2 Threads und nebenläufige Programmierung

»Es ist nicht zu wenig Zeit, die wir haben, sondern es ist zu viel Zeit, die wir nicht nutzen.«
– Lucius Annaeus Seneca (ca. 4 v. Chr.– 65 n. Chr.), römischer Philosoph und Staatsmann

2.1 Threads erzeugen

Die folgenden Abschnitte verdeutlichen, wie der nebenläufige Programmcode in einen Runnable verpackt und dem Thread zur Ausführung vorgelegt wird.

2.1.1 Threads über die Schnittstelle Runnable implementieren

Damit der Thread weiß, was er ausführen soll, müssen wir ihm Anweisungsfolgen geben. Diese werden in einem Befehlsobjekt vom Typ Runnable verpackt und dem Thread übergeben. Wird der Thread gestartet, arbeitet er die Programmzeilen aus dem Befehlsobjekt parallel zum restlichen Programmcode ab. Die Schnittstelle Runnable ist schmal und schreibt nur eine run()-Methode vor.

interface java.lang.Runnable

• void run()
  Implementierende Klassen realisieren die Operation und setzen dort den parallel auszuführenden Programmcode ein.

Abbildung 2.1: UML-Diagramm der einfachen Schnittstelle Runnable

Wir wollen zwei Threads angeben, wobei einer zwanzigmal das aktuelle Datum und die Uhrzeit ausgibt und der andere einfach eine Zahl:

Listing 2.1: com/tutego/insel/thread/DateCommand.java

package com.tutego.insel.thread;

public class DateCommand implements Runnable
{
  @Override public void run()
  {
    for ( int i = 0; i < 20; i++ )
      System.out.println( new java.util.Date() );
  }
}

Listing 2.2: com/tutego/insel/thread/CounterCommand.java

package com.tutego.insel.thread;

class CounterCommand implements Runnable
{
  @Override public void run()
  {
    for ( int i = 0; i < 20; i++ )
      System.out.println( i );
  }
}

Unser parallel auszuführender Programmcode in run() besteht aus einer Schleife, die in einem Fall ein aktuelles Date-Objekt ausgibt und im anderen Fall einen Schleifenzähler.

2.1.2 Thread mit Runnable starten

Nun reicht es nicht aus, einfach die run()-Methode einer Klasse direkt aufzurufen, denn dann wäre nichts nebenläufig, sondern wir würden einfach eine Methode sequenziell ausführen. Damit der Programmcode parallel zur Applikation läuft, müssen wir ein Thread-Objekt mit dem Runnable verbinden und dann den Thread explizit starten. Dazu übergeben wir dem Konstruktor der Klasse Thread eine Referenz auf das Runnable-Objekt und rufen start() auf. Nachdem start() für den Thread eine Ablaufumgebung geschaffen hat, ruft es intern selbstständig die Methode run() genau einmal auf. Läuft der Thread schon, so löst ein zweiter Aufruf der start()-Methode eine IllegalThreadStateException aus:

Listing 2.3: com/tutego/insel/thread/FirstThread.java, main()

Thread t1 = new Thread( new DateCommand() );
t1.start();

Thread t2 = new Thread( new CounterCommand() );
t2.start();

Beim Starten des Programms erfolgt eine Ausgabe auf dem Bildschirm, die in etwa so aussehen kann:

Tue Aug 21 16:59:58 CEST 2007
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tue Aug 21 16:59:58 CEST 2007
10
...

Deutlich ist die Verzahnung der beiden Threads zu erkennen. Was allerdings auf den ersten Blick etwas merkwürdig wirkt, ist die erste Zeile des Datum-Threads und viele weitere Zeilen des Zähl-Threads. Dies hat jedoch nichts zu bedeuten und zeigt deutlich den Nichtdeterminismus[4](Nicht vorhersehbar, bedeutet hier: Wann der Scheduler den Kontextwechsel vornimmt, ist unbekannt.) bei Threads. Interpretiert werden kann dies jedoch durch die unterschiedlichen Laufzeiten, die für die Datums- und Zeitausgabe nötig sind.

class java.lang.Thread
implements Runnable

• Thread(Runnable target)
  Erzeugt einen neuen Thread mit einem Runnable, das den parallel auszuführenden Programmcode vorgibt.
• void start()
  Ein neuer Thread – neben dem die Methode aufrufenden Thread – wird gestartet. Der neue Thread führt die run()-Methode nebenläufig aus. Jeder Thread kann nur einmal gestartet werden.

2.1.3 Die Klasse Thread erweitern

Da die Klasse Thread selbst die Schnittstelle Runnable implementiert und die run()-Methode mit leerem Programmcode bereitstellt, können wir auch Thread erweitern, wenn wir eigene parallele Aktivitäten programmieren wollen:

Listing 2.4: com/tutego/insel/thread/DateThread.java, DateThread

public class DateThread extends Thread
{
  @Override public void run()
  {
    for ( int i = 0; i < 20; i++ )
      System.out.println( new Date() );
  }
}

Dann müssen wir kein Runnable-Exemplar mehr in den Konstruktor einfügen, denn wenn unsere Klasse eine Unterklasse von Thread ist, reicht ein Aufruf der geerbten Methode start().

Abbildung 2.2: UML-Diagramm der Klasse Thread, die Runnable implementiert

Danach arbeitet das Programm direkt weiter, führt also kurze Zeit später die nächste Anweisung hinter start() aus:

Listing 2.5: com/tutego/insel/thread/DateThreadUser, main()

Thread t = new DateThread();
t.start();
new DateThread().start();      // (*)

Die (*)-Zeile zeigt, dass das Starten sehr kompakt auch ohne Zwischenspeicherung der Objektreferenz möglich ist.

class java.lang.Thread
implements Runnable

• void run()
  Diese Methode in Thread hat einen leeren Rumpf. Unterklassen überschreiben run(), sodass sie den parallel auszuführenden Programmcode enthält.

Überschreiben von start() und Selbststarter

Die Methode start() kann von uns auch überschrieben werden, was aber nur selten sinnvoll beziehungsweise nötig ist. Wir müssen dann darauf achten, super.start() aufzurufen, damit der Thread wirklich startet.

Damit wir als Thread-Benutzer nicht erst die start()-Methode aufrufen müssen, kann ein Thread sich auch selbst starten. Der Konstruktor ruft dazu einfach die eigene start()- Methode auf:

class DateThread extends Thread
{
  DateThread()
  {
    start();
  }
  // ...  der Rest bleibt ...
}

run( ) wurde statt start( ) aufgerufen: Ja, wo laufen sie denn?

Ein Programmierfehler, der Anfängern schnell unterläuft, ist folgender: Statt start() rufen sie aus Versehen run() auf dem Thread auf. Was geschieht? Fast genau das Gleiche wie bei start(), nur mit dem Unterschied, dass die Objektmethode run() nicht parallel zum übrigen Programm abgearbeitet wird. Der aktuelle Thread bearbeitet die run()-Methode sequenziell, bis sie zu Ende ist und die Anweisungen nach dem Aufruf an die Reihe kommen. Der Fehler fällt nicht immer direkt auf, denn die Aktionen in run() finden ja statt – nur eben nicht nebenläufig.

Erweitern von Thread oder Implementieren von Runnable?

Die beste Idee wäre, Runnable-Objekte zu bauen, die dann dem Thread übergeben werden. Befehlsobjekte dieser Art sind recht flexibel, da die einfachen Runnable-Objekte leicht übergeben und sogar von Threads aus einem Thread-Pool ausgeführt werden können. Ein Nachteil der Thread-Erweiterung ist, dass die Einfachvererbung störend sein kann; erbt eine Klasse von Thread, ist die Erweiterung schon »aufgebraucht«. Doch, egal ob eine Klasse Runnable implementiert oder Thread erweitert, eines bleibt: eine neue Klasse.

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