Seminar aus Softwareentwicklung Threading unter .NET Daniel Grünberger 9855066

Inhalt Geschichtlicher Hintergrund Überblick über Threads Synchronisation von Daten AppDomain Literatur Inhalt

Geschichtlicher Hintergrund Anfang der Softwareentwicklung verwendeten die meisten Programme „nur einen“ Prozess Software-Programme wurden immer komplexer und umfangreicher– Verwendung von mehreren Prozessen Probleme: welcher Prozess bekommt wie viel CPU-Leistung? Welcher Prozess bekommt welche Ressourcen? Viel Aufwand für Prozess-Kommunikation und nicht wirklich effizient Lösung: Man erschuf einen leichtgewichtigen Prozess Entstehung der Threads Geschichtlicher Hintergrund

Überblick über Threads Was ist ein Thread? Erstellen eines Threads Übergabe von Daten an Threads Überblick über Threads

Was ist ein Thread Ein Thread: bezeichnet eine selbständig ausführbare Programm-Funktion kann unabhängig vom übrigen Programm ausgeführt werden kann so dutzende von Teilaufgaben scheinbar gleichzeitig ausführen Was ist ein Thread

Verwendung Falls Programm mehrere Dinge gleichzeitig machen soll, setzt man Threads ein Beispiel: Berechnung der Zahl PI (3,14159265…) bis auf die Millionste Stelle genau Ohne Thread: Programm läuft ein paar Millionen Jahre ohne Output Mit Thread: Programm kann jederzeit unterbrochen werden Was ist ein Thread

Erstellen eines Thread Klassen/Funktionen für Threads sind im Namensraum System.Threading zu finden z.B.: Start() Join() Sleep() Abort() ... Erstellen eines Thread

Erstellen eines Thread Zustandsdiagramm Erstellen eines Thread

Erstellen eines Thread Beispiel: using System; using System.Threading; namespace ThreadHelloWorld { class ThreadHelloWorldTest static void ThreadEntry() Console.WriteLine(“Hello Threading World”); } static void Main(string[] args) Thread t = new Thread (new ThreadStart(ThreadEntry)); t.Name = “Hello World Thread”; t.Priority = ThreadPriority.AboveNormal; t.Start(); t.Join(); Startpunkt: Funktion vom Typ void! Neue Instanz + festlegen des Startpunktes Optional: Name des Thread + Priorität Starten des Thread + Warten bis beendet Erstellen eines Thread

Übergabe von Daten an Threads 3 Möglichkeiten Daten zu übergeben: Verwendung von globalen Variablen Kapselung des „Entrypoints“ in eine eigene Klasse Verwendung von „thread local storage“ (TLS) Übergabe von Daten an Threads

Verwendung von globalen Variablen using System; using System.Threading; namespace ThreadHelloWorldStaticInformation { class ThreadHelloWorldTest static string message; static void ThreadEntry() Console.WriteLine(message); } static void Main(string[] args) message = “Hello World”; Thread t = new Thread (new ThreadStart(ThreadEntry)); t.Start(); t.Join(); Thread gibt Wert der globalen Variable aus Wert der globalen Variable zuweisen Übergabe von Daten an Threads

Kapselung des „Entrypoints“ in eigene Klasse using System; using System.Threading; namespace ThreadHelloWorld { class HelloWorld { private string message; public string Message { get{ return message;} set{ message = value;} } public void ThreadEntry() Console.WriteLine(message); class DynamicThreadInformation { static void Main(string[] args) HelloWorld first = new HelloWorld(); first.Message = “Hello World”; Thread t = new Thread (new ThreadStart(first.ThreadEntry)); t.Start(); t.Join(); Eigene Klasse: Daten werden einem Property zugewiesen Instanz erstellen, Daten zuweisen und Thread starten Übergabe von Daten an Threads

Verwendung von „thread local storage“ (TLS) using System; using System.Threading; namespace ThreadHelloWorld { class ThreadLocalStorage static LocalDataStoreSlot slot; static void ThreadEntry() Console.WriteLine(“The data in the slot is: {0}”, (string)Thread.GetData(slot)); } static void Main(string[] args) String message = “Hello World”; slot = Thread.AllocateDataSlot(); Thread.SetData(slot,message); Thread t = new Thread (new ThreadStart(ThreadEntry)); t.Start(); t.Join(); Daten werden von TLS ausgelsen Daten werden in TLS gestellt Übergabe von Daten an Threads

Synchronisation von Daten Relativ einfache Datenübergabe an Threads Jedoch Problem bei Multithreading – falls mehrere Threads auf gleiche Daten / Ressourcen zugreifen wollen Synchronisation von Daten

Multithreading - Beispiel 1(1/2) class Worker { private int Fib(int x) return ((x<=1)?1:(Fib(x-1)+Fib(x-2))); } public void doWork() string item = Convert.ToString(Thread.CurrentThread.Name) + “ “; for (int i =0; i < 10; i++) Console.WriteLine(“Thread {0} {1} {2}”, item,i,Fib(30)); Entrypoint für Thread Synchronisation von Daten

Multithreading - Beispiel 1(2/2) class UnsynchronizedTest { static void Main(string[] args) Worker wq = new Worker(); Thread a = new Thread( new ThreadStart(wq.doWork)); a.Name = “a”; Thread b = new Thread( new ThreadStart(wq.doWork)); b.Name = “b”; Thread c = new Thread( new ThreadStart(wq.doWork)); c.Name = “c”; Thread d = new Thread( new ThreadStart(wq.doWork)); d.Name = “d”; Thread e = new Thread( new ThreadStart(wq.doWork)); e.Name = “e”; a.Start(); b.Start(); c.Start(); d.Start(); e.Start(); } Threads werden nicht synchronisiert gestartet Synchronisation von Daten

Synchronisation von Daten Ergebnis? Nicht Zufriedenstellend!! Synchronisation von Daten

Synchronisation von Daten Warum? Jeder Thread versucht CPU-Leistung zu bekommen Kein geordnetes vorgehen Im schlimmsten Fall kann es Threads geben, die niemals CPU-Leistung bekommen Synchronisation von Daten

Allgemeine Synchronisationsprobleme Race-Condition: zeitlich unkoordinierte Arbeit zweier Threads gefährden den erfolgreichen Ablauf eines Programms Deadlock: Bei einem Deadlock warten zwei oder mehrere Threads aufeinander, und keiner kann sich aus dieser Situation befreien Bsp: Dining Philosphers,… Synchronisation von Daten

Race-Condition Löschen eines Listenelements public void ThreadProcA(int index) { lock(GlobalList) GlobalList.Items.RemoveAt(index); } public void ThreadProcB() For (int x =0; x < GlobalList.Items.Count; x++) //… mehrere zeitaufwändige Operationen GlobalList.Items[x] = … // irgendeine Manipulation Es kann vorkommen, dass auf leere Listenelemente zugegriffen wird - FEHLER Datenmanipulation: z.B.: Ausgabe © 2003 Daniel Grünberger 9855066

Deadlock Resource A wird gesperrt Wartet vergeblich auf Ressource B public void ThreadProcA() { lock(RefA) //… lock(RefB) } public void ThreadProcB() Wartet vergeblich auf Ressource B Resource B wird gesperrt Wartet vergeblich auf Ressource A Synchronisation von Daten

Synchronisation von Daten Gegenmaßnahmen Funktion Monitor bzw. Lock verwenden Verhindert, dass mehrere Threads gleichzeitig auf die gleiche Ressource zugreifen Man kann Ressourcen für Threads sperren und wieder freigeben Synchronisation von Daten

Funktion Monitor – Lock Monitor.Enter(this) // kritische Ausführung Monitor.Exit(this); Bzw. try { Monitor.Enter(this); // kritische Ausführung} Finally Monitor.Exit(this) } entspricht: lock(this) //kritische Ausführung Synchronisation von Daten

Multithreading - Beispiel 2 public void doWork() { Monitor.Enter(this); string item = Convert.ToString(Thread.CurrentThread.Name) + “ “; for (int i =0; i < 10; i++) Console.WriteLine(“Thread {0} {1} {2}”, item,i,Fib(30)); } Monitor.Exit(this); Synchronisation von Daten

Synchronisation von Daten Ergebnis Liefert das gewünschte Ergebnis Synchronisation von Daten

AppDomain Was ist ein AppDomain? Funktionsweise © 2003 Daniel Grünberger 9855066

Was ist ein AppDomain Ein AppDomains kann als eine Art Prozess gesehen werden, mit dem kleinen Unterschied, das dieser weniger Ressourcen verbraucht Machen Applikation sicherer und vielseitiger Werden auch als „leichtgewichtiger“ Prozess bezeichnet Was ist ein AppDomain

Was ist ein AppDomain Jede Applikation besitzt einen Standard-AppDomain und kommt auch damit aus Applikation kann aber beliebig viele AppDomains verwalten Verwendung: bei Verwendung von Bibliotheken die „nicht sicheren Code“ beinhalten -> in AppDomain kapseln Plug-Ins im Internet-Explorer … Was ist ein AppDomain

Was ist ein AppDomain Was ist ein AppDomain

Unterschiede zwischen AppDomain und einem Thread AppDomain existiert für die Dauer der Applikation ein Thread hingegen existiert nur für eine bestimmte Zeit innerhalb eines AppDomains Was ist ein AppDomain

Funktionsweise AppDomain kann mittels der Methode CreateDomain() erzeugt werden Beispiel: … AppDomain aDomain = AppDomain.CreateDomain(“My Domain”); ObjectHandle objHandle = aDomain.CreateInstance( “ProgCSharp”, // der Assembly Name “ProgCSharp.Shape”, // Typ-Name mit Namensraum False, // Groß-Kleinschreibung ign. System.Reflection.BindingFlags.CreateInstance, null, // Binder new object[] {3,5}, // Argumente null, // Culture null, // Aktivierungsattribute null // Sicherheitsattribure ); Funktionsweise

Funktionsweise using System; public class MyApp { public static int main(string[] argv) { // create Domain AppDomain child = AppDomain.CreateDomain(“childapp”); // execute int r = child.ExecuteAssembly(“yourapp.exe”,null,argv); //unload domain AppDomain.Unload(child); // return result Return r; } Funktionsweise

Literatur Don Box, Chris Sells: Essential .NET, The Common Language Runtime, Addison-Wesley 2003 Kevin Burton: .NET Common Language Runtime Unleashed, Sams Publishing 2002 Dave Stutz, Ted Neward, Geoff Shilling: Shared Source CLI Essentials. O’Reilly 2003 Jesse Liberty: Programming C# 2nd Edition, O’Reilly & Associates Inc. 2002 Literatur

ENDE