10.3 Das Interface Runnable
Nicht immer ist es möglich, eine Klasse, die als Thread laufen
soll, von Thread
abzuleiten. Dies ist insbesondere dann nicht möglich, wenn die
Klasse Bestandteil einer Vererbungshierarchie ist, die eigentlich
nichts mit Multithreading zu tun hat. Da Java keine Mehrfachvererbung
kennt, kann eine bereits abgeleitete Klasse nicht von einer weiteren
Klasse erben. Da sehr unterschiedliche Klassen als Thread parallel
zu vorhandenem Code ausgeführt werden können, ist dies eine
sehr unschöne Einschränkung des Multithreading-Konzepts
von Java.
Glücklicherweise gibt es einen Ausweg. Er besteht darin, einen
Thread nicht durch Ableiten aus Thread,
sondern durch Implementierung des Interfaces Runnable
zu erzeugen. Runnable
enthält nur eine einzige Deklaration, nämlich die der Methode
run:
10.3.1 Implementieren von Runnable
Tatsächlich muß jede Klasse, deren Instanzen als Thread
laufen sollen, das Interface Runnable
implementieren (sogar die Klasse Thread
selbst). Um eine nicht von Thread
abgeleitete Instanz in dieser Weise als Thread laufen zu lassen, ist
in folgenden Schritten vorzugehen:
- Zunächst wird ein neues Thread-Objekt erzeugt.
- An den Konstruktor wird das Objekt übergeben, das parallel
ausgeführt werden soll.
- Die Methode start
des neuen Thread-Objekts wird aufgerufen.
Nun startet das Thread-Objekt
die run-Methode
des übergebenen Objekts, das sie ja durch die Übergabe im
Konstruktor kennt. Da dieses Objekt das Interface Runnable
implementiert, ist garantiert, daß eine geeignete Methode run
zur Verfügung steht.
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Wir wollen dies an einem Beispiel deutlich machen:
001 /* Listing1004.java */
002
003 class A1004
004 {
005 int irgendwas;
006 //...
007 }
008
009 class B1004
010 extends A1004
011 implements Runnable
012 {
013 public void run()
014 {
015 int i = 0;
016 while (true) {
017 if (Thread.interrupted()) {
018 break;
019 }
020 System.out.println(i++);
021 }
022 }
023 }
024
025 public class Listing1004
026 {
027 public static void main(String args[])
028 {
029 B1004 b = new B1004();
030 Thread t = new Thread(b);
031 t.start();
032 try {
033 Thread.sleep(1000);
034 } catch (InterruptedException e){
035 //nichts
036 }
037 t.interrupt();
038 }
039 }
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Listing1004.java |
Listing 10.4: Implementieren von Runnable
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Die Klasse B1004 ist von A1004
abgeleitet und kann daher nicht von Thread
abgeleitet sein. Statt dessen implementiert sie das Interface Runnable.
Um nun ein Objekt der Klasse B1004
als Thread auszuführen, wird in main
von Listing1004 eine Instanz
dieser Klasse erzeugt und an den Konstruktor der Klasse Thread
übergeben. Nach dem Aufruf von start
wird die run-Methode
von B1004 aufgerufen.
10.3.2 Multithreading durch Wrapper-Klassen
Auf eine ähnliche Weise lassen sich auch Methoden, die ursprünglich
nicht als Thread vorgesehen waren, in einen solchen umwandeln und
im Hintergrund ausführen. Der Grundstein für die Umwandlung
eines gewöhnlichen Objekts in einen Thread wird dabei immer bei
der Übergabe eines Runnable-Objekts
an den Konstruktor des Thread-Objekts
gelegt. Das folgende Beispiel demonstriert, wie eine zeitintensive
Primfaktorzerlegung im Hintergrund laufen kann.
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Zunächst benötigen wir dazu eine Klasse PrimeNumberTools,
die Routinen zur Berechnung von Primzahlen und zur Primfaktorzerlegung
zur Verfügung stellt. Diese Klasse ist weder von Thread
abgeleitet, noch implementiert sie Runnable:
001 /* PrimeNumberTools.java */
002
003 public class PrimeNumberTools
004 {
005 public void printPrimeFactors(int num)
006 {
007 int whichprime = 1;
008 int prime;
009 String prefix;
010
011 prefix = "primeFactors("+num+")= ";
012 while (num > 1) {
013 prime = getPrime(whichprime);
014 if (num % prime == 0) {
015 System.out.print(prefix+prime);
016 prefix = " ";
017 num /= prime;
018 } else {
019 ++whichprime;
020 }
021 }
022 System.out.println();
023 }
024
025 public int getPrime(int cnt)
026 {
027 int i = 1;
028 int ret = 2;
029
030 while (i < cnt) {
031 ++ret;
032 if (isPrime(ret)) {
033 ++i;
034 }
035 }
036 return ret;
037 }
038
039 private boolean isPrime(int num)
040 {
041 for (int i = 2; i < num; ++i) {
042 if (num % i == 0) {
043 return false;
044 }
045 }
046 return true;
047 }
048
049 }
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PrimeNumberTools.java |
Listing 10.5: Eine Klasse zur Primfaktorzerlegung
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Ohne Hintergrundverarbeitung könnte PrimeNumberTools
instanziert und ihre Methoden durch einfachen Aufruf verwendet werden:
001 /* Listing1006.java */
002
003 import java.io.*;
004
005 public class Listing1006
006 {
007 public static void main(String[] args)
008 {
009 PrimeNumberTools pt = new PrimeNumberTools();
010 BufferedReader in = new BufferedReader(
011 new InputStreamReader(
012 new DataInputStream(System.in)));
013 int num;
014
015 try {
016 while (true) {
017 System.out.print("Bitte eine Zahl eingeben: ");
018 System.out.flush();
019 num = (new Integer(in.readLine())).intValue();
020 if (num == -1) {
021 break;
022 }
023 pt.printPrimeFactors(num);
024 }
025 } catch (IOException e) {
026 //nichts
027 }
028 }
029 }
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Listing1006.java |
Listing 10.6: Verwendung der Klasse zur Primfaktorzerlegung
Das Programm erzeugt eine Instanz der Klasse PrimeNumberTools
und führt für jeden eingelesenen Zahlenwert durch Aufruf
der Methode printPrimeFactors
die Primfaktorzerlegung durch. Daß hier einige I/O-Routinen
von Java verwendet wurden, braucht Sie nicht zu beunruhigen; wir kommen
in Kapitel 13 auf sie zurück.
Um nun diese Berechnungen asynchron durchzuführen, entwerfen
wir eine Wrapper-Klasse, die von PrimeNumberTools
abgeleitet wird und das Interface Runnable
implementiert:
001 /* ThreadedPrimeNumberTools.java */
002
003 public class ThreadedPrimeNumberTools
004 extends PrimeNumberTools
005 implements Runnable
006 {
007 private int arg;
008 private int func;
009
010 public void printPrimeFactors(int num)
011 {
012 execAsynchron(1,num);
013 }
014
015 public void printPrime(int cnt)
016 {
017 execAsynchron(2,cnt);
018 }
019
020 public void run()
021 {
022 if (func == 1) {
023 super.printPrimeFactors(arg);
024 } else if (func == 2) {
025 int result = super.getPrime(arg);
026 System.out.println("prime number #"+arg+" is: "+result);
027 }
028 }
029
030 private void execAsynchron(int func, int arg)
031 {
032 Thread t = new Thread(this);
033 this.func = func;
034 this.arg = arg;
035 t.start();
036 }
037 }
|
ThreadedPrimeNumberTools.java |
Listing 10.7: Primfaktorzerlegung mit Threads
Hier wurde die Methode printPrimeFactors
überlagert, um den Aufruf der Superklasse asynchron ausführen
zu können. Dazu wird in execAsynchron
ein neuer Thread generiert, dem im Konstruktor das aktuelle Objekt
übergeben wird. Durch Aufruf der Methode start
wird der Thread gestartet und die run-Methode
des aktuellen Objekts aufgerufen. Diese führt die gewünschten
Aufrufe der Superklasse aus und schreibt die Ergebnisse auf den Bildschirm.
So ist es möglich, bereits während der Berechnung der Primfaktoren
einer Zahl eine neue Eingabe zu erledigen und eine neue Primfaktorberechnung
zu beginnen.
Um dies zu erreichen, ist in der Klasse Listing1006
lediglich die Deklaration des Objekts vom Typ PrimeNumberTools
durch eine Deklaration vom Typ der daraus abgeleiteten Klasse ThreadedPrimeNumberTools
zu ersetzen:
001 /* Listing1008.java */
002
003 import java.io.*;
004
005 public class Listing1008
006 {
007 public static void main(String[] args)
008 {
009 ThreadedPrimeNumberTools pt;
010 BufferedReader in = new BufferedReader(
011 new InputStreamReader(
012 new DataInputStream(System.in)));
013 int num;
014
015 try {
016 while (true) {
017 System.out.print("Bitte eine Zahl eingeben: ");
018 System.out.flush();
019 num = (new Integer(in.readLine())).intValue();
020 if (num == -1) {
021 break;
022 }
023 pt = new ThreadedPrimeNumberTools();
024 pt.printPrimeFactors(num);
025 }
026 } catch (IOException e) {
027 //nichts
028 }
029 }
030 }
|
Listing1008.java |
Listing 10.8: Verwendung der Klasse zur Primfaktorzerlegung mit Threads
Wenn alle Eingaben erfolgen, bevor das erste Ergebnis ausgegeben wird,
könnte eine Beispielsitzung etwa so aussehen (Benutzereingaben
sind fett gedruckt):
Bitte eine Zahl eingeben: 991
Bitte eine Zahl eingeben: 577
Bitte eine Zahl eingeben: 677
Bitte eine Zahl eingeben: -1
primeFactors(577)= 577
primeFactors(677)= 677
primeFactors(991)= 991
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Obwohl das gewünschte Verhalten (nämlich die asynchrone
Ausführung einer zeitaufwendigen Berechnung im Hintergrund) realisiert
wird, ist dieses Beispiel nicht beliebig zu verallgemeinern. Die Ausgabe
erfolgt beispielsweise nur dann ohne Unterbrechung durch Benutzereingaben,
wenn alle Eingaben vor der ersten Ausgabe abgeschlossen sind. Selbst
in diesem Fall funktioniert das Programm nicht immer zuverlässig.
Es ist generell problematisch, Hintergrundprozessen zu erlauben, auf
die Standardein- oder -ausgabe zuzugreifen, die ja vorwiegend vom
Vordergrund-Thread verwendet wird. Ein- und Ausgaben könnten
durcheinander geraten und es könnte zu Synchronisationsproblemen
kommen, die die Ausgabe verfälschen. Wir haben nur ausnahmsweise
davon Gebrauch gemacht, um das Prinzip der Hintergrundverarbeitung
an einem einfachen Beispiel darzustellen. |
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Das nächste Problem ist die Realisierung des Dispatchers in run,
der mit Hilfe der Instanzvariablen func
und arg die erforderlichen Funktionsaufrufe
durchführt. Dies funktioniert hier recht problemlos, weil alle
Methoden dieselbe Parametrisierung haben. Im allgemeinen wäre
hier ein aufwendigerer Übergabemechanismus erforderlich.
Des weiteren sind meistens Vorder- und Hintergrundverarbeitung zu
synchronisieren, weil der Vordergrundprozeß die Ergebnisse
des Hintergrundprozesses benötigt. Auch hier haben wir stark
vereinfacht, indem die Ergebnisse einfach direkt nach der Verfügbarkeit
vom Hintergrundprozeß auf den Bildschirm geschrieben wurden.
Das Beispiel zeigt jedoch, wie prinzipiell vorgegangen werden
könnte und ist vorwiegend als Anregung für eigene Experimente
anzusehen.