getRegistry(); registry.rebind("Hello", helloServerStub);
System.err.println("Server ready");
} catch (Exception e) {
System.err.println("Server exception: " + e.toString());
e.printStackTrace();
}
104
26
27/03/2014
package distrib1.rmi;
evita il rischio di "bind"qualora
import java.rmi.*;
esista già un oggetto
import java.rmi.server.*;
registrato
import java.rmi.registry.*;
con lo stesso nome
import java.net.*;
public class PerfectTimeImpl extends UnicastRemoteObject
implements PerfectTime {
public long getPerfectTime() throws RemoteException {
return System.currentTimeMillis();
}
public PerfectTimeImpl() throws RemoteException {
super(); //inutile, peraltro
}
public static void main (String args[]) throws Exception {
System.setSecurityManager(new RMISecurityManager());
PerfectTime pt = new PerfectTimeImpl();
Naming.rebind ("//localhost/PerfectTimeServer", pt);
System.out.println("Ready
to do time");
stringa di registrazione:
}
106
//host:porta/OggettoRem
}
Registry
È un programma che viene lanciato dalla
finestra dei comandi
rmiregistry
È un programma di rete che ascolta su una
porta, per default "1099"
Occorre dargli comando per realizzare il
binding tra il l'oggetto locale esportato come
remoto e il nome col quale ad esso si
riferiscono i client
105
33
se registry sul server: //localhost/OggettoRem
Uso dell'oggetto remoto
Vita degli oggetti remoti
Se main() termina, l'oggetto remoto
registrato continua ad esistere finchè
rmiregistry resta running
Ecco perché è necessario fare rebind
(potrebbe esistere un oggetto con lo
stesso nome)
Si può anche fare
107
package distrib1.rmi;
import java.rmi.*;
import java.rmi.registry.*;
public class DisplayPerfectTime {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.setSecurityManager(new RMISecurityManager());
//lega oggetto locale a remoto
PerfectTime t=(PerfectTime)
Naming.lookup("//localhost/PerfectTimeServer");
for(int i=0; i<10; i++)
System.out.println("Perfect time = "+ t.getPerfectTime());
}
}
34
108
35
27
27/03/2014
Parametri
Serializzazione
Semantica dell'invocazione di un metodo
remoto m(obj)
se obj remoto, normale semantica
se no, m opera su una copia serializzata di
obj; eventuali modifiche allo stato di obj
hanno effetto solo sulla copia, non
sull'originale
in pratica il passaggio di oggetti non remoti è per
valore, mentre per gli oggetti remoti è per
riferimento
109
E` la trasformazione di un oggetto in un byte stream
E` possibile effettuarla su oggetti che implementano
Oggetti passati a, o ritornati da, un oggetto remoto devono
implementare l'interfaccia Serializable
se invece si passano riferimenti remoti, basta implementare
Remote
Stubs e skeletons effettuano automaticamente la
serializzazione e deserializzazione
si dice che fanno il "marshal" (schieramento) e "unmarshal" di
argomenti e risultati
36
110
37
Scaricamento da remoto delle
classi
Che cosa dobbiamo fare noi?
Il tool rmic (rmi compiler) crea i files
necessari per stub e skeleton
Quando si usa RMI è possibile scaricare dal
sito del server:
rmic distrib1.rmi.PerfectTime
genera due classi:
Gli stub degli oggetti remoti
Le classi corrispondenti ai parametri
PerfectTime_Stub.class
PerfectTime_Skel.class
Per esempio, il client riceve un valore di ritorno da una
chiamata remota che ha un certo tipo statico noto al
client, ed un tipo dinamico non noto
(in Java 2 solo stub)
111
38
112
39
28
27/03/2014
Scaricamento da remoto delle
classi
Security manager e file di policy
Le classi possono essere scaricate attraverso
un web server
Per indicare il web server che si utilizzerà, si
lancia il server con il seguente comando:
SecurityManager è una classe in java.lang
che offre metodi per controllare la possibilità
di accesso a varie risorse (file, socket,...)
RMI usa un security manager per controllare i
permessi di uso dei socket da parte di
java -Djava.rmi.server.codebase=
"http://brahms:8000/" PerfectTimeImpl
Perchè client e server possano istanziare
correttamente le classi scaricate, è necessario
configurare il security manager
Un utente può definire le politiche di sicurezza
editando un file di policy
Questo impedisce alle classi scaricate di eseguire
azioni non legali
113
40
Un esempio di file di policy
114
41
Come "far partire" il tutto?
grant {
Far partire il registry
Se necessario, far partire il web server
Far partire il server indicando il file di
policy da usare. Per esempio:
}
java Djava.security.policy=./distrib1/rmi/permit
distrib1.rmi.PerfectTimeImpl
Far partire il/i client indicando il file di
policy da usare
115
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