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Präsentation: Christoph PlatenVertieferseminar 07.11.02 Vertieferseminar Geoinformation WS 02/03 Parallele Programmierung von Signalverarbeitung in Java.

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1 Präsentation: Christoph PlatenVertieferseminar Vertieferseminar Geoinformation WS 02/03 Parallele Programmierung von Signalverarbeitung in Java

2 Signalverarbeitung Christoph Platen Vortragsgliederung 1.Motivation 2.Prozesskonzepte 3.Zustandsübergänge von Threads 4.verwendete Methoden 5.Programmierung von Threads 6.Race Condition 7.Monitorkonzept

3 Signalverarbeitung Christoph Platen Motivation GPS-Empfänger Kompass Pointman Tastatur PC NebenprogrammNebenprogramm HauptprogrammHauptprogramm Die in einzelnen Nebenprogrammen aufbereiteten Daten werden durch ein Hauptprogramm verarbeitet Projektsituation im Sommersemester 03 :

4 Signalverarbeitung Christoph Platen Motivation Signalübertragung vom GPS-Empfänger zum PC nur dann, wenn Daten vorliegen alle anderen Anwendungen sollen parallel ablaufen ( Download, Tastatur, Drucker etc. ) keine Wartezeiten,bis ein Programm komplett ausgeführt ist Ziel: Ablauf verschiedener Prozesse soll quasi parallel sein

5 Signalverarbeitung Christoph Platen Prozesskonzepte aus Kostengründen hat jeder Rechner nur einen Prozessor bis in die 60er Jahre wurden Batch-Betriebssysteme verwendet dies bedeutet das der Programmablauf sequentiell war ein Programm konnte den Prozessor besitzen, Programme mussten nacheinander ausgeführt werden Programm AProgramm BProgramm CProzessor Sequentieller Programmablauf in einem Batch-Betriebssystem

6 Signalverarbeitung Christoph Platen Prozesskonzepte Konzept eines Betriebssystem-Prozesses brachte Idee hervor ein Programm unterbrechbar zu machen (d.h. dem Programm das Betriebsmittel (Prozessor) zu entziehen)Betriebsmittel Prozessor wird an andere Prozesse abgegeben; findet der Wechsel schnell genug statt,so merkt Beobachter den stetigen Prozesswechsel nicht Prozesse laufen quasi parallel ab CBACBACBAProzessor Time-Sharing-Betriebssystem: Prozess bekommt vom Scheduler eine bestimmte Zeitscheibe zugeordnetScheduler

7 Signalverarbeitung Christoph Platen Prozesskonzepte ein klassischer Betriebssystem-Prozess stellt eine Einheit für das Memory Management und das Scheduling dar es wird Platz im Arbeitsspeicher zugeordnet und Rechenzeit durch den Scheduler gewährt da der Kontextwechsel eines Betriebssystem- Prozesses mit der Verwaltung des Arbeitsspeichers gekoppelt ist spricht man von einem schwergewichtigem Prozess

8 Signalverarbeitung Christoph Platen Prozesskonzepte Moderne Betriebssysteme bedienen sich sogenannter ThreadsThreads Threads sind nur eine Einheit für das Scheduling innerhalb eines Betriebssystem-Prozesses können mehrere Threads gleichzeitig ablaufen da ein Thread nicht mit der Verwaltung des Arbeitsspeichers gekoppelt ist spricht man von einem leichtgewichtigen Prozess

9 Signalverarbeitung Christoph Platen Prozesskonzepte Betriebssystem Prozess 1 Betriebssystem Prozess 2 Thread 1 Thread 2 Thread 3 Betriebssystem Prozess 3 Schaubild Threads und Prozesse

10 Signalverarbeitung Christoph Platen Zustandsübergänge von Threads Threads können ähnlich wie Betriebssystem- Prozesse verschiedene Zustände haben Zustandsübergänge können erfolgen als Konsequenz von Methodenaufrufen oder durch Aktionen des Betriebssystems (virtuelle Maschine) (virtuelle Maschine) Zustand eines Prozesses hängt davon ab,welche Betriebsmittel er gerade besitzt

11 Signalverarbeitung Christoph Platen Zustandsübergänge von Threads als Folge von Methodenaufrufen und der virtuellen Maschine I/O Zugriff I/O beendet Scheduler weist Prozessor zu Prozessor wird entzogen new ready-to-run blocked runningdead sleep() join() yield() start() Join() beendet Sleep() beendet run() wird beendet

12 Signalverarbeitung Christoph Platen Zustände New und Ready-To-Run New Thread wird durch den new-Operator generiert er befindet sich in seinem Anfangszustand er ist noch nicht ablauffähig Datenfelder und Methoden können angesprochen werden Ready-To-Run Thread hat alle Betriebs- mittel um zu laufen,bis auf den Prozessor

13 Signalverarbeitung Christoph Platen Zustände Blocked und Running ein laufender Thread macht eine I/O Operation und verliert den Prozessor Methodenaufrufe wie sleep() oder join() versetzen Thread in diesen Zustand BlockedRunning Thread bekommt vom Scheduler den Prozessor zugeteilt

14 Signalverarbeitung Christoph Platen Methode start() und yield() start() überführt einen Thread vom Zustand new in den Zustand ready-to-run wurde Thread bereits gestartet,so wird eine Fehlermeldung ausge- geben yield() bricht die Verarbeitung des gerade laufenden Threads ab überführt diesen wieder in den Zustand ready-to-run

15 Signalverarbeitung Christoph Platen Methode sleep() und join() join() ein Thread kann diese Methode eines andere Threads aufrufen aufrufender Thread wird in den Zustand blocked versetzt, bis der Thread, dessen join() Methode aufgerufen worden ist, beendet ist gezieltes Warten auf einen Thread möglich sleep() versetzt den gerade laufenden Thread für msec bzw. nsec in den Zustand blocked Schrittauflösung von 1ms bzw. 1ns ist Betriebs- system abhängig

16 Signalverarbeitung Christoph Platen Methode interrupt() interrupt() wird zu einem gerade blockierten Thread aufgerufen überführt diesen in den Zustand ready-to-run ein Thread kann so vorzeitig aufgeweckt werden,wenn er z.B. durch eine sleep() oder join() Methode in den Zustand blocked versetzt wurde es wird eine sogenannte InterruptedException geworfen

17 Signalverarbeitung Christoph Platen Programmierung von Threads schreiben einer Thread Klasse und diese direkt von der Klasse java.lang.Thread ableiten Methode run() der Klasse java.lang.Thread ist zu überschreiben der in der Methode run() enthaltene Code wird während des running Zustandes ausgeführt Thread Sohn 1Sohn 2 Implementieren von Threads durch das Ableiten von der Klasse Thread

18 Signalverarbeitung Christoph Platen Programmierung von Threads Rechenzeit wird durch Scheduler zuge- wiesen und Methode run () ausgeführt Nach Ablauf der Zeit geht Thread wieder in den Zustand ready-to-run Die Klasse Time wird definiert,indem man direkt von der Klasse java.lang.Thread ableitet In der Klasse Uhr wird mit new ein Objekt der Klasse Time erzeugt und somit ein neuer Thread generiert Geerbte Methode start() versetzt Thread In Zustand ready-to-run Methode start() ruft Methode run() auf Aktuelle Datum wird ausgegeben Methode sleep() versetzt Thread für 100 msec in den Zustand Blocked Interrupt() Methode beendet bei Aufruf die Methode run()

19 Signalverarbeitung Christoph Platen Zugriff auf gemeinsame Ressourcen benutzen mehrere Threads dieselben Daten, so kann es zu Synchronisationsproblemen kommen beispielsweise bekommt ein schreibender Thread den Prozessor entzogen ehe er mit dem Schreiben der Datei fertig ist der Lese-Thread beginnt jedoch schon zu lesen und erhält inkonsistente Daten. ( Reader/Writer-Problem) man spricht von einer Race Condition, bei der das Ergebnis von der ausgeführten Reihenfolge der Threads abhängt um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten ist eine Abarbeitungsreihenfolge ( Synchronisation) der Threads zwingend erforderlich

20 Signalverarbeitung Christoph Platen Race Condition Beispiel: Threads 1 und 2 greifen auf eine gemeinsam genutzte Variable (Array) zu Thread 1 schreibt Messdaten in das Array beginnend ab Array-Index 1 und die Anzahl der Werte in die Variable Zähler Thread 2 liest die Daten aus und quittiert das Auslesen, indem er die Zählvariable auf 0 setzt es kann sein, dass schneller geschrieben als gelesen wird Zähler Wert 1 Wert 2 Wert n n Array mit einem Zähler für die benutzten Elemente

21 Signalverarbeitung Christoph Platen Race Condition Sequenzdiagramm zur Darstelung einer Race Condition. Die Zeitachse t gibt den zeitlichen Verlauf an Zähler lesen Daten schreiben Zähler erhöhen Zähler lesen Daten lesen Zähler auf 0 setzen Thread 1 Thread 2 Gemeinsame Variable Thread2 aktiv Thread1 aktiv Thread2 aktiv t Datenverlust

22 Signalverarbeitung Christoph Platen Kritische Abschnitte zur Vermeidung von Race Conditions wendet man das Prinzip des wechselseitigen Ausschlusses an (mutual exclusion) dazu führt man kritische Abschnitte ein ein kritischer Abschnitt ist eine Folge von Befehlen,die ein Thread nacheinander vollständig abarbeiten muss Abgabe des Prozessors an einen anderen Thread ändert an dieser Bedingung nichts kein anderer Thread darf einen kritischen Abschnitt betreten,solange der erstgenannte Thread mit der Abarbeitung der Befehlsfolge noch nicht fertig ist

23 Signalverarbeitung Christoph Platen Monitorkonzept Zur Realisierung der Problemstellung der kritischen Abschnitte wurde 1974 von Hoare das Monitorkonzept als Synchronisationsmittel entwickelt Grundidee eines Monitors ist, dass die Daten, auf denen die kritischen Abschnitte arbeiten, und die kritischen Abschnitte selbst in einem zentralen Konstrukt zusammengefasst werden critical section Monitor read() write() Daten P 1P 3P 2

24 Signalverarbeitung Christoph Platen Monitorkonzept Die grundlegenden Eigenschaften eines Monitors sind: Kritische Abschnitte,die auf denselben Daten arbeiten,sind Methoden eines Monitors Ein Prozess betritt einen Monitor durch Aufruf einer Methode des Monitors Nur ein Prozess kann zur selben Zeit den Monitor benutzen Jeder andere Prozess,der den Monitor aufruft,wird suspendiert und muss warten,bis der Monitor verfügbar wird In Java wird das Monitorkonzept mit Hilfe des Schlüsselwortes synchronized realisiert synchronized kann als Schlüsselwort für Methoden verwendet werden oder einen synchronisierten Codeblock

25 Signalverarbeitung Christoph Platen Monitorkonzept Erstens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss von synchronisierten Klassenmethoden einer Klasse Methode1() Methode2() Monitor Syn1 Für alle synchronisierten Klassenmethoden einer Klasse wird ein Monitor angelegt,welcher die Klassenmethoden überwacht So kann nur ein einziger Thread zu einer bestimmten Zeit eine der synchronisierten Methoden bearbeiten

26 Signalverarbeitung Christoph Platen Monitorkonzept Zweitens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss der Abarbeitung von synchronisierten Instanzmethoden zu einem speziellen Objekt Werden eine oder mehrere Instanzmethoden mit dem Schlüsselwort synchronized versehen,so hat jedes Objekt, das von dieser Klasse geschaffen wird, einen eigenen Monitor, der den Zugriff auf die Instanzmethoden überwacht Methode1() Methode2() Monitor a:Syn Methode1() Methode2() Monitor b:Syn

27 Signalverarbeitung Christoph Platen Monitorkonzept Drittens: Monitor für den gegenseitigen Ausschluss von einzelnen synchronisierten Codeblöcken Eine synchronized Anweisung wird mit dem Schlüsselwort synchronized eingeleitet. In den runden Klammern erwartet die synchronized Anweisung eine Referenz auf ein Objekt. Dieses Objekt dient als Schlüssel,auch Lock genannt. Nur der Thread,der den Schlüssel besitzt hat Zugang zum Monitor. Wird eine synchronized Anweisung betreten, so wird nachgeschaut, ob das Schlüsselobjekt schon von einem anderen Thread benutzt wird. Ist dies der Fall,so muss der Thread warten,bis das Schlüsselobjekt freigegeben wird.

28 Signalverarbeitung Christoph Platen Methode wait() und notify() wait() überführt einen Thread, der eine synchronisierte Anweisung abarbeitet in den Zustandblocked dadurch wird der Monitor für einen anderen Thread frei notify() durch notify() wird ein Thread der zuvor durch den Aufruf von wait() in den Zustand blocked gebracht wurde, wieder aufgeweckt Thread erhält Zustand ready to run

29 Signalverarbeitung Christoph Platen Lexikon Java virtuelle Maschine: läuft in einem Betriebssystem-Prozess ab,d.h. sollen mehrer Java-Programme in getrennten Betriebssystem- Prozessoren ablaufen,so hat jeder Prozess seine eigene virtuelle Maschine Thread: (engl. Faden) Ablauffaden des Programmcodes sprich Kontrollfluss Betriebsmittel: sind Mittel,die ein Prozess zum Laufen braucht,dies kann der Prozessor oder ein I/O–Kanal eines Programms zu einer Datei auf der Festplatte sein I/O-Kanäle: sind Eingabe- bzw. Ausgabeströme, sie können von der Tastatur,Platte kommen oder auf den Bildschirm,die Platte gehen


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