Заключение

В этой лекции были рассмотрены принципы построения многопоточного приложения. В начале разбирались достоинства и недостатки такой архитектуры – как правило ОС не выделяет отдельный процессор под каждый процесс, а значит применяется процедура time slicing. Было выделено три признака, указывающие на целесообразность запуска нескольких потоков в рамках программы.

Основу работы с потоками в Java составляют интерфейс Runnable и класс Thread. С их помощью можно запускать и останавливать потоки, менять их свойства, среди которых основные: приоритет и свойство daemon. Главная проблема, возникающая в таких программах - одновременный доступ нескольких потоков к одним и тем же данным, в первую очередь -– к полям объектов. Для понимания, как в Java решается эта задача, был сделан краткий обзор по организации памяти в JVM, работы с переменными и блокировками. Блокировки, несмотря на название, сами по себе не ограничивают доступ к переменной. Программист использует их через ключевое слово synchronized, которое может быть указано в сигнатуре метода или в начале блока. В результате выполнение не будет продолжено, пока блокировка не освободится.

Новый механизм порождает новую проблему - взаимные блокировки (deadlock), к которой программист всегда должен быть готов, тем более, что Java не имеет встроенных средств для определения такой ситуации. В лекции разбирался пример, как организовать работу программы без "зависания" ожидающих потоков.

В завершение рассматривались специализированные методы базового класса Object, которые также позволяют управлять последовательностью работы потоков.

Лекция 13. Пакет java.lang

Введение

В состав пакета java.lang входят классы, составляющие основу для всех других, и поэтому он является наиболее важным из всех, входящих в Java API. Поскольку без него не может обойтись ни один класс, каждый модуль компиляции содержит неявное импортирование этого пакета ( import java.lang.*; ).

Перечислим классы, составляющие основу пакета.

Object – является корневым в иерархии классов.

Class – экземпляры этого класса являются описаниями объектных типов в памяти JVM.

String – представляет собой символьную строку, содержит средства работы с нею.

StringBuffer – используется для работы (создания) строк.

Number – абстрактный класс, являющийся суперклассом для классов-объектных оберток числовых примитивных типов Java.

Character – объектная обертка для типа char.

Boolean – объектная обертка для типа boolean.

Math – реализует набор базовых математических функций.

Throwable – базовый класс для объектов, представляющих исключения. Любое исключение, которое может быть брошено и, соответственно, перехвачено блоком catch, должно быть унаследовано от Throwable.

Thread – позволяет запускать и работать с потоками выполнения в Java. Runnable – может использоваться в сочетании с классом Thread для описания потоков выполнения.

ThreadGroup – позволяет объединять потоки в группу и производить действия сразу над всеми потоками в ней. Существуют ограничения по безопасности на манипуляции с потоками из других групп.

System – содержит полезные поля и методы для работы системного уровня.

Runtime – позволяет приложению взаимодействовать с окружением, в котором оно запущено.

Process – представляет интерфейс к внешней программе, запущенной при помощи Runtime.

ClassLoader – отвечает за загрузку описания классов в память JVM.

SecurityManager – для обеспечения безопасности накладывает ограничения на данную среду выполнения программ.

Compiler – используется для поддержки Just-in-Time компиляторов.

Интерфейсы:

Cloneable – должен быть реализован объектами, которые планируется клонировать с помощью средств JVM;

Comparable – позволяет упорядочивать (сортировать, сравнивать) объекты каждого класса, реализующего этот интерфейс.

Object

Класс Object является базовым для всех остальных классов. Он определяет методы, которые поддерживаются любым классом в Java.

Метод public final native Class getClass() возвращает объект типа Class, соответствующий классу объекта. Этот метод уже рассматривался в лекции 4.

Метод public boolean equals(Object obj) определяет, являются ли объекты одинаковыми. Если оператор == проверяет равенство по ссылке (указывают на один и тот же объект), то метод equals() – равенство по значению (состояния объектов одинаковы). Поскольку класс Object не содержит полей, реализация в нем этого метода такова, что значение true будет возвращено только в случае равенства по ссылке, то есть:

public boolean equals(Object obj) {

return (this == obj);

}

В классах-наследниках этот метод при необходимости может быть переопределен, чтобы поддержать расширенное состояние объекта (например, если добавилось поле, характеризующее состояние). Рассмотрим сравнение объектов-оберток целых чисел (класс Integer ). Оно должно по всей логике возвращать значение true, если равны значения int чисел, которые обернуты, даже если это два различных объекта.

Метод equals() может быть переопределен любым способом (например, всегда возвращать false, или, наоборот, true ) – компилятор, конечно же, не будет проводить анализ реализации и давать рекомендации. Однако существуют соглашения, которые необходимо соблюдать, чтобы программа имела предсказуемое поведение, в том числе и с точки зрения других программистов:

• рефлексивность: для любой объектной ссылки x, отличной от null, вызов x.equals(x) возвращает true ;

• симметричность: для любых объектных ссылок x и y, вызов x.equals(y) возвращает true только в том случае, если вызов y.equals(x) возвращает true ;

• транзитивность: для любых объектных ссылок x, y и z, если x.equals(y) возвращает true и y.equals(z) возвращает true, то вызов x.equals(z) должен вернуть true ;

• непротиворечивость: для любых объектных ссылок x и y многократные последовательные вызовы x.equals(y) возвращают одно и то же значение (либо всегда true, либо всегда false );

• для любой не равной null объектной ссылки x вызов x.equals(null) должен вернуть значение false.

Пример:

package demo.lang;

public class Rectangle {

public int sideA;

public int sideB;

public Rectangle(int x, int y) {

super();

sideA = x;

sideB = y;

}

public boolean equals(Object obj) {

if(!(obj instanceof Rectangle))

return false;

Rectangle ref = (Rectangle)obj;

return (((this.sideA==ref.sideA)&&(this.sideB==ref.sideB))||

(this.sideA==ref.sideB)&&(this.sideB==ref.sideA));

}

public static void main(String[] args) {

Rectangle r1 = new Rectangle(10,20);

Rectangle r2 = new Rectangle(10,10);

Rectangle r3 = new Rectangle(20,10);

System.out.println("r1.equals(r1) == " + r1.equals(r1));

System.out.println("r1.equals(r2) == " + r1.equals(r2));

System.out.println("r1.equals(r3) == " + r1.equals(r3));

System.out.println("r2.equals(r3) == " + r2.equals(r3));

System.out.println("r1.equals(null) == " + r1.equals(null));

}

}

Пример 13.1.

Запуск этой программы, очевидно, приведет к выводу на экран следующего:

r1.equals(r1) == true

r1.equals(r2) == false

r1.equals(r3) == true

r2.equals(r3) == false

r1.equals(null) == false

Пример 13.2.

В этом примере метод equals() у класса Rectangle был переопределен таким образом, чтобы прямоугольники были равны, если их можно наложить друг на друга (геометрическое равенство).

Большинство стандартных классов переопределяет этот метод, строго следуя всем соглашениям.

Метод public int hashCode() возвращает хеш-код ( hash code ) для объекта. Хеш-код – это целое число, которое сопоставляется с данным объектом. Оно позволяет организовать хранение набора объектов с возможностью быстрой выборки (стандартная реализация такого механизма присутствует в Java и будет описана в следующей лекции).

Для этого метода также принят ряд соглашений, которым стоит следовать при переопределении:

• если два объекта идентичны, то есть вызов метода equals(Object) возвращает true, то вызов метода hashCode() у каждого из этих двух объектов должен возвращать одно и то же значение;

• во время одного запуска программы для одного объекта при вызове метода hashCode() должно возвращаться одно и то же значение, если между этими вызовами не были затронуты данные, используемые для проверки объектов на идентичность в методе equals(). Это число не обязательно должно быть одним и тем же при повторном запуске той же программы, даже если все данные будут идентичны.

В классе Object этот метод реализован на уровне JVM. Сама виртуальная машина генерирует хеш-код, основываясь на расположении объекта в памяти. Это позволяет для различных объектов (неравенство по ссылке) получать различные хеш-коды.

В силу первого соглашения при переопределении метода equals() необходимо переопределить также метод hashCode(). При этом нужно стремиться, во-первых, к тому, чтобы метод возвращал значение как можно быстрее, иначе основная цель – быстрая выборка – не будет достигнута. Во-вторых, желательно для различных объектов, то есть когда метод equals(Object) возвращает false, генерировать различные хеш-коды. В этом случае хеш-таблицы будут работать особенно эффективно. Однако, понятно, что это не всегда возможно. Диапазон значений int – 2³², а количество различных строк, или двумерных точек, с координатами типа int – заведомо больше.

Большинство стандартных классов переопределяет этот метод, строго следуя всем соглашениям.

Метод public String toString() возвращает строковое представление объекта. В классе Object этот метод реализован следующим образом:

public String toString() {

return getClass().getName() + "@" +

Integer.toHexString(hashCode());

}

То есть возвращает строку, содержащую название класса объекта и его хеш-код в шестнадцатеричном формате.

В классах-наследниках этот метод может быть переопределен для получения более наглядного описания объекта. Обычно это значения некоторых полей, характеризующих экземпляр. Например, для книги это может быть название, автор и количество страниц:

package demo.lang;

public class Book {

private String title;

private String author;

private int pagesNumber;

public Book(String title, String author,

int pagesNumber) {

super();

this.title = title;

this.author = author;

this.pagesNumber = pagesNumber;

}

public static void main(String[] args) {

Book book = new Book("Java2","Sun",1000);

System.out.println("object is: " + book);

}

public String toString(){

return "Book: " + title + " ( " + author +

", " + pagesNumber + " pages )";

}

}

При запуске этой программы на экран будет выведено следующее:

object is: Book: Java2 ( Sun, 1000 pages )

Большинство стандартных классов переопределяет этот метод. Экземпляры класса String возвращают ссылку на самих себя ( this ).

Метод wait(), notify(), notifyAll() используются для поддержки многопоточности и были подробно рассмотрены в лекции 12. Они определены с атрибутом final и не могут быть переопределены в классах-наследниках.

Метод protected void finalize() throws Throwable вызывается Java-машиной перед тем, как garbage collector (сборщик мусора) освободит память, занимаемую объектом. Этот метод уже подробно рассматривался в лекции 4.

Метод protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException создает копию объекта. Механизм клонирования подробно рассматривался в лекции 9.

Class

В запущенной программе Java каждому классу соответствует объект типа Class. Этот объект содержит информацию, необходимую для описания класса – поля, методы и т.д.

Класс Class не имеет открытого конструктора – объекты этого класса создаются автоматически Java-машиной по мере загрузки описания классов из class -файлов. Получить экземпляр Class для конкретного класса можно с помощью метода forName():

public static Class forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader) – возвращает объект Class, соответствующий классу, или интерфейсу, с названием, указанным в name необходимо указывать полное название класса или интерфейса, используя переданный загрузчик классов. Если в качестве загрузчика классов loader передано значение null, будет взят ClassLoader, который применялся для загрузки вызывающего класса. При этом класс будет инициализирован, только если значение initialize равно true и класс не был инициализирован ранее.

Зачастую проще и удобнее воспользоваться методом forName(), передав только название класса: public static Class forName(String className),– при этом будет использоваться загрузчик вызывающего класса и класс будет инициализирован (если до этого не был).

public Object newInstance() – создает и возвращает объект класса, который представляется данным экземпляром Class. Создание будет происходить с использованием конструктора без параметров. Если такового в классе нет, будет брошено исключение InstantiationException. Это же исключение будет брошено, если объект Class соответствует абстрактному классу, интерфейсу, или какая-то другая причина помешала созданию нового объекта.

Каждому методу, полю, конструктору класса также соответствуют объекты, список которых можно получить вызовом соответствующих методов объекта Class: getMethods(), getFields(), getConstructors(), getDeclaredMethods() и т.д. В результате будут получены объекты, которые отвечают за поля, методы, конструкторы объекта. Их можно использовать для формирования динамических вызовов Java – этот механизм называется reflection . Необходимые классы содержатся в пакете java.lang.reflection.

Рассмотрим пример использования этой технологии:

package demo.lang;

interface Vehicle {

void go();

}

class Automobile implements Vehicle {

public void go() {

System.out.println("Automobile go!");

}

}

class Truck implements Vehicle {

public Truck(int i) {

super();

}

public void go() {

System.out.println("Truck go!");

}

}

public class VehicleStarter {

public static void main(String[] args) {

Vehicle vehicle;

String[] vehicleNames = {"demo.lang.Automobile",

"demo.lang.Truck", "demo.lang.Tank"};

for(int i=0; i<vehicleNames.length; i++) {

try {

String name = vehicleNames[i];

System.out.println("look for class for: " + name);

Class aClass = Class.forName(name);

System.out.println("creating vehicle...");

vehicle = (Vehicle)aClass.newInstance();

System.out.println("create vehicle: " + vehicle.getClass());

vehicle.go();

} catch(ClassNotFoundException e) {

System.out.println("Exception: " + e);

} catch(InstantiationException e) {

System.out.println("Exception: " + e);

}

}

}

}

Пример 13.3.

Если запустить эту программу, на экран будет выведено следующее:

look for class for: demo.lang.Automobile

creating vehicle...

create vehicle: class demo.lang.Automobile

Automobile go!

look for class for: demo.lang.Truck

creating vehicle...

Exception: java.lang.InstantiationException

look for class for: demo.lang.Tank

Class not found: java.lang.ClassNotFoundException: demo.lang.Tank

Пример 13.4.

В этом примере делается попытка создать с помощью reflection три объекта. Имена классов, от которых они должны быть порождены, записаны в массив vehicleNames. Объект класса Automobile был успешно создан, причем, дальнейшая работа с ним велась через интерфейс Vehicle. Класс Truck был найден, но при попытке создания объекта было брошено, а затем обработано исключение java.lang.InstantiationException, поскольку конструктор без параметров отсутствует. Класс java.lang.Tank определен не был и поэтому при попытке получить соответствующий ему объект Class было выброшено исключение java.lang.ClassNotFoundException.