Φροντιστήριο Α' Κατανεμημένα Συστήματα 2011-2012 Επιμέλεια: Μπούτσης Ιωάννης mpoutsis@aueb.gr
Outline Επικοινωνία μέσω Java Sockets(υποδοχές) Παραλληλοποιημένος κώδικας: Threads(νήματα) Παραδείγματα
Εισαγωγή Sockets Δικτυακή επικοινωνία χαμηλού επιπέδου Σε client-server εφαρμογές: Ο server παρέχει κάποια υπηρεσία Ο client χρησιμοποιεί αυτή την υπηρεσία (πχ. Εμφανιση δεδομένων ενός query σε ΒΔ) Ανάγκη για αξιόπιστη επικοινωνία: TCP TCP: παρέχει ένα αξιόπιστο, point-to-point επικοινωνιακό κανάλι το οποίο χρησιμοποιούν οι εφαρμογές client-server στο Internet για να επικοινωνήσουν.
Τι είναι το socket? Ο Server δεσμεύει ένα socket με συγκεκριμένο IP / port. Περιμένει και ακούει σε αυτή τη θύρα για αιτήσεις σύνδεσης. Client-side: Ο client ξέρει την IP / port στην οποία ακούει ο server και προσπαθεί να συνδεθεί αυτόν. Ο Client πρέπει να ορίσει τον εαυτό του: δεσμεύει ένα local port το οποίο χρησιμοποιεί στη διάρκεια της σύνδεσης (συνήθως δίνετε από το σύστημα). Μόλις γίνει το accept, o server δεσμεύει ένα νέο socket στην ίδια local port. Χρειαζόμαστε νέο socket για να μπορεί να συνεχίσει να ακούει στο αρχικό socket για αιτήσεις σύνδεσης. Ο client και ο server μπορούν τώρα να επικοινωνήσουν γράφοντας και διαβάζοντας από τα sockets τους.
Sockets Χρήση του πακέτου java.net Βασική τάξη Socket Throw: public Socket(InetAddress address, int port) public Socket(String host, int port) UnknownHostException, IOException
Επικοινωνία μέσω Sockets Unicast 1 to 1 Multicast Πχ. αποστολή αρχείου από ένα κόμβο σε έναν άλλο Σε well-known port για όλους τους κόμβους Χρησιμοποιούμε UDP socket Πχ. Για να βρούμε ένα bootstrap κόμβο
Client/Server Example ServerSocket s = new ServerSocket(5008); Ο server παρακολουθεί το port 5008 Ακούει για συνδέσεις σε αυτό το port Socket insock = s.accept(); Ο server μπλοκάρει Περιμένει να φτάσει μια σύνδεση από τον client
Client/Server Example Πώς επικοινωνούν οι απομακρυσμένες διεργασίες? Μέσω streams InputStream instr = insock.getinputstream(); Για να διαβάζουμε ότι στέλνεται από την άλλη πλευρά της σύνδεσης OutputStream outstr = insock.getoutputstream(); Για να στείλουμε στην άλλη πλευρά της σύνδεσης
void openserver() { ServerSocket providersocket = null; Socket connection = null; String message = null; providersocket = new ServerSocket(4321, 10); while (true) { // Wait for connection connection = providersocket.accept(); Server // get Input and Output streams ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(connection.getOutputStream()); ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(connection.getInputStream()); out.writeobject("connection successful!"); out.flush(); // The two parts communicate via the input and output streams do { message = (String) in.readobject(); System.out.println(connection.getInetAddress().getHostAddress() + ">" + message); catch (ClassNotFoundException classnot) { System.err.println("Data received in unknown format"); while (!message.equals("bye")); in.close(); out.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); finally { // Closing connection providersocket.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace();
Client void startclient() { Socket requestsocket = null; ObjectOutputStream out = null; ObjectInputStream in = null; String message; // 1. creating a socket to connect to the server requestsocket = new Socket("127.0.0.1", 4321); // 2. get Input and Output streams out = new ObjectOutputStream(requestSocket.getOutputStream()); in = new ObjectInputStream(requestSocket.getInputStream()); // 3: Communicating with the server message = (String) in.readobject(); System.out.println("Server>" + message); out.writeobject("hi! Testing.."); out.flush(); out.writeobject("bye"); out.flush(); catch (ClassNotFoundException classnot) { System.err.println("data received in unknown format"); catch (UnknownHostException unknownhost) { System.err.println("You are trying to connect to an unknown host!"); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); finally { // 4: Closing connection in.close(); out.close(); requestsocket.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace();
Μόνο ένας client? Το πρόβλημα με το προηγούμενο παράδειγμα: Εξυπηρετεί ένα client κάθε φορά βάζοντας στην ουρά τους υπόλοιπους Χρειαζόμαστε παράλληλη επεξεργασία των clients Τι κάνουμε τότε? Θέτουμε maximum μέγεθος στην ουρά ServerSocket(8500, 100) Και εξυπηρετούμε κάθε αίτηση με ένα νέο Thread (αργότερα...)
Διανομή Δεδομένων στο δίκτυο Unicast: Multicast Broadcast Ένας στέλνει, ένας συγκεκριμένος λαμβάνει Ένας στέλνει, Πολλοί λαμβάνουν (ομάδα από παραλήπτες) Ένας στέλνει, όλοι λαμβάνουν Επίσης anycast, geocast κτλ.
Multicast Sniffer MulticastSocket ms = null; InetAddress ia = null; byte[] buffer = new byte[65535]; DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); // 224.0.0.0 to 239.255.255.255 String address = "225.5.5.10"; int port = 5000; ia = InetAddress.getByName(address); catch (UnknownHostException e) { System.err.println(e); ms = new MulticastSocket(port); ms.joingroup(ia); while (true) { ms.receive(dp); String s = new String(dp.getData(), 0, dp.getlength()); System.out.println(s); catch (SocketException se) { System.err.println(se); catch (IOException ie) { System.err.println(ie); finally { ms.close();
Multicast Sender InetAddress ia = null; byte[] buffer = new byte[65535]; DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); // 224.0.0.0 to 239.255.255.255 String address = "225.5.5.10"; int port = 5000; ia = InetAddress.getByName(address); catch (UnknownHostException e) { System.err.println(e); MulticastSocket ms = new MulticastSocket(); String temp = "Hi There"; byte[] data = temp.getbytes(); DatagramPacket datagrampacket = new DatagramPacket(data, data.length, ia, port); ms.send(datagrampacket); System.out.println("Sent!"); catch (SocketException se) { System.err.println(se); catch (IOException ie) { System.err.println(ie);
Threads Γνωστά και ως: lightweight process (LWP) Αποτελούνται από: stack, register program counter, thread id Μοιράζεται με άλλα threads στην διεργασία: code section, data open files, signals Three thread states: running, ready, blocked set, section, ίδια
Γιατί χρειαζόμαστε threads? Παράλληλη επεξεργασία πχ. web server: Threads για παράλληλη αποστολή αρχείων σε κάθε client Threads στη μεριά του server για να εξυπηρετεί πολλούς clients Γρήγορη επικοινωνία μέσω shared memory Χρήση όλως των διαθέσιμων επεξεργαστών Επίδοση λιγότερος χρόνος για create / destroy για thread σε σχέση με process
Challenges Συγχρονισμός μεταξύ των threads που μοιράζονται τους ίδιους πόρους Η ταυτόχρονη εκτέλεση μπορεί να δημιουργήσει δυσκολίες
Race condition And Concurrent access Ταυτόχρονη προσπέλαση κρίσιμων περιοχών από πλέον του ενός thread. Δε θέλουμε δυο ή και περισσότερα νήματα να ανανεώνουν μια κοινή δομή δεδομένων ή μεταβλητή ή αντικείμενο κ.τ.λ. Οι synchronized methods μπορούν να καλεστούν ταυτόχρονα από πολλά threads Μόνο ένα thread θα προσπελάσει τη μέθοδο κάθε φορά public synchronized void mymethod(){ someintvar++;
Java Threads Κάθε εφαρμογή ξεκινά με ένα νήμα Εκτελεί τη μέθοδο main της εφαρμογής Το νήμα αυτό μπορεί να δημιουργήσει άλλα Διάφοροι τρόποι διακοπής εκτέλεσης Αναμονή εισόδου / εξόδου Αναμονή χρονομέτρου (sleep) Αναμονή γεγονότος (wait) Προτεραιότητες νημάτων Κάθε νήμα έχει προτεραιότητα 1 (χαμηλή) έως 10 (υψηλή) Η προτεραιότητα κληρονομείται από τον γονέα Χρονοπρογραμματισμός ανάλογα με την προτεραιότητα Διακοπτόμενος ή μη διακοπτόμενος χρονοπρογραμματισμός
Java Threads Νήματα: υποστηρίζονται μέσω της τάξης Thread Thread (String όνομα_νήματος) Thread () void start() void run () Κατασκευάζει ένα νήμα με συγκεκριμένο όνομα Κατασκευάζει ένα νήμα με όνομα "Thread-#" Ξεκινά την εκτέλεση ενός νέου νήματος (μέθοδος run()) Τα δύο νήματα εκτελούνται παράλληλα Η μέθοδος που περιέχει τον κώδικα του νήματος Κάθε thread ορίζει τη δική της run() void setname (String όνομα) / String getname () Θέτει/επιστρέφει το όνομα του νήματος
Java Threads static Thread currentthread () Επιστρέφει μία αναφορά προς το εκτελούμενο νήμα void sleep (int διάστημα) void yield () Αποκοιμίζει το νήμα για διάστημα msec Παραχωρεί τον επεξεργαστή σε άλλα νήματα void interrupt () Στέλνει στο νήμα ένα σήμα διακοπής σ ένα νήμα Αν το νήμα είναι σε κοιμισμένο ή σε αναμονή ξυπνάει Αλλιώς το νήμα πρέπει να ελέγχει ρητά αν έχει λάβει διακοπές boolean isinterrupted () Επιστρέφει true αν το νήμα έχει διακοπεί
Java Threads boolean isalive () Επιστρέφει true αν το νήμα εκτελείται void setpriority (int προτεραιότητα) / int getpriority () Θέτει/επιστρέφει την προτεραιότητα του νήματος void join (long διάστημα) Περιμένει τον τερματισμό του νήματος για διάστημα msec Αν το διάστημα είναι 0, αναμονή για πάντα void join (): Ισοδύναμη με join(0) void checkaccess () Εξετάζει αν έχουμε πρόσβαση στο νήμα Εξαίρεση αν δεν έχουμε, επιστροφή αν έχουμε Χρήσιμη για εκσφαλμάτωση εφαρμογών
Java Threads ThreadGroup getthreadgroup () Επιστρέφει την ομάδα του νήματος int activecount () Επιστρέφει το πλήθος ενεργών νημάτων της ομάδας int enumerate (Thread[] πίνακας) Αντιγράφει κάθε ενεργό νήμα της ομάδας στον πίνακα Αν ο πίνακας είναι μικρός, δεν αποθηκεύονται όλα String tostring () Επιστρέφει όνομα, προτεραιότητα και ομάδα του νήματος void dumpstack () Εμφανίζει τη στοίβα κλήσεων των μεθόδων του νήματος Χρήσιμη για εκσφαλμάτωση εφαρμογών
Thread Example public class mythread extends Thread { String input; public mythread(string input) { this.input = input; public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(i + ":\t" + input); sleep((int) (Math.random() * 1000)); catch (InterruptedException e) { public static void main(string[] args) { Thread t = new mythread("distributed"); t.start(); Thread t2 = new mythread("systems"); t2.start(); /* PROSOXH OXI: t = new mythread("distributed"); t.run(); t2 = new mythread("systems"); t2.run();*/
Runnable public class mythreadrunnable implements Runnable { String input; public mythreadrunnable(string input) { this.input = input; public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(i + ":\t" + input); Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); catch (InterruptedException e) { public static void main(string[] args) { mythreadrunnable t = new mythreadrunnable("distributed"); new Thread(t).start(); mythreadrunnable t2 = new mythreadrunnable("systems"); new Thread(t2).start(); OUTPUT: 0: Distributed 0: Systems 1: Distributed 1: Systems 2: Distributed 3: Distributed 2: Systems 4: Distributed 3: Systems 4: Systems
Server with Threads public class Provider { ServerSocket providersocket; Socket connection = null; ObjectOutputStream out; ObjectInputStream in; String message; Provider() { void openserver() { // creating a server socket providersocket = new ServerSocket(4321, 10); while (true) { // Wait for connection connection = providersocket.accept(); Thread t = new actionsforclients(connection); t.start(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); finally { // Closing connection providersocket.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); public class actionsforclients extends Thread { ObjectInputStream in; ObjectOutputStream out; public actionsforclients(socket connection) { out = new ObjectOutputStream(connection.getOutputStream()); in = new ObjectInputStream(connection.getInputStream()); catch (IOException e) { e.printstacktrace(); public void run() { int a = in.readint(); int b = in.readint(); out.writeint(a + b); out.flush(); catch (IOException e) { e.printstacktrace(); finally { in.close(); out.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace();
Client using thread public class Client extends Thread { int a, b; Client(int a, int b) { this.a = a; this.b = b; public void run() { Socket requestsocket = null; ObjectOutputStream out = null; ObjectInputStream in = null; requestsocket = new Socket("127.0.0.1", 4321); out = new ObjectOutputStream(requestSocket.getOutputStream()); in = new ObjectInputStream(requestSocket.getInputStream()); out.writeint(a); out.flush(); out.writeint(b); out.flush(); System.out.println("Server>" + in.readint()); catch (UnknownHostException unknownhost) { System.err.println("You are trying to connect to an unknown host!"); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); finally { in.close(); out.close(); requestsocket.close(); catch (IOException ioexception) { ioexception.printstacktrace(); public static void main(string args[]) { new Client(10, 5).start(); new Client(20, 5).start(); new Client(30, 5).start(); new Client(40, 5).start(); new Client(50, 5).start(); new Client(60, 5).start(); new Client(70, 5).start(); new Client(80, 5).start(); new Client(90, 5).start(); new Client(100, 5).start(); Server>85 Server>95 Server>65 Server>105 Server>15 Server>55 Server>35 Server>45 Server>25 Server>75
Ερωτήσεις???