23.1 Grundlagen und Begriffe

• 23.1 Grundlagen und Begriffe

Kaum eine wichtige Programmiersprache vor Java hat das Konzept der Nebenläufigkeit direkt mit Mitteln der Sprache implementiert. Mit Nebenläufigkeit bezeichnet man die Fähigkeit eines Systems, zwei oder mehr Vorgänge gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig ausführen zu können. Lediglich ADA stellt sowohl parallele Prozesse als auch Mechanismen zur Kommunikation und Synchronisation zur Verfügung, die direkt in die Sprache eingebettet sind. Durch Weiterentwicklungen im Bereich der Betriebssystemtechnologie wurde allerdings das Konzept der Threads immer populärer und auf der Basis von Library-Routinen auch konventionellen Programmiersprachen zur Verfügung gestellt.

Java hat Threads direkt in die Sprache integriert und mit den erforderlichen Hilfsmitteln als Konstrukt zur Realisierung der Nebenläufigkeit implementiert. Ein Thread ist ein eigenständiges Programmfragment, das parallel zu anderen Threads laufen kann. Ein Thread ähnelt damit einem Prozess, arbeitet aber auf einer feineren Ebene. Während ein Prozess das Instrument zur Ausführung eines kompletten Programms ist, können innerhalb dieses Prozesses mehrere Threads parallel laufen. Der Laufzeit-Overhead zur Erzeugung und Verwaltung eines Threads ist relativ gering und kann in den meisten Programmen vernachlässigt werden. Ein wichtiger Unterschied zwischen Threads und Prozessen ist der, dass alle Threads eines Programms sich einen gemeinsamen Adressraum teilen, also auf dieselben Variablen zugreifen, während die Adressräume unterschiedlicher Prozesse streng voneinander getrennt sind.

Die Implementierung von Threads war eine explizite Anforderung an das Design der Sprache. Threads sollen unter anderem die Implementierung grafischer Anwendungen erleichtern, die durch Simulationen komplexer Abläufe oft inhärent nebenläufig sind. Threads können auch dazu verwendet werden, die Bedienbarkeit von Dialoganwendungen zu verbessern, indem rechenintensive Anwendungen im Hintergrund ablaufen.

Threads werden in Java durch die Klasse Thread und das Interface Runnable implementiert. In beiden Fällen wird der Thread-Body, also der parallel auszuführende Code, in Form der überlagerten Methode run zur Verfügung gestellt. Die Kommunikation kann dann durch Zugriff auf die Instanz- oder Klassenvariablen oder durch Aufruf beliebiger Methoden, die innerhalb von run sichtbar sind, erfolgen. Zur Synchronisation stellt Java das aus der Betriebssystemtheorie bekannte Konzept des Monitors zur Verfügung, das es erlaubt, kritische Abschnitte innerhalb korrekt geklammerter Programmfragmente und Methoden zu kapseln und so den Zugriff auf gemeinsam benutzte Datenstrukturen zu koordinieren.

Darüber hinaus bietet Java Funktionen zur Verwaltung von Threads. Diese erlauben es, Threads in Gruppen zusammenzufassen, zu priorisieren und Informationen über Eigenschaften von Threads zu gewinnen. Das Scheduling kann dabei wahlweise unterbrechend oder nichtunterbrechend implementiert sein. Die Sprachspezifikation legt dies nicht endgültig fest, aber in den meisten Java-Implementierungen wird dies von den Möglichkeiten des darunter liegenden Betriebssystems abhängen.