Etat de l’Art de Java Temps Réel Java

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Etat de lart de Java temps relEcole dt Temps Rel Nancy 2005

Marc richard-Foy


Plan

1. Concepts et exemples de la concurrence Java 2. Critique du modle de la concurrence Java 3. Lapport Java 5 4. La spcification Temps rel RTSJ 5. La spcification SCJ 6. Conclusion


Concepts de la concurrence Java (1)

Il y a de nombreuses faons de supporter la programmation concurrente : API pour la gestion explicite de processus concurrents Mots cl ddis dans le langage (ex: task en Ada) Intgration dans la Programmation Oriente Objet avec par

exemple la notion dobjets actifs Java adopte lapproche des objets actifs pour

reprsenter les threads. Communication et synchronisation des threads

De nombreuses techniques : variables partages, passage de messages

Java adopte la notion de moniteur aussi bien pour les mcanismes dexclusion mutuelle que de communication asynchrone.


Concepts de la concurrence Java (2)

Un moniteur peut tre considr comme un objet o chacune de ses oprations sexcute en exclusion mutuelle

Etat encapsulInterface procdurale

Verrou

Les variables de conditions expriment une contrainte sur lordre dexcution des oprations


Les threads exemple (1)/* Programme qui compte jusqu une valeur passe en

argument de la ligne de commande. Chaque valeur de comptage est affiche lcran par le thread qui effectue le comptage tandis que le thread Main affiche un message indiquant quil a termin. */

public class MyApp extends Thread{public final int count;public MyApp(int count){ this.count = count; }public void run(){

for (int j=0; j


Les threads exemple (2)

Thread dans la JVM

Thread dans lapplication

Invoke MyApp.main

MyApp ma = new MyApp(...);

ma.start(); ma.run();

System.out.println("..."); System.out.println(j);

Implicite


Exclusion mutuelle - exemplepublic class Coordinate {

public Coordinate(int initX, int initY) {x = initX;y = initY;

}public synchronized void update(int newX,

int newY) {x = newX;y = newY;

}public synchronized void display() {System.out.println(x);System.out.println(y);

}private int x, y;

}


Communication asynchrone - Exemple(1)

public class BoundedBuffer {private int buffer[];private int first;private int last;private int count = 0;private int size;

public BoundedBuffer(int length) {size = length;buffer = new int[size];last = 0;first = 0;

};


Communication asynchrone - Exemple(2)public synchronized void put(int item)

throws InterruptedException {while (count == size) wait();last = (last + 1) % size ; // % is moduluscount++;buffer[last] = item;notifyAll();

};public synchronized int get()

throws InterruptedException {while (count == 0) wait();first = (first + 1) % size ; // % is moduluscount--;notifyAll();return buffer[first];

};}


Plan



Points forts du modle de la concurrence Java

Modle simple et directement support par le langage Ceci limite potentiellement les erreurs qui surviennent

en interfaant les RTOS Le contrle du typage fort et de la syntaxe du langage

donne quelques protections Par exemple il nest pas possible doublier la fin dun

bloc synchronized La portabilit des programmes est amliore cause

du modle de la concurrence indpendamment de lOS sous-jacent


Faiblesses (1)

Mcanisme de priorit des threads insuffisant

Programmation de processus priodiques limits par labsence de mcanismes dattente sur des temps absolus

Le traitement des vnements asynchrones ncessitent un thread ddi

Transfert de contrle asynchrone : Ne pas utiliser les mthodes stop(), suspend() et resume() sous risque dinterblocage ou dincohrence


Faiblesses (2) wait/notify

Lappel de moniteurs imbriqus peut conduire des interblocages car le verrou du moniteur englobant nest pas relch quand le thread attend sur un wait du moniteur imbriqu.

Seulement une file dattente wait set par objet versus par condition associe lobjet

Origine du rveil dun thread excutant wait() : notify()/notifyAll(), interrupt() ou time-out ?

Pas de prfrence donne aux threads qui continuent aprs un notify sur ceux qui accdent au verrou du moniteur pour la premire fois

Lidiome while (!condition) {obj.wait()}est fondamental


Faiblesses (2) -synchronized

Il nest pas vident de dterminer quand des appels imbriqus un moniteur peuvent tre effectus : Les mthodes dans une classe ntant pas dclares synchronized peuvent nanmoins contenir des instructions synchronized;

Les mthodes dans une classe ntant pas dclares synchronized peuvent tre surcharges par une mthode synchronized;

Une mthode non synchronized peut le devenir en tant appele depuis une construction synchronized dune sous-classe

Les mthodes appeles via les interfaces ne peuvent pas tre synchronized


Faiblesses (3) synchronized

Impossible de faire machine arrire dans une tentative de prise de verrou, dabandonner aprs un dlai ou une interruption

Impossible de personnaliser la smantique du verrou en ce qui concerne la r-entrance, lquit ou les accs en lecture versus criture.

Pas de contrle daccs pour la synchronisation. Toute mthode peut effectuer synchronized(obj) pour tout objet accessible

Impossibilit dobtenir un verrou dans une mthode et de le relcher dans une autre (structure en bloc)


Plan



Modle Mmoire Java (1)

Le modle mmoire java (JMM) comprend: Une mmoire principale partages entre tous les threads Une mmoire locale propre chaque thread similaire un cache

Le modle dfinit les conditions ncessaires et suffisantes qui permettent de savoir que les critures mmoire des autres threads sont visibles par le thread courant et inversement que les critures par le thread courant sont visibles par les autres threads.

Les r-ordonnancements des instructions par les compilateurs ou processeurs sont le souci principal

http://www.cs.umd.edu/users/pugh/java/memoryModel


Modle Mmoire Java (2)

Java 1.5 a rvis la smantique des mots cl final, volatile et synchronized pour assurer quun programme correctement synchronis sexcute correctement sur tout type darchitecture matrielle

La synchronisation reprsente plus quune simple exclusion mutuelle : En sortie dun bloc synchronized le cache du thread courant

est sauv dans la mmoire partage A lentre dun bloc synchronized les variables locales du

thread courant sont recharges depuis la mmoire partage


class VolatileExample {int x= 0;volatile boolean v = false;public void writer() {

x=42;v= true;

}public void reader() {

if (v == true) {// si on utilise x on a la garantie de voir 42{

{}

Ce qui est visible par le thread A quand il crit le champ volatile le devient par le thread B quand il lit ce mme champ !

Exemple avec volatile


Mcanisme tendu de verrou

package java.util.concurrent.locks;public interface Lock {

public void lock(); // Attendre dobtenir le verrou.

public Condition newCondition();// Crer une variable de condition// utiliser avec le verrou.

public void unlock();

}


Les variables de condition

package java.util.concurrent.locks;public interface Condition {

public void await() throws InterruptedException;

// Relche atomiquement le verrou associ// et met le thread courant en attente.

public void signal();// Rveil un thread en attente du verrou.public void signalAll();// Rveil tous les threads en attente// du verrou.

}


Utilitaires de gestion de la concurrence (1)

Le paquetage java.util.concurrent fournit un ensemble trs riche et complet de classes et interfaces pour le dveloppement dapplications concurrentes

Locks (Lock, ReadWriteLock et Condition) time-out possible, interrupt possible, conditions multiples par verrou, pas la structure en rgion, personalit de laccs au verrou (read/write), quit possible dans le mcanisme dattente, respecte le modle mmoire Java

Atomicit java.util.concurrent.atomic


Utilitaires de gestion de la concurrence (2)

Thread-safe collections Interfaces Queue et BlockingQueue

Task Scheduling Framework Squencer et contrler des tches asynchrones Soumission dans un thread ou un pool de thread Interfaces Callable, Future et Executor

Synchronizers Semaphore et Mutex CyclicBarrier CountDownLatch (compte rebours) Exchanger (rendezvous)

Rsolution du temps la nanoseconde pour toutes les mthodes avec timeout


Classe LockSupport

La classe LockSupport fournit les mcanismes de base pour le support des verrous :package java.util.concurrent.locks;public class LockSupport {

public static void park()public static void parkNanos(long nanos)public static void parkUntil(long deadline)public static void unpark(Thread thread)

} Semblable au smaphore binaire Utiliser park/unpark au lieu des mthodes

dconseilles Thread.suspend et Thread.resume Briques de base pour les implementeurs qui souhaitent

dvelopper leurs propres classes Locks.


Etat des threads Java

start

create thread object

run method exits

garbage collectedand finalization

synchronizedblock/method

(thread termination)

destroywait

parkjoin

notifynotifyAll

unpark interrupt

sleepjoin

waitparkUntilparkNanos

notifynotifyAllunpark

interrupt

Non-Existing

New

Runnable

Blocked

Waiting

Timed_WaitingTerminated

Non-Existing


Plan



RTSJ principes directeurs

Compatibilit arrire avec les programmes java non temps rel

Support du principe Write Once, Run Anywhere mais pas au dtriment du dterminisme

Supporter ltat de lart actuel tout en tant ouvert des volutions

Donner la priorit au dterminisme dans la conception Pas dextension syntaxique du langage Donner des degrs de libert aux implmentations


Amliorations temps rel

RTSJ amliore la programmation temps rel Java dans les domaines suivants : Gestion mmoire Horloge et gestion du temps

Ordonnancement et objets schedulable

Threads temps rel

Gestion des vnemenst asynchrones et timers

Trasnfert de contrle asynchrone

Synchronisation et partage de ressource

Accs la mmoire physique


Modle mmoire RTSJ

HeapMemory : cest le tas mmoire Java classique.

ImmortalMemory : cest une zone mmoire partage entre toutes les threads. Les objets allous dans cette zone ne sont jamais collects par le Garbage Collector et ne sont librs que lorsque le programme se termine.

ScopedMemory : cest une zone pour les objets qui ont une dure de vie bien dfinie. Un compteur de rfrences associ chaque ScopedMemory permet de conserver la trace de combien dentits temps rel sont un moment donn en train dutiliser cette rgion mmoire.


ScopedMemory - exemple

import javax.realtime.*; public class Region {

LTMemory locale; class Action implements Runnable {

public void run() {// Tous les objets allous dans cette// mthode run() ont la porte de// lexcution de cette mthode : ils// seront librs en sortant de la mthode. ... }

}static public void main(String [] args){

locale = new LTMemory(8*1024, 8*1024); Action action = new Action(); // Pendant lexcution de la mthode run()// associe largument action les objets// seront allous dans la rgion locale.locale.enter(action);

}}


Gestion du temps

La classe abstraite HighResolutionTime dfinit le temps avec une prcision de la nanoseconde

Les classes AbsoluteTime, RelativeTime et RationalTime permettent de manipuler des temps absolus (dates) ou des intervalles de temps (dures)

Ces temps sont relatifs des horloges. Plusieurs types dhorloge sont possibles au sein dun mme programme

RTSJ fournit toujours une horloge temps rel associ un temps croissance monotone


Objets Schedulable

RTSJ gnralise les entits schedulable du thread jusqu la notion dobjets Schedulable

Un objet Schedulable implmente linterface Schedulable

Chaque objet Schedulable indique ses exigences: Dchance (quand il doit tre lligible), Mmoire (ex: taux dallocation sur la heap), Ordonnancement (priorit)

Linterface Schedulable est implmente par les classes: RealTimeThread et NoHeapRealTimeThread qui

tendent la classe Thread pour le temps rel AsyncEventHandler pour le traitement dvnements

asynchrones (handlers dinterruptions par exemple)


Thread priodiques

public class Periodic extends RealtimeThread{public Periodic(

PriorityParameters PP, PeriodicParameters P) { super(pp, p); };

public void run(){boolean noProblems = true;while(noProblems) {

// Code excuter chaque priode...noProblems = waitForNextPeriod();

}// Echance manque...

}}


Priority Inversion control in RTSJ

Linversion de priorit peut survenir quand un objet schedulable est bloqu en attente de ressource

Pour limiter la dure du temps de blocage RTSJ impose que : Toutes les files dattente du systme soient gres par ordre de

priorit FIFO pour les objets schedulable de mme priorit dans la mme

file De mme les files associes lappel de la mthode wait() de la

classe Object doivent tre aussi ordonnes par priorit Par dfaut le protocole dhritage de priorit est appliqu aux

objets schedulable bloqus en attente de ressource Le protocole dhritage priorit plafond (PCP) peut tre associ

une ressource de faon programmatique


Plan



Systmes critiques - Modes dexcution

Initialisation

Mission

Terminaison

Mise sous tensionDmarrage

RcuprationRedmarrage

Mode Oprationnel


Modle de concurrence SCJ

Lordonnancement est premptif par priorit fixe, Seuls les objets Schedulable globaux sont

supports, ReleaseParameter soit priodiques soit

sporadiques, Chaque traitement dvnement asynchrone

sexcute dans un thread ddi, Les dpassements dchance sont dtects, Le partage de ressource se fait laide de

mthodes synchronized (non blocantes), Linversion de priorit est contrle par le PCP


Plan

1. Concepts de la concurrence Java 2. Exemples illustrant le modle de la concurrence Java 3. Critique du modle de la concurrence Java 4. Lapport Java 5 : le JSR 133 5. Lapport Java 5 : le JSR 166 6. La spcification Temps rel RTSJ 7. La spcification SCJ 8. Conclusion


Conclusion

Java 1.5 augmente significativement les capacits de la programmation concurrente,

Le RTSJ version 1.0.1 est stable,

Le SCJ a t soumis comme JSR The Open Group est le chef de file

Discussions en cours sur le type dannotations pour lanalyse temps rel et le modle mmoire (rgions imbriques)

Une voie intressante : les systmes temps rel architecture neutre

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