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Threads (Nebenläufigkeit)

Duke in Threads

Einleitung

Java bietet als Programmiersprache von Beginn an eine aktive Unterstützung für das Programmieren mit Threads (engl der Faden, das Fädchen). Hierdurch ist es in Java relativ einfach nebenläufige Programme zu implementieren.
Das Threadkonzept erlaubt es in der gleichen Javaanwendungen Dinge parallel abzuarbeiten und trotzdem auf die gleichen Daten zuzugreifen.

 

Hiermit ist die Implementierung von Javaanwendungen mit den folgenden Vorteilen möglich:

  • man kann sehr viel mehr Aufgaben abarbeiten, da man es gleichzeitig tun kann.
  • man kann Aufgaben schneller zu erledigen, da man es parallel tun kann.
  • man kann Aufgaben asynchron, parallel im Hintergrund abarbeiten ohne andere Aufgaben warten zu lassen.

Prozesse und Threads im Betriebssystem

Mit Java-Threads kann man nebenläufige Programme programmieren dies es erlauben mehrere Dinge gleichzeitig zu tun. Ein sehr einfaches Beispiel ist eine Programm mit einer graphische Benutzeroberfläche. Dieses Programm lädt typischerweise in einem Thread eine Datei aus dem Internet während gleichzeitig ein anderer Thread auf dem Bildschirm einen Fortschrittsbalken vergrößert.

Betriebssysteme verwalten die Ressourcen eines Rechners. Beim Programmieren mit nebenläufigen Java-Threads ist es wichtig zu verstehen, wie die beiden wichtigen Resourcen Hauptspeicher und Prozessoren vom Javalaufzeitsystem und dem Betriebsystem verwaltet werden. Bei der Betrachtung des Speichers spielt nur der virtuelle Speicher des Betriebsystems eine Rolle, da der Javaentwickler in der Regel keinen direkten Einfluss auf dem physischen Speicher nehmen kann. Moderne Betriebsysteme sind in der Lage Programme gleichzeitig bzw. nebenläufig auszuführen.

Definition
Prozess(Informatik)
Ein Prozess bezeichnet in der Informatik ein im Ablauf befindliches Computerprogramm (siehe Wikipedia). Zum Prozess gehört das Programm samt seiner Daten und dem Prozesskontext (siehe Wikipedia).

 

Das Javalaufzeitsystem ist aus der Sicht des Betriebssystems während seiner Ausführung ein Prozess.

Prozesse besitzen während ihrer Ausführung typischerweise:

  • ein Programm welches sie ausführen. Mehrere Prozesse können durchaus das gleiche Programm ausführen
  • einen eigenen Speicherbereich zur Verwaltung der Daten. Das Betriebsystem verwaltet diesen Speicher und sorgt dafür das alle Prozesse ihren eigenen Speicher benutzen können ohne sich gegenseitig zu beinflussen. Bei Java ist der Heap der bekannteste gemeinsame Speicherbereich.
  • Zumindest einen Programmstack (Stapel) zur Verwaltung der Daten von Methoden und einen dazugehörige Befehlszähler/zeiger
  • Zugriff auf Betriebssystemressourcen (Bildschirm, Tastatur, Massenspeicher, Netzwerk etc.)

Threads (engl. der Faden, das Fädchen) sind leichtgewichtige Ausführungseinheiten eines Prozesses:

Definition
Thread (Informatik)
Ein Thread (auch: Aktivitätsträger oder leichtgewichtiger Prozess) bezeichnet in der Informatik einen Ausführungsstrang oder eine Ausführungsreihenfolge in der Abarbeitung eines Programms. Ein Thread ist Teil eines Prozesses. (siehe Wikipedia)

Das Javalaufzeitsystem ist typischerweise ein Prozess des Betriebssystems. Die Java-Threads werden normalerweise auf Betriebssystem-Threads abgebildet. Dies war in frühen Javaimplementierungen (1.1) nicht der Fall. Hier wurden die Threads von Java selbst verwaltet (siehe Green Threads) .

Ein Thread besitzt typischerweise

  • keinen eigenen Speicher (Heap). Er und alle anderen Threads des Prozesses haben Zugriff auf den gemeinsamen Hauptspeicher seines Prozesses. Durch das gemeinsame, gleichzeitige Arbeiten auf den gemeinsamen Daten ist der Datenaustausch zwischen Threads sehr einfach. Die Konsistenz der Daten muss jedoch aktiv verwaltet werden.
  • einen eigenen Programmstack. Er dient der Verwaltung der aktuell aufgerufenen Methodenvariablen.
  • einen eigenen Befehlszähler

Prozesse bestehen aus mindestens einem Thread (dem Haupt-Thread, Main-Thread) und eventuell zusätzlichen Threads die eigene Programmstacks zur parallelen Ausführung besitzen. Die Lebensdauer von Threads ist durch die Lebensdauer des dazugehörigen Prozesses beschränkt. Sie enden mit dem Beenden des Pozesses.

 

Nebenläufige Ausführung im Betriebssystem

Betriebsysteme weisen den Prozessen die Prozessoren zur Ausführung zu. Hierfür verwendet man die englischen Begriffe des "scheduling" oder "dispatching". Ziel des Betriebssystems ist es die Prozessoren möglichst gut auszunutzen und eine faire, vorteilhafte Abarbeitung aller Programme in Prozessen zu gewährleisten.

Die (historisch) einfachste Art der Verwaltung von Prozessen durch das Betriebsystem ist der Batchbetrieb (Stapelbetrieb). Ein Rechner hat typischerweise nur einen Prozessor. Das Betriebssystem kann nur ein Programm gleichzeitig als Prozess ausführen. Es weist dem Prozessor eine Programm A zu dieses läuft bis es beendet wird. Anschließend wird das nächste Programm ausgeführt: 

Multi tasking: Um interaktive Benutzer zu bedienen ist es geschickter laufende Prozesse zu unterbrechen und andere Prozesse teilweise abzuarbeiten. Aufgrund der hohen Prozessorgeschwindigkeit hat der menschliche Betrachter den Eindruck, die Prozesse laufen gleichzeitig. Alle moderne Betriebsysteme arbeiten nach diesem Prinzip. Das Unterbrechen der Prozesse ist oft problemlos möglich, da sie sich oft selbst blockieren. Sie müssen da si relativ lange auf Daten von Benutzern, Festplatten, dem Netzwerk warten müssen. In diesen vielen Zwangpausen kann das Betriebssyteme andere, lauffähige Prozesse abarbeiten. 

Die Prozesse laufen jetzt verschränkt und sie werden in vielen einzelnen Blöcken abgearbeitet. Sie werden quasi-parallel abgearbeitet.

Multi tasking-Multiprozessor: Da alle modernen Prozessoren mehrere Ausführungseinheiten besitzen können die Betriebsysteme Prozesse parallel abarbeiten. Die Prozesse müssen nicht zwangsweise auf dem gleichen Prozessor ausgeführt werden (siehe Beispiel). Die Gesamtausführungszeiten können bei mehren Prozessoren entsprecht verkürzen.

Multithreaded-Multiprozessor: Da Threads leichtgewichtige Prozesse mit einem Programmstack und einem eigenen Programmablauf sind, werden sie bei der Prozessorvergabe wie Prozesse behandelt.  Ein Prozess kann jetzt mehrere Prozessoren gleichzeitig verwenden wenn er nur über mehrere Theads verfügt. Anwendungen können jetzt innerhalb eines Prozesses skalieren. Dies bedeutet, sie können (threoretisch) beliebig viele Prozessoren benutzen und damit beliebig viele Aufgaben in einer bestimmten Zeit abarbeiten. Der Durchsatz eines Prozesses, bzw. die Abarbeitungsgeschwindigkeit ist nicht mehr direkt an die Geschwindigkeit eines einzelnen Prozessors gebunden.

 

 



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