Trabajando con hilos.

Hilos y pausas.

    Una vez que un hilo se crea y la máquina virtual de Java lo integra al entorno de ejecución, el hilo empieza a trabajar. En ocasiones, resulta conveniente que un hilo realice pequeñas pausas, o que se sincronice con otros en el sentido de esperar o verificar si algún otro hilo ha hecho ya su trabajo.

    El Ejemplo MensajesPausados muestra el uso del método sleep para pausar temporalmente la ejecución de un hilo. sleep es un método estático, es decir, no se requiere de un objeto concreto que reciba el mensaje, pero sí el nombre de la clase a la cual pertenece (línea 28). En esencia, el ejemplo imprime línea por línea un hermoso poema con pausas de 4 segundos (4000 milisegundos) entre cada línea. Note que esto es sólo un tiempo aproximado, y no debería considerarse con exactitud bajo ninguna circunstancia. En este sentido, resulta fatal el considerar aspectos de cualquier tipo de sincronización con base en el tiempo: no es buena idea y el azar puede (y seguramente lo hará) jugar en su contra.

    Por otro lado, el Ejemplo MensajesPausados2 muestra como única diferencia respecto del anterior la línea 12, particularmente en lo que se refiere a la excepción InterruptedException. El uso de un método como sleep podría generar un excepción del tipo verificada (Checked Exception), por lo que es preciso que se maneje o al menos se atrape. En el primer ejemplo main sólo reporta que de ocurrir la relanzará, es decir, no hace ningún manejo ni la atrapa pero al menos la reporta; el ejemplo en turno omite dicha declaración, por lo que ni siquiera compilará y se reportará un mensaje similar al siguiente:

MensajesPausados2.java:28: error: unreported exception InterruptedException; must be caught or declared to be thrown
            Thread.sleep(4000);
                        ^
1 error

se invita al lector a corroborar lo anterior.

    El Ejemplo MensajesPausados3 muestra una alternativa para la ejecución realizando un manejo muy elemental de la excepción correspondiente a través del bloque try-catch (líneas 22-31). Note que desde el punto de vista de la compilación y la ejecución, el Ejemplo MensajesPausados y el Ejemplo MensajesPausados3 son lógicamente equivalentes.

Hilos interactuando.

   El Ejemplo HilosInteractuando consiste en dos hilos:

1. El de main.
2. El derivado de CicloMensaje: Hilo (línea 57).
   

    El primero es el hilo principal main que cada aplicación de Java tiene. El hilo principal crea y pone en ejecución (líneas 56-59) un nuevo hilo a partir de un objeto ejecutable (CicloMensaje) y espera por él para terminar (líneas 63, 67, 68-69 y 74).

    Si el hilo derivado de la clase CicloMensaje se tarda mucho en terminar, el hilo principal lo interrumpe (línea 71).
   
   Como en los ejemplos de la sección anterior, el hilo de CicloMensaje imprime un bello poema línea por línea pero ahora con una pausa de 1 segundo entre ellas. Note el lector que no se está haciendo uso del método sleep, sino del método join de la clase Thread (línea 67); la diferencia es sutil pero importante: join es un método que debe recibir un objeto concreto a través de su respectivo mensaje (invocación) y, por la naturaleza misma de su funcionamiento, también puede generar la excepción InterruptedException. En este sentido, el diálogo entre los objetos podría interpretarse de la siguiente manera:

"El hilo de main envía un mensaje a Hilo (de CicloMensaje) para decirle que lo esperará 1 segundo más para que termine."

    Si el hilo de CicloMensaje sigue vivo (líneas 63 y 68) y el tiempo transcurrido excede la paciencia preestablecida (líneas 42 ó 48), entonces Hilo es interrumpido (línea 71) antes de que haya impreso todos sus mensajes e imprime un mensaje de reproche antes de salir (línea 34).

Consideraciones.

    El Ejemplo Ejemplo MensajesPausados ilustra dos conceptos importantes:

1. Interrupciones que pueden presentarse al trabajar con hilos (InterruptedException).
2. Las pausas de los hilos basadas en tiempo (método sleep( ) de la clase Thread).

    El método sleep hace que el hilo actual interrumpa su ejecución (se duerma) por un tiempo aproximado de cuatro segundos. Es importante que el lector tome en cuenta esto último y nunca estará de más el repetirlo, ya que es un error suponer una exactitud en el tiempo de interrupción debido a que existen gastos de gestión en la administración de los hilos (overhead). Aún peor que lo anterior, es el tratar de sincronizar hilos con base en este criterio de tiempo.

    La sincronización de hilos es una labor no trivial y no debe ser minimizada. Más adelante en el blog se muestran las bases de la sincronización en la entrada Sincronización, misma que proporciona al lector una aproximación un poco más detallada pero finalmente introductoria al respecto.

    El uso del método sleep conlleva la potencial generación de la excepción InterruptedException, la cual es una excepción verificada, es decir, debe ser atrapada o relanzada para que el programa compile y funcione, razón por la cual la línea 12 del Ejemplo Ejemplo MensajesPausados adopta este último mecanismo. Para obtener más información con respecto a los aspectos mencionados en este párrafo, consulte en el Contenido temático del blog más ampliamente los conceptos relacionados con las excepciones.

    Finalmente se conmina encarecidamente al lector a que consulte el API para ampliar y complementar la información respecto a los métodos utilizados en los ejemplos.

Ejercicios selectos (Hilos).

 

1. Considere el Ejemplo HolaEjecutable2. Modifíquelo para que la línea 18 substituya a la 17, recompile y pruebe su funcionamiento. Se recomienda ampliamente al lector consultar el API de Java para documentarse acerca del uso del constructor correspondiente y asegurase de comprender su funcionamiento.
2. Considere el Ejemplo HolaHilo2. Integre la línea 17 (que aparece comentada) para que forme parte del código, recompile y pruebe su funcionamiento. Se recomienda ampliamente al lector consultar el API de Java para documentarse acerca del uso del método setName( ) de la clase Thread y asegurase de comprender su funcionamiento; así como de comprender también la similitud y diferencias con respecto al ejercicio anterior.
3. Con base en los Ejemplos HolaHilo2 y HolaEjecutable2 realice, para cada uno, lo siguiente:
1. Genere más de un hilo (al menos tres) y póngalos en ejecución.
2. Genere un arreglo con capacidad para almacenar diez hilos, creé el número de hilos correspondiente y ponga a todos en ejecución.
   
4. Asegúrese de comprender por completo el Ejemplo HilosInteractuando. Posteriormente, modifique el ejemplo para:
• Cambiar los tiempos de método join (línea 67) una vez que haya consultado el API y comprenda más a fondo su funcionamiento.
• Cambiar el nombre del hilo de main, para que en la ejecución, en lugar de ver, por ejemplo "main: Todavía esperando...", sea vea: "Padre: Todavía esperando...".
• Pruebe con argumentos en la invocación del programa para modificar el tiempo de espera (paciencia) del hilo principal (main).
  
5. Considere el Ejemplo PruebaContador. Asegúrese de probar la equivalencia de las líneas 42-43 con la línea 44.
6. Para el Ejemplo PruebaContadorSincronizado, asegúrese de probar la equivalencia de las líneas 43-44 con la línea 45.
7. En la entrada Sincronización, se hace referencia a que un constructor no puede ser sincronizado. Pruebe dicha situación generando el error de sintaxis que debería generarse.
8. Considere y analice el Ejemplo MsLunch. Asegúrese de comprender la diferencia entre éste y las distintas versiones del ejemplo comentado en la entrada Sincronización.
9. Con base en las entradas Creación de hilos, Sincronización y los ejemplos correspondientes, escriba un programa que realice lo siguiente:
• Genere 6 hilos: 3 utilizando Thread y 3 utilizando Runnable.
• Cada hilo deberá incrementar 100 000 veces el valor de un contador compartido e imprimir su valor al finalizar.
• El hilo principal (main) deberá decrementar 600 000 veces el valor del contador compartido e imprimir su valor al finalizar.
• El hilo principal deberá, antes de iniciar sus decrementos, esperar (join) a cada hilo 50 milisegundos.
• El hilo principal deberá llamarse padre y los hilos creados: hijo1, hijo2, ... hijo 6.
  
• ¿Cuál debería ser el valor final del contador en un enfoque sincronizado y por qué?
  
10. Para el Ejemplo Interbloqueo, elimine la palabra reservada synchronized de ambos métodos ¿Que piensa que sucederá y por qué? Determine su respuesta antes de volver a compilar y ejecutar.
    
11. Considere, analice y comprenda el Ejemplo Interbloqueo2 sin ejecutarlo.
• ¿Puede determinar lo que hace? 
• ¿Se comprende la diferencia con el Ejemplo Interbloqueo?
• ¿Por qué hace lo que hace?
  

Creación de hilos.

   En Java hay básicamente dos formas de generar un nuevo hilo de ejecución:

1. Crear una instancia de la clase Thread.
2. Crear una instancia de una clase que sea ejecutable, es decir, una clase que implemente la interfaz Runnable.

   En esta entrada se presentarán dos ejemplos de cada una de estas formas.

Clase Thread.
   El Ejemplo HolaHilo muestra la creación de un hilo cuando una clase (HolaHilo) hereda de la clase Thread (línea 8).

   Todas las subclases de Thread deberían sobreescribir el método run( ), ya que la definición de dicho método establece el comportamiento que tendrá el hilo creado, es decir, el conjunto de acciones a realizar por el hilo, son definidas dentro de este método (líneas 10-12) que, para este caso, consiste únicamente en imprimir un mensaje en la salida estándar.

   Observe cómo en el método main (líneas 14-17) se crea, en la línea 15 un nuevo hilo de ejecución (hilo), mismo que se hecha a andar en la línea 16 a través del método start( ).

   El método start( ) hace que el hilo receptor del mensaje inicie su ejecución, dentro de esta inicialización del hilo ocurren distintos aspectos de gestión que la máquina virtual de Java tiene que realizar para que las cosas funcionen, como la invocación al método run( ) del hilo correspondiente.

   Es importante hacer notar al lector que nunca hay un llamado explícito al método run( ), sino que ocurre un llamado implícito como parte de las gestiones y acciones que realiza el método start( ).

   Por último, el Ejemplo HolaHilo2 muestra una variación del ejemplo anterior.

   En las líneas 11 y 19 se ha hecho uso del método currentThread( ) de la clase Thread, el cuál regresa la instancia del hilo que se está ejecutando (hilo actual), esto con la finalidad de que el método getName( ) obtenga el nombre asignado a dicha instancia. Esta propiedad del hilo en cuestión es utilizada para imprimirla en la salida estándar en las líneas 12 y 20 respectivamente.

   Finalmente, la línea 17 (comentada) utiliza el método setName( ) para asignarle un nombre al hilo ("Hilo Jr."). Se deja como ejercicio para el lector descomentar dicha línea, recompilar, ejecutar y comparar las salidas de los ejemplos correspondientes y comprender la diferencia.

Interfaz Runnable.
   El Ejemplo HolaEjecutable muestra la creación de un hilo utilizando la interfaz Runnable (línea 8).

   Una interfaz en Java es básicamente un contrato que la clase que la implementa debe cumplir, es decir, la clase que implementa una interfaz se compromete a definir todos los métodos que establezca dicha interfaz.

   Para el caso de la interfaz Runnable, el único método que hay que definir es el método run( ) (líneas 10-12), cuya única misión es imprimir un mensaje en la salida estándar.

   En la línea 15 se crea una instancia de la clase HolaEjecutable (ejecutable), misma que es utilizada como argumento para el constructor del hilo creado en la línea 16.

   Si todo sale bien, en la línea 17 existen dos hilos de ejecución:

1. El de main.
2. El que se creo en la línea 16 (hilo).

   Note aquí también que nunca hay un llamado explícito al método run( ), sino que más bien hay un llamado implícito en alguna parte del método start( ) (línea 17), el cuál es el encargado de realizar la gestión necesaria para que el hilo recién creado se introduzca en el entorno de ejecución de la máquina virtual de Java. Se recomienda ampliamente al lector el consultar el API para obtener más detalles acerca de la clase Thread y de la interfaz Runnable.

   Finalmente el Ejemplo HolaEjecutable2 muestra una variación del ejemplo descrito con anterioridad. Note particularmente las líneas 11 y 20 en donde se ha hecho uso del método currentThread( ) de la clase Thread, el cuál regresa la instancia del hilo que se está ejecutando (hilo actual); por otro lado, el método getName( ) obtiene el nombre asignado a dicha instancia. Esta propiedad del hilo en cuestión es utilizada para imprimirla en la salida estándar en las líneas 12 y 21 respectivamente.

El intercambio de la líneas 17 y 18 para que mutuamente se excluyan se deja como ejercicio para el lector.

Hilos.

   En un enfoque tradicional de programación, las sentencias y expresiones se ejecutan de manera secuencial, en la programación concurrente, este mismo grupo de sentencias y expresiones se ejecutan de manera concurrente, entendiéndose por concurrencia a la capacidad de las diferentes partes o unidades de un programa para ejecutarse fuera de orden o en orden parcial sin afectar el resultado final.

   Abusando de la simplificación, puede entenderse a la concurrencia como la capacidad de un software o equipo de cómputo para realizar más de una tarea al mismo tiempo.

   En la programación concurrente existen dos unidades básicas de ejecución: procesos e hilos. En el lenguaje de programación Java la programación concurrente se basa principalmente en hilos (threads) aunque estos están estrechamente relacionados con los procesos.

    Los detalles y aspectos relacionados con los procesos gestionados por un sistema operativo quedan fuera de los alcances de este blog; sin embargo, es preciso que el lector tenga al menos una idea general de los aspectos inherentes relacionados con los procesos, razón por la cual se esbozarán algunos conceptos.

   Un proceso es una instancia en ejecución de un programa. En este sentido, un proceso es un entorno de ejecución autocontenido y habitualmente tiene un conjunto de recursos completos, privados, básicos y fundamentales relacionados con su ejecución; así, cada proceso tiene además su propio espacio de memoria.

   Los hilos son también llamados procesos ligeros. Tanto los hilos como los procesos proveen un entorno de ejecución sin embargo, la creación de un nuevo hilo requiere en lo general de menos recursos que la creación de un nuevo proceso.

   Los hilos habitualmente existen dentro de un proceso. Cada proceso tiene al menos un hilo denominado hilo principal. Los hilos comparten los recursos asignados al proceso, tales como la memoria y los archivos asociados por ejemplo, lo cual los hace muy eficientes pero potencialmente problemáticos.

   Desde el punto de vista de los programadores de aplicaciones Java, todo inicia con un solo hilo: main, y este hilo tiene la capacidad de crear nuevos hilos y a partir de ahí generar una programación concurrente a través de dichos hilos.

   Cada hilo en Java está asociado con una instancia de la clase Thread por lo que se recomienda ampliamente al lector revisar la especificación de dicha clase en el API y todo el apartado relacionado con la concurrencia de los tutoriales de Java.

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