Философия Java3 - Брюс Эккель

Резюме

Библиотека ввода/вывода Java удовлетворяет всем основным потребностям: она позволяет выполнять операции чтения и записи с консолью, файлами, буфером в памяти и даже сетевыми подключениями к Интернету. Наследование позволяет создавать новые типы объектов для ввода и вывода данных. Вы даже можете обеспечить расширяемость для объектов потока, использовав тот факт, что переопределенный метод toStringO автоматически вызывается при передаче объекта методу, ожидающему String (ограниченное «автоматическое преобразование типов» Java).

Впрочем, ответы на некоторые вопросы не удается найти ни в документации, ни в архитектуре библиотеки ввода/вывода Java. Например, было бы замечательно, если бы при попытке перезаписи файла возбуждалось исключение — многие программные системы позволяют указать, что файл может быть открыт для вывода только тогда, когда файла с тем же именем еще не существует. В языке Java проверка существования файла возможна лишь с помощью объекта File, поскольку если вы откроете файл как FileOutputStream или FileWriter, старый файл всегда будет стерт.

При знакомстве с библиотекой ввода/вывода возникают смешанные чувства; с одной стороны, она берёт на себя значительный объем работы и к тому же обеспечивает переносимость. Но пока вы не вполне поняли суть работы шаблона декоратора, архитектура библиотеки кажется не совсем понятной, и от вас потребуются определенные усилия для ее изучения и освоения. Кроме того, библиотека не совсем полна: например, только отсутствие необходимых средств заставило меня писать инструменты, подобные TextFile (новый класс Java SE5 PrintWriter — шаг в правильном направлении, но это лишь частичное решение). К числу значительных усовершенствований Java SE5 следует отнести и то, что в нем появились возможности форматирования вывода, присутствующие практически в любом другом языке.

Впрочем, как только вы действительно проникаетесь идеей шаблона декоратора и начинаете использовать библиотеку в ситуациях, где требуется вся ее гибкость, вы извлекаете из библиотеки все большую выгоду, и даже требующийся для надстроек дополнительный код не мешает этому.

Параллельное выполнение

До настоящего момента мы имели дело исключительно с последовательным программированием. Все действия, выполняемые программой, выполнялись друг за другом, то есть последовательно.

Последовательное программирование способно решить многие задачи. Однако для некоторых зайач бывает удобно (и даже необходимо) организовать параллельное выполнение нескольких частей программы, чтобы создать у пользователя впечатление одновременного выполнения этих частей, или — если на компьютере установлено несколько процессоров — чтобы они действительно выполнялись одновременно.

Каждая из этих самостоятельных подзадач называется потоком (thread)1. Программа пишется так, словно каждый поток запускается сам по себе и использует процессор в монопольном режиме. На самом деле существует некоторый системный механизм, который обеспечивает совместное использованием процессора, но в основном думать об этом вам не придется.

Модель потоков (и ее поддержка в языке Java) является программным механизмом, упрощающим одновременное выполнение нескольких операций в одной и той же программе. Процессор периодически вмешивается в происходящие события, выделяя каждому потоку некоторой отрезок времени. Для каждого потока все выглядит так, словно процессор используется в монопольном режиме, но на самом деле время процессора разделяется между всеми существующими в программе потоками (исключение составляет ситуация, когда программа действительно выполняется на многопроцессорном компьютере). Однако при использовании потоков вам не нужно задумываться об этих тонкостях — код не зависит от того, на скольких процессорах вам придется работать. Таким образом, потоки предоставляют механизм масштабирования производительности — если программа работает слишком медленно, вы в силах легко ускорить ее, установив на компьютер дополнительные процессоры. Многозадачность и многопоточность являются, похоже, наиболее вескими причинами использования многопроцессорных систем.

Задачи

Программный поток представляет некоторую задачу или операцию, поэтому нам понадобятся средства для описания этой задачи. Их предоставляет интерфейс Runnable. Чтобы определить задачу, реализуйте Runnable и напишите метод run(), содержащий код выполнения нужных действий.

Например, задача LiftOff выводит обратный отсчет перед стартом:

//• concurrency/LiftOff java

// Реализация интерфейса Runnable

public class LiftOff implements Runnable {

protected int countDown =10; // Значение по умолчанию

private static int taskCount = 0,

private final int id = taskCount++;

public LiftOffО {}

public LiftOff(int countDown) {

this countDown = countDown;

}

public String status О {

return "#" + id + "(" +

(countDown > 0 ? countDown : "Liftoff!") + "), ";

}

public void run() {

while(countDown-- > 0) {

System.out.pri nt(status()); Thread.yieldO;

}

}

} ///:-

По идентификатору id различаются экземпляры задачи. Поле объявлено с ключевым словом final, поскольку оно не будет изменяться после инициализации.

Метод run() обычно содержит некоторый цикл, который продолжает выполняться до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое завершающее условие. Следовательно, вы должны задать условие выхода из цикла (например, просто вернуть управление командой return). Часто run() выполняется в виде бесконечного цикла, а это означает, что при отсутствии завершающего условия выполнение будет продолжаться бесконечно (позднее в этой главе вы узнаете, как организовать безопасное завершение задач).

Вызов статического метода Thread.yield() в run() обращен к планировщику потоков (часть потокового механизма Java, обеспечивающая переключение процессора между потоками). Фактически он означает, что очередная важная часть цикла была выполнена и теперь можно на время переключиться на другую задачу. Вызов yield() не обязателен, но в данном примере он обеспечивает более интересные результаты: вы с большей вероятностью увидите, что программный поток прерывает и возобновляет свою работу.

В следующем примере метод run() не выделяется в отдельный программный поток, а просто вызывается напрямую в main() (впрочем, поток все же используется — тот, который всегда создается для main()):

//: concurrency/MainThread.java

public class MainThread {

public static void main(String[] args) { Liftoff launch = new LiftOffO; launch.run();

}

} /* Output-

#0(9). #0(8). #0(7), #0(6). #0(5). #0(4). #0(3). #0(2). #0(1). #0(Liftoff!).

*///:-

Класс, реализующий Runnable, должен содержать метод run(), но ничего особенного в этом методе нет — он не обладает никакими особыми потоковыми возможностями. Чтобы использовать многопоточное выполнение, необходимо явно связать задачу с потоком.

Класс Thread

Традиционный способ преобразования объекта Runnable в задачу заключается в передаче его конструктору Thread. Следующий пример показывает, как организовать выполнение LiftOff с использованием Thread:

//: concurrency/BasicThreads.java

// Простейший вариант использования класса Thread.

public class BasicThreads { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread (new LiftOffO); t.startO;

System.out.println("Waiting for LiftOff");

}

} /* Output: (90* match)

Waiting for LiftOff

#0(9). #0(8). #0(7). #0(6). #0(5). #0(4). #0(3). #0(2). #0(1). #0(Liftoff!).

*///:-

Конструктору Thread передается только объект Runnable. Метод start() выполняет необходимую инициализацию потока, после чего вызов метода run() интерфейса Runnable запускает задачу на выполнение в новом потоке.

Из выходных данных видно, что вызов start() быстро возвращает управление (сообщение «Waiting for LiftOff» появляется до завершения отсчета). В сущности, мы вызываем LiftOff.runQ, а этот метод еще не завершил свое выполнение;

но, поскольку LiftOff.run() выполняется в другом потоке, в потоке main() в это время можно выполнять другие операции. (Данная возможность не ограничивается потоком main() — любой поток может запустить другой поток.) Получается, что программа выполняет два метода сразу — main() и LiftOff. run().

В программе можно легко породить дополнительные потоки для выполнения дополнительных задач:

// concurrency/MoreBasicThreads java

// Добавление новых потоков

public class MoreBasicThreads {

public static void main(String[] args) { for(int i = 0, l < 5, i++)

new Thread(new LiftOffO) startO. System.out println("Waiting for LiftOff"),

#2(7), #3(7) #4(5), #0(4) #1(2), #2(2) #l(Liftoff!) *///:-#4(7), #0(6) #1(4), #2(4) #3(2), #4(2) #2(Liftoff!) #4(9), #0(8) #1(6), #2(6) #3(4), #4(4) #0(1), #1(1) #3(Liftoff!) #1(8), #2(8) #3(6), #4(6) #0(3), #1(3) #2(1), #3(1) #4(Liftoff!)

#3(8), #4(8). #0(7). #1(7).

#0(5), #1(5). #2(5). #3(5),

#2(3), #3(3). #4(3). #0(2).

#4(1), #0(Liftoff!),

} /* Output. (Пример) Waiting for LiftOff #0(9), #1(9), #2(9), #3(9)

Из выходных данных видно, что задачи выполняются одновременно друг с другом, с поочередной активизацией и выгрузкой потоков. Переключение осуществляется автоматически планировщиком потоков. Если на компьютере установлено несколько процессоров, планировщик потоков автоматически распределяет потоки между разными процессорами.

При разных запусках программы будут получены разные результаты, поскольку работа планировщика потоков недетерминирована. Более того, вы наверняка увидите значительные различия в результатах работы данной программы-примера, запуская ее на различных версиях пакета JDK. К примеру, предыдущие версии JVM не слишком часто выполняли квантование времени, соответственно, поток 1 мог первым закончить свой цикл, затем все свои итерации произвел бы поток 2, и т. д. Фактически то же самое получилось бы, если бы вызывалась процедура, выполняющая все циклы одновременно, за тем исключением, что запуск совокупности потоков требует больших издержек. Более поздние версии JDK обеспечивают более качественное квантование, и каждый поток регулярно получает свою долю внимания. Как правило, Sun не упоминает о подобных изменениях, так что рассчитывать на определенные «правила поведения» потоков не стоит. Лучше всего при написании кода с потоками занять максимально консервативную позицию.