Plátno. GUI s plátnem Struktura aplikace Struktura simulátoru Struktura grafického rozhraní Praktické ukázky

Část 1 – Příklad – GUI aplikace Simulátor/Plátno

Část 2 – Spuštění externího programu v Javě

Vícevláknové aplikace – modely a příklady Jan Faigl

GUI s plátnem Struktura aplikace Struktura simulátoru Struktura grafického rozhraní Praktické ukázky

Katedra počítačů Fakulta elektrotechnická České vysoké učení technické v Praze

Spuštění jiného programu z procesu

Přednáška 6 A0B36PR2 – Programování 2

Jan Faigl, 2016

A0B36PR2 – Přednáška 6: Vícevláknové aplikace – příklady

1 / 79

Jan Faigl, 2016


2 / 79

Jan Faigl, 2016


3 / 79

GUI s plátnem

Část 3 – Sokety v Javě

Část 4 – Modely vícevláknových aplikací

Základní informace Stručný úvod do síťování

Část I

Síťová API Soket Třídy UDP a TCP soketů Ošetření výjimečných stavů

Modely více-vláknových aplikací

Část 1 – Příklad – GUI aplikace Simulator/Plátno

Prostředky ladění

Příklad - Klient / Server Popis činnosti Komunikační protokol Implementace

Jan Faigl, 2016


4 / 79

Jan Faigl, 2016


5 / 79

Jan Faigl, 2016


GUI s plátnem

GUI s plátnem

GUI s plátnem

Zadání

Základní struktura aplikace

Simulator – World – SimObject

Pro jednoduchost identické jako rozměry okna/plátna

Iterable

SimObject – jednotné rozhraní simulačního objektu

Simulace běží v samostatném vlákně s periodou PERIOD Simulace probíhá v diskrétních časových okamžicích voláním metody doStep simulačních objektů Má metodu pro zastavení vlákna shutdown

Vizualizaci herního světa se pokusíme oddělit od vlastního simulátoru

Aktuální pozice objektu – public Coords getPosition(); Provedení jednoho simulačního kroku – objekt má definované chování public void doStep();

Grafické rozhraní a vizualizace – obsahuje

Každému objektu simulátoru přiřadíme grafický tvar, který se bude umět zobrazit na plátno

Simulace probíhá ve smyčce:

Základní kontrolní tlačítka pro ovládání simulace (start/stop) Plátno pro vykreslení dílčích objektů Standardní vykreslovací Swing vlákno Samostatné vlákno pro překreslování stavu simulátoru

Simulátor chceme ovládat tlačítky „Start/Stop” Svět simulátoru vizualizujeme na plátně

while(!quit) { for(SimObject obj : objects) { obj.doStep(); } Thread.sleep(PERIOD); }

SwingWorker s přeposíláním zpráv hlavnímu Swing vláknu

Vizualizace plátna bude probíhat „nezávisle” na běhu simulátoru

Grafickou reprezentaci vykreslovaných objektů

Interaktivní hra vs Simulace


World – definuje rozměry světa

V zásadě se chová jako kolekce simulačních objektů

Ve světě mohou být různé objekty, které se mohou nezávisle pohybovat Simulátor je „nezávislý” na vizualizaci Simulátor běží v diskrétních krocích

Jan Faigl, 2016

Simulator – kolekce simulačních objektů

Simulátor – obsahuje svět a objekty

Naším cílem je vytvořit simulátor „herního” světa

Vlastní vykreslení grafickými primitivy.

8 / 79

Jan Faigl, 2016

6 / 79


9 / 79

Jan Faigl, 2016


10 / 79

GUI s plátnem

GUI s plátnem

GUI s plátnem

Struktura grafického rozhraní

Struktura plátna MyCanvas a vizualizace

Příklad definice tvaru – ShapeMonster, ShapeNPC

MyCanvas – reprezentuje kolekci vykreslitelných objektů – instance Drawable Každý objekt se umí vykreslit do grafického kontextu

Hlavní okno aplikace obsahuje kontrolní tlačítka Tlačítko start spouští simulaci Tlačítko stop zastavuje běžící simulaci

public void redraw() { Graphics2D gd = getGraphics(); for (Drawable obj : objects) { obj.draw(gd); } }

Vizualizace simulace probíhá ve vlastním plátně MyCanvas Simulační objekty mají svůj grafický tvar Shape Překreslení plátna probíhá periodicky

SwingWorker()

while(sim.isRunning()) { if (sim.isChanged()) { MyCanvas canvas = getSimCanvas(); canvas.redraw(); Thread.sleep(CANVAS_REFRESH_PERIOD); } } A0B36PR2 – Přednáška 6: Vícevláknové aplikace – příklady

public class ShapeMonster extends Shape { public ShapeMonster(SimObject object) { super(object); } @Override public void draw(Graphics2D g2d) { Coords pt = object.getPosition(); g2d.setColor(Color.RED); g2d.fillOval(pt.getX(), pt.getY(), 15, 15); } }

ShapeNPC public class ShapeNPC extends Shape { public ShapeNPC(SimObject object) { super(object); } @Override public void draw(Graphics2D g2d) { Coords pt = object.getPosition(); g2d.setColor(Color.GREEN); g2d.fillRect(pt.getX(), pt.getY(), 15, 15); } }

Vlastní tvar objektu je definován ve třídě Shape

Základní koncept překreslení – neodpovídá kódu Jan Faigl, 2016

ShapeMonster

11 / 79

abstract public class Shape implements Drawable { protected SimObject object; public Shape(SimObject object) { this.object = object; } Jan Faigl, 2016 } A0B36PR2 – Přednáška 6: Vícevláknové aplikace – příklady

12 / 79

Jan Faigl, 2016


GUI s plátnem

GUI s plátnem

GUI s plátnem

Vytvoření simulačních objektů a jejich tvarů

Příklad – CanvasDemo

Simulace vs grafická hra V simulaci se zpravidla snažíme důsledně oddělit simulované objekty od vizualizace

private Simulator sim; private MyCanvas canvas; public SimulatorGUI(Simulator sim, MyCanvas canvas) { this.sim = sim; this.canvas = canvas; createObjects(); }

Překreslování prostřednictvím SwingWorker vs přímé překreslování ve vlastním vlákně

public void createObjects() { World world = sim.getWorld();

Časování a zajištění periody

1. Na úrovni simulačních objektů a jejich vizuální reprezentace 2. Na úrovni simulačního času a rychlosti překreslování

Přesnost simulace má přednost před rychlou a včasnou vizualizací (v reálném čase)

Hry jsou zpravidla silně svázány s grafickou vizualizací

DoubleBuffer – přepínání vykresleného obrazu

Krok herního světa zpravidla znamená překreslení Kreslící vlákno tak udává také simulační krok Klíčovým aspektem je zachování plynulosti vizualizace a interakce

Plynulé překreslování bez pohybu myši Toolkit.getDefaultToolkit().sync();

SimObject monster = new SimObjectMonster(world, 1, 1); sim.addObject(monster); canvas.addObject(new ShapeMonster(monster));

}

13 / 79

V případě pomalejšího překreslování je rychlost herního světa adekvátně zpomalena.

lec06/CanvasDemo

SimObject npc = new SimObjectNPC(world, 400, 200); sim.addObject(npc); canvas.addObject(new ShapeNPC(npc));

Interaktivní hry zpravidla využívají individuálního kreslení objektů do plátna (případně 3D kontextu) Používají vlastní sadu komponent (widgets), zpravidla vizuálně efektní, princip je však stejný jako například ve Swing. Chceme-li maximalizovat využití zdrojů a zajistit vysokou interaktivitu zpravidla musíme mít plně pod kontrolou běh aplikace.

Jan Faigl, 2016


14 / 79


Jan Faigl, 2016


15 / 79


Jan Faigl, 2016 Základní informace

A0B36PR2 – Přednáška 6: Vícevláknové aplikace – příklady Síťová API

16 / 79

Příklad - Klient / Server

Příklad - spuštění jiného programu z procesu Příklad - spuštění programu tdijkstra z Javy 1 2

Část II

3 4 5 6

Část 2 – Spuštění externího programu v Javě

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

private boolean callDijkstra() { boolean ret = false; try { String cmd = "./tdijkstra -h -n " + size + " -s " + seed; Process child = Runtime.getRuntime().exec(cmd); child.waitFor(); if (child.exitValue() == 0) { BufferedReader out = new BufferedReader(new InputStreamReader(child.getInputStream())); hash = Integer.parseInt(out.readLine()); ret = true; } else { System.out.println("Error in dijsktra"); } } catch (Exception e) { System.out.println("Error: Exception : " + e.getMessage()); } return ret; }

Část III Část 3 – Sokety v Javě

Co se stane při nedostatečné vyrovnávací paměti pro stdout. lec06/ExecuteProcess Jan Faigl, 2016


17 / 79

Jan Faigl, 2016


19 / 79

Jan Faigl, 2016


20 / 79

Základní informace

Síťová API


Co je síťování?


Síťová API


Zdroje


Síťová API


Komunikace Jiří Peterka, http://www.earchiv.cz/i_prednasky.php3 RFC - Request for Comments, série poznámek o Internetu.

Komunikace slouží k přenosu informace.

Martin Majer, http://www.root.cz/clanky/sitovani-v-jave-uvod/

Mechanismus výměny zpráv musí mít definovaná pravidla. Typicky lze definovat:

Přenos informace se děje výměnou zpráv.

zahájení komunikace, předání zprávy, reakce na zprávu, ukončení komunikace.

W. Richard Stevens, UNIX Network Programming. Prentice Hall. W. Richard Stevens and Stephen A. Rago, Advanced Programming in the UNIX Environment. Addison Wesley. Jan Faigl, 2016



Síťová API

22 / 79


Protokol

Jan Faigl, 2016



Síťová API

23 / 79


Přenos bitů/bytů

Jan Faigl, 2016



Síťová API

24 / 79


Zapouzdřování datových jednotek

Z uživatelského hlediska jde o přenos obsahu sdělení. aplikační vrstva

print("Hallo");

Způsob komunikace definuje komunikační protokol. Protokol definuje:

aplikační zpráva

Hallo!

transportní vrstva

formát zpráv, pořadí výměny zpráv, syntaxi zpráv, sémantiku zpráv, chování při přijmu a vyslání zprávy.

síťová vrstva linková vrstva

segment

hlavička

hlavička

datová oblast datagramu

segment

datagram

datová oblast rámce

Přenos však vyžaduje další informace související s přenosovou cestou. „Výsledná velikost přenášených dat je vyšší.” Příklad telnet připojení k webovému serveru. Jan Faigl, 2016



Síťová API

25 / 79


Modely komunikace



Síťová API

26 / 79


Způsoby komunikace

Server - reprezentuje služby.

klient/server - klient žádá o službu server. Webový server, poštovní server, Instant Messaging (IM), vzdálená sezení. peer-to-peer (P2P) - každý účastník vystupuje jako klient i jako server. Služby sdílení souborů, bittorrent, . . ..


28 / 79

Síťová API

proudový přenos, blokový přenos.

2. Vlastní výměna sdělení.

Podle kvality přenosu a garance kvality přenosu: spolehlivý,

s garantovanou kvalitou,

nespolehlivý,

bez řízení kvality.

Jan Faigl, 2016

27 / 79


1. Obě strany nejdříve navazují spojení.

Podle způsobu přenosu data:

Modely komunikace jsou:



Spojovaná komunikace (Connection oriented). Skládá se ze tří kroků:

spojovaná komunikace, nespojovaná komunikace.

Klient - reprezentuje poptávku po službě.

Jan Faigl, 2016

Spojovaná komunikace

Kritéria dělení komunikace. Podle způsobu navazování spojení:

Typická síťová aplikace se skládá ze dvou částí:

Jan Faigl, 2016

Jan Faigl, 2016


Obě strany potvrdí zájem o komunikaci případně upřesní parametry vzájemné komunikace.

3. Ukončení spojení.

29 / 79

Jan Faigl, 2016


30 / 79


Síťová API


Vlastnosti spojované komunikace


Síťová API


Nespojovaná komunikace

Nedochází k ověřování existence druhé strany.

Přechody mezi stavy musí být koordinované.

„Obě strany musí být v kompatibilním stavu, aby se domluvily.”

Musí být ošetřovány nestandardní situace. Například rozpad spojení.

Komunikace probíhá zasíláním samostatných zpráv (datagramů). Adresování zprávy

Přijímací strana obdrží zprávy ve stejném pořadí v jakém je poslala vysílací strana.



Síťová API

31 / 79


Komunikace je bezstavová. Zprávy jsou přenášeny v samostatném bloku dat (datagramu), které jsou samostatně přenášeny.

Soket - aplikace a OS

operační systém

Jan Faigl, 2016

proces

proces

soket

soket

transportní vrstva

32 / 79


Síťová API

Soket je softwarová komponenta.

Soket API konvertuje obecnou aplikační vrstvu na specifický protokol transportní vrstvy. Soket API definuje operace nad soketem (primitiva). Soket reprezentuje koncový bod komunikace.

Jan Faigl, 2016

connect(InetAddress address, int port) bind(SocketAddress addr) disconnect() close() receive(DatagramPacket p) send(DatagramPacket p) Cílová adresa je součástí datagramu.

String host, int port, java.net.InetAddress. java.net.SocketAddress.

35 / 79

Jan Faigl, 2016



Síťová API

36 / 79


Ošetření výjimečných stavů

Server soket primitiva

Jan Faigl, 2016

klient

37 / 79


server kolik je hodin

ConnectException

connect(SocketAddress endpoint) connect(SocketAddress endpoint, int timeout) bind(SocketAddress bindpoint) Jaké rozhraní a jaký port chceme použít pro spojení ( null). close() Zápis a čtení je realizováno proudy.

Síťová API

Časový server

BindException

Soket (klientský) primitiva



Aplikace Klient / Server

Mechanismem výjimek java.net.SocketException, resp. java.io.IOException.

bind(SocketAddress endpoint) Socket accept() close()

34 / 79


Primitiva

Adresa


Síťová API

DatagramPacket(byte[] buf, int length) DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port) byte[] getData()

http://docs.oracle.com/javase/tutorial/networking/sockets/index.html

transportní vrstva



Datová jednotka java.net.DatagramPacket.

java.net.ServerSocket java.net.Socket

NoRouteToHostException ProtocolException SocketException SocketTimeoutException 4. 12. 11:00:34 2008

UnknownHostException

OutputStream getOutputStream() InputStream getInputStream()


1981 BSD4.1 Unix.

UDP soket

Lesson: All About Sockets

TCP soket

Jan Faigl, 2016

Síťová API

UDP soket java.net.DatagramSocket TCP sokety:





Sokety v Javě

Síťové rozhraní patří mezi sdílené prostředky, proto přístup k němu řídí OS. uživatelský proces

Jan Faigl, 2016

Soket je objekt, který propojuje aplikaci s nějakým „síťovým” protokolem.

Není omezen pouze na TCP/IP.

Není zaručené pořadí zpráv.

Jan Faigl, 2016


Soket je obecný objekt komunikace mezi dvěma procesy.

Není nutné komunikaci ukončovat. Vlastnosti:

Při přenosu zpráv je zachováno pořadí vysílaných zpráv.

Síťová API

Soket

Komunikující strany nenavazují spojení. Součástí komunikace je přechod stavů účastníků.


38 / 79

Jan Faigl, 2016


39 / 79

Jan Faigl, 2016


41 / 79


Síťová API


Popis činnosti


Síťová API


Definice protokolu


Síťová API


Definice protokolu - příkazy Příkaz se skládá ze jména příkazu a znaku konce řádky ’\n’.

1. Po navázání spojení server posílá výzvu ’Username:’.

Jednoduchý telnet server s dvěma příkazy.

Server odpovídá textovou zprávou závislou na příkazu, ukončenou ’\n’. Příkazy:

2. Klient odpovídá posláním uživatelského jména zakončeného znakem ’\n’.

time pošle aktuální čas serveru. bye ukončení sezení.

Textově orientované spojení.

3. Server posílá výzvu ’Password:’.

Po navázání spojení (TCP) musí klient poslat uživatelské jméno a heslo.

5. Server odpovídá zprávou ’Welcome\n’.

Žádost o zaslání aktuálního času. 1. Klient: ’time\n’. 2. Server: posílá aktuální čas ve formátu ’time is: dow mon dd hh:mm:ss zzz yyyy\’.

4. Klient odpovídá posláním hesla zakončeného znakem ’\n’.

Ukončení spojení.

6. Klient může posílat serveru příkazy v libovolném pořadí.

Jan Faigl, 2016



Síťová API

42 / 79


Implementace


Implementaci rozdělíme na třídy: ParseMessage - realizuje čtení a zápis textové zprávy z/do proudu.

2 3 4 5

Obsah textové zprávy může začínat a nebo končit zadanou sekvencí znaků.

6 7

Server - otevírá serverový soket na zadaném portu, po přijetí klienta vytváří ovladač klientského spojení.

8 9 10

ClienHandler - realizuje obsluhu klientského spojení v samostatném vlákně.

11

Client - testovací klient, který se přípojí k serveru na zadné adrese a portu.

14

Klient pošle uživatelské jméno, heslo a žádost o aktuální čas, který vypíše na obrazovku (pouze časový údaj) a skončí. Vše proběhne bez interakce uživatele.

12 13 15 16 17 18 19 20 21



45 / 79


ClientHandler 2/3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

43 / 79



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

public void run() { String cID = "client["+id+"] "; try { log(cID + "Accepted"); write("Login:"); log(cID + "Username:" + read("", "\n")); write("Password:"); log(cID + "Password:" + read("", "\n")); write("Welcome\n");

13 14 15 16 17 18 19 20 21


48 / 79



1 2 3 4 5 6 7


44 / 79


class ClientHandler extends ParseMessage implements Runnable { static final int UNKNOWN = -1; static final int TIME = 0; static final int BYE = 1; static final int NUMBER = 2; static final String[] STRCMD = {"time", "bye"}; static int parseCmd(String str) { int ret = UNKNOWN; for (int i = 0; i < NUMBER; i++) { if (str.compareTo(STRCMD[i]) == 0) { ret = i; break; } } return ret; }

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Socket sock; //klientský soket int id; //číslo klientu

19 20

46 / 79




47 / 79


Server

... //run pokračování boolean quit = false; while (!quit) { switch(parseCmd(read("", "\n"))) { case TIME: write("time is:"+ new Date().toString() + "\n"); break; case BYE: log(cID + "Client sends bye"); quit = true; break; default: log(cID + "Unknown message, disconnect"); quit = true; break; } } sock.shutdownOutput(); sock.close(); } catch (Exception e) { log(cID + "Exception:" + e.getMessage()); e.printStackTrace(); } } }

Jan Faigl, 2016

Jan Faigl, 2016

ClientHandler 1/3

class ParseMessage { void write(String msg) throws IOException { out.write(msg.getBytes()); } String read(String startStr, String endStr) throws IOException { byte[] start = startStr.getBytes(); byte[] end = endStr.getBytes(); int sI = 0; int eI = 0; byte r;int count = 0; while((sI < start.length) && ((r = (byte)in.read()) != -1)) { sI = (r == start[sI]) ? sI+1 : 0; } while ((eI < end.length) && (count < BUFFSIZE) && ((r = (byte)in.read()) != -1)) { buffer[count++] = r; eI = (r == end[eI]) ? eI+1 : 0; } return new String(buffer, 0, count > end.length ? count-end.length : 0); } }

ClientHandler 3/3

ClientHandler(Socket iSocket, int iID) throws IOException { sock = iSocket; id = iID; out = sock.getOutputStream(); in = sock.getInputStream(); } public void start() { new Thread(this).start(); } void log(String str) {System.out.println(str)};

Jan Faigl, 2016

Síťová API

ParseMessage 1

Jan Faigl, 2016


1. Klient: ’bye\n’. 2. Server: posílá konec proudu a zavírá soket.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

public class Server { public Server(int port) throws IOException { int i = 0; ServerSocket servsock = new ServerSocket(port); while (true) { try { new ClientHandler(servsock.accept(), i++); } catch (IOException e) { System.out.println("IO error in new client"); } } } // Server()

13 14 15 16 17 18 19 20 21

49 / 79

}

public static void main(String[] args) { try { new Server(args.length > 0 ? Integer.parseInt(args[0]) : 9000); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }

Jan Faigl, 2016


50 / 79


Síťová API


Client 1/2


2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15


Client 2/2 1

1

Síťová API

2

public class Client extends ParseMessage { Socket sock; public static void main(String[] args) { Client c = new Client( args.length > 0 ? args[0] : "localhost", args.length > 1 ? Integer.parseInt(args[1]) : 9000 ); }

3 4 5 6 7 8 9

Client(String host, int port) { try { sock = new Socket(); sock.connect(new InetSocketAddress(host, port)); out = sock.getOutputStream(); in = sock.getInputStream();

10 11 12 13 14 15 16 17

}}


Síťová API

Ukázka činnosti

Příklad – Telnet

//Client konstruktor pokračování write("user\n"); read("", "Password:"); System.out.println("Password prompt readed"); write("heslo\n"); read("", "Welcome\n"); write("time\n"); out.flush(); System.out.println("Time on server is " + read("time is:", "\n")); write("bye\n"); sock.shutdownOutput(); sock.close(); System.out.println("Communication END"); } catch (Exception e) { System.out.println("Exception:" + e.getMessage()); }

Příklad – Server

oredre$ java Telnet Login:telnet Password:tel Welcome time time is:Tue Nov 28 09:56:49 CET 2006 time time is:Tue Nov 28 09:56:50 CET 2006 bye

1 2 3 4 5 6 7 8 9


1 2 3 4 5 6 7 8 9

oredre$ java Server client[0] Accepted client[0] Username:telnet client[1] Accepted client[1] Username:user client[1] Password:heslo client[1] Client sends bye client[0] Password:tel client[0] Client sends bye

Příklad – Klient 1 2 3 4

oredre$ java Client Password prompt readed Time on server is Tue Nov 28 09:56:40 CET 2006 Communication END lec06/socket Demonstrační příklad se zdrojovými soubry z roku 2006, kterému odpovídá kódovací styl

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

51 / 79


Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

52 / 79


Kdy použít vlákna?

Je složena z nezávislých úloh.

Část 4 – Modely vícevláknových aplikací

Obsahuje úlohy s nižší nebo vyšší prioritou než zbytek aplikace.


54 / 79


Modely vícevláknových aplikací

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

56 / 79


Boss/Worker model

Vstup

1. příchod požadavku, 2. vytvoření vlákna pro řešení příslušného úkolu, 3. návrat na čekání požadavku.

Zdroj

Boss

úloha

Výstup řešení úkolu je řízen:

Předpokládá dlouhý vstupních proud dat.

úloha

Jan Faigl, 2016


58 / 79

Jan Faigl, 2016

57 / 79


Hlavní vlákno je zodpovědné za vyřizování požadavků. Pracuje v cyklu:

úloha

Pipeline - zpracování dat sekvencí operací.


Modely aplikací

Zdroje

Workers

Modely řeší způsob vytváření a rozdělování práce mezi vlákny. Peer - vlákna běží paralelně bez specifického vedoucího.

Jan Faigl, 2016

Boss/Worker rozdělení činnosti

Program

Boss/Worker - hlavní vlákno řídí rozdělení úlohy jiným vláknům.

Servery - obsluhují více klientů najednou. Obsluha typicky znamená přístup k několika sdíleným zdrojům a hodně vstupně výstupních operací (I/O).

Aplikace reálného času - lze využít specifických rozvrhovačů. Vícevláknová aplikace je výkonnější než složité asynchronní programování, neboť vlákno čeká na příslušnou událost namísto explicitního přerušování vykonávání kódu a přepínání kontextu.

Musí reagovat na asynchronní události.

Modely aplikací

53 / 79


Výpočetní aplikace - na víceprocesorovém systému lze výpočet urychlit rozdělením úlohy na více procesorů.

Může být blokována po dlouho dobu. Obsahuje výpočetně náročnou část.

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

Typické aplikace

Vlákna je výhodné použít, pokud aplikace splňuje některé následující kritérium:

Část IV

Jan Faigl, 2016

Příslušným vláknem řešícím úkol. Hlavním vláknem, předání využívá synchronizační mechanismy.

Zdroj


59 / 79

Jan Faigl, 2016


60 / 79

Modely aplikací


Boss/Worker příklad

Modely aplikací


Thread Pool

Modely aplikací


Thread Pool - vlastnosti

Příklad Boss/Worker model 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

//Boss main() { while(1) { switch(getRequest()) { case taskX : create_thread(taskX); case taskY : create_thread(taskY); . . } } }

1 2 3

4 5 6 7 8

9 10

Hlavní vlákno vytváří vlákna dynamicky podle příchozích požadavků.

//Worker taskX() { řešení úlohy, synchronizace v případě sdílených zdrojů; done; }

Režii vytváření lze snížit, vytvořením vláken dopředu (Thread Pool).

Počet vytvořených vláken.

Vytvořená vlákna čekají na přiřazení úkolu.

Maximální počet požadavků ve frontě požadavků. Definice chování v případě plné fronty požadavků a žádného volného vlákna.

Thread pool

Workers

taskY() { řešení úlohy, synchronizace v případě sdílených zdrojů; done; }

Například blokování příchozích požadavků.

fronta požadavků

C style

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

61 / 79


Peer model

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

62 / 79


Peer model - vlastnosti

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

63 / 79


Peer model - příklad Příklad Peer model

Program

Zdroje

//Boss main() { create_thread(task1); create_thread(task2); . . start all threads; wait for all threads; }

1 2

Workers

3

Neobsahuje hlavní vlákno. První vlákno po vytvoření ostatních vláken:

úloha

Vstup

Zdroj

4 5 6 7 8

se stává jedním z ostatních vláken (rovnocenným), pozastavuje svou činnost do doby než ostatní vlákna končí.

úloha

9

Každé vlákno je zodpovědné za svůj vstup a výstup.

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10

Zdroj

úloha

11 12

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

64 / 79


Zpracování proudu dat - Pipeline

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

65 / 79


Pipeline

Jan Faigl, 2016

část 1

66 / 79


Příklad Pipeline model část 2

část 3

1

výstup

2 3 4 5 6

Sekvence operací (částí zpracování), každá vstupní jednotka musí projít všemi částmi zpracování.

7 8 9 10

V každé části jsou v daném čase, zpracovávány různé jednotky vstupu (nezávislost jednotek). Zdroj

11

Zdroj

12 13 14

Zdroj


Pipeline model - příklad

Dlouhý vstupní proud dat.

Zdroj

task2() { čekáná na spuštení; řešení úlohy, synchronizace v případě sdílených zdrojů; done; }

Modely aplikací

Program vstup

//Worker task1() { čekáná na spuštení; řešení úlohy, synchronizace v případě sdílených zdrojů; done; }

Zdroj

main() { create_thread(stage1); create_thread(stage2); . . wait for all pipeline; } stage1() { while(input) { get next program input; process input; pass result to next stage; } }

Zdroj

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

stage2() { while(input) { get next input thread; process input; pass result to stage; } } stageN() { while(input) { get next input thread; process input; pass result to } }

from next

from output; C style

Jan Faigl, 2016


67 / 79

Jan Faigl, 2016


68 / 79

Jan Faigl, 2016


69 / 79

Modely aplikací


Producent a konzument

Modely aplikací


Vícevláknové aplikace a ladění

Při paralelním běhu programu mohou být funkce volány vícenásobně. Funkce jsou : reentrantní - V jediném okamžiku může být stejná funkce vykonávána současně

Producent - vlákno, které předává data jinému vláknu. Konzument - vlákno, které přijímá data od jiného vlákna. Přístup do vyrovnávací pamětí musí být synchronizovaný (exkluzivní přístup). producent


Funkce a paralelismus

Předávání dat mezi vlákny je realizováno vyrovnávací pamětí bufferem.

vyrovnávací paměť

Modely aplikací

Např. vnořená obsluha přerušení

thread-safe - Funkci je možné současně volat z více vláken Dosažení těchto vlastností: Reentrantní funkce nezapisují do statických dat, nepracují s globálními daty.

konzument

Hlavní problémy vícevláknových aplikací souvisí se synchronizací: Uváznutí – deadlock. Souběh (race conditions) - přístup více vláken ke sdíleným proměnným a alespoň jedno vlákno nevyužívá synchronizačních mechanismů. Vlákno čte hodnotu zatímco jiné vlákno zapisuje. Zápis a čtení nejsou atomické a data mohou být neplatná.

Thread-safe funkce využívají synchronizačních primitiv při přístupu ke globálním datům.

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

70 / 79



Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

72 / 79


Podpora ladění

Vlákna jsou asynchronní.

Výpis stavu synchronizačních primitiv.

Nespoléhat na to, že na jednoprocesorovém systému je vykonávání kódu synchronní.

Přístup k proměnným vláken.

Toho lze dosáhnou kázní a obezřetným přístupem ke sdíleným proměnným. Nicméně je vhodné využívat ladící prostředí s minimální množinou vlastností.

Při psaní vícevláknové aplikace předpokládejte, že vlákno může být kdykoliv přerušeno nebo spuštěno.

Pozastavení běhu konkrétního vlákna. Záznam průběhu běhu celého programu (kompletní obsah paměti a vstupů/výstup) a procházení záznamu

Části kódu, u kterých je nutné zajistit pořadí vykonávání jednotlivými vlákny vyžadují synchronizaci.

Nikdy nespoléhejte na to, že vlákno po vytvoření počká, může být spuštěno velmi brzy.

Logování: Problém uváznutí souvisí s pořadím událostí, logováním přístupu k zámkům lze odhalit případné špatné pořadí synchronizačních operací.

Jan Faigl, 2016


Modely aplikací

74 / 79


Jan Faigl, 2016

73 / 79


Problémy souběhu jsou typicky způsobeny nedostatkem synchronizace.

Výpis běžících vláken.

nepotřebovat ladit.


Modely aplikací

Poznámky - „problémy souběhu”

Debugger: Nejlepším prostředkem ladění vícevláknových aplikací je

Jan Faigl, 2016


Pokud nespecifikujete pořadí vykonávání vláken, žádné takové neexistuje. „ Vlákna běží v tom nejhorším možném pořadí. Bill Gallmeister” 75 / 79

Diskutovaná témata

Jan Faigl, 2016


76 / 79


Poznámky - „problém uváznutí”


Problémy uváznutí souvisí s mechanismy synchronizace. Uváznutí (deadlock) se na rozdíl o souběhu mnohem lépe ladí. Častým problém je tzv. mutex deadlock způsobený pořadím získávání mutexů (zámku/monitorů).

Modely vícevláknových aplikací Paralelní programování a ladění

Shrnutí přednášky

Mutex deadlock nemůže nastat, pokud má každé vlákno uzamčený pouze jeden mutex (chce uzamknout).

Problém uváznutí a problém souběhu

Spuštění externího program v rámci Java programu Sokety v Javě Příklady vícevláknových aplikací

Není dobré volat funkce s uzamčeným mutexem, obzvláště zamykáli volaná funkce jiný mutex.

GUI plátno – simulátor a kreslení do canvasu

Je dobré zamykat mutex na co možná nejkratší dobu. V Javě odpovídá zámek krické sekci monitoru synchronized(mtx){}

Příště: Test - 7.4.2016!

http://www.javaworld.com/article/2076774/java-concurrency/ programming-java-threads-in-the-real-world--part-1.html

Jan Faigl, 2016


77 / 79

Jan Faigl, 2016


78 / 79

Jan Faigl, 2016


79 / 79

Plátno. GUI s plátnem Struktura aplikace Struktura simulátoru Struktura grafického rozhraní Praktické ukázky

Recommend Documents