Java – Nicht blockierende Konsolen-Eingabe mit BufferReader

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Es ist schon erstaunlich, da sitze ich am ersten richtigen Tutorial / Artikel für meinen Entwicklerblog und möchte euch auf einfache Art und Weise etwas über Determinismus in einem Spiele-Mail-Loop erzählen, da hält mich doch Tatsächlich die Eingabe eines beliebigen Zeichens von der Tastatur eine Stunde lang auf. Man möchte meinen, dass in Zeiten von Touchscreens, Gestenerkennung und den ersten Schritten in der mentalen Steuerung von Programmen, eine simple Tastatureingabe in der Kommandozeile, keine zwei Zeilen Quellcode erfordert.

Weit gefehlt… Und somit ist mein erster richtiger Artikel dieser hier geworden. Das ist einerseits auch nicht verkehrt, andererseits auch nötig, damit im zweiten Artikel zum Thema „Prinzipien einer deterministischen Spiele-Main-Loops“ jeder versteht, wie die Tastatureingabe realisiert wurde. Also los!

Da ich den Quellcode für den Artikel mit Java schreibe (da ich z.Z. für Android programmiere – woraus auch die Ideen für die nachfolgenden Blog-Einträge stammen – liegt es nahe Java zu benutzen), habe ich nach einer einfachen Art gesucht Zeichen von der Tastatur auszulesen. Die Java-Klasse „BufferReader“ gibt hierfür eine sehr einfache Art der Eingabe von Strings vor.

Das Problem: Das Auslesen der Keyboard-Eingabe mit readLine() ist blockierend, sprich: Sobald das readLine() ausgeführt wird, verharrt das Programm in dieser Methode bis man auf der Tastatur die eingegebene Zeile mit Enter abschließt. Erst dann kehrt der Programmzeiger zurück und der Quellcode unterhalb von readLine() wird ausgeführt.

Die Motivation: Diese Art der Ausführung ist nicht gerade vorteilhaft, wenn man z.B. einen Game-Main-Loop programmieren möchte, wie ich es für den nächsten Artikel vorhabe. So ein Game-Main-Loop soll ja möglichst schnell und ohne Unterbrechungen immer wieder durchlaufen. Wenn ihr ein z.B. einen Shooter spielt, wollt ihr ja schließlich auch nicht, dass sich eure Figur, die Gegner, die zerstörbaren Objekte etc. erst dann um einen kleinen Schritt verändern / bewegen, wenn ihr auf die Enter-Taste drückt. Dass soll jetzt nur ein Beispiel sein, man könnte das noch auf vieles andere übertragen. Der Kern der Aussage ist jedoch, dass es unvorteilhaft ist, wenn das Programm augenscheinlich stehen bleibt und sich solange nichts mehr tut, bis man Enter betätigt hat.

Die Lösung: Ich habe mich im Internet umgeschaut und habe auf eine ein bis zwei Zeilen lange Lösung gehofft. Leider waren fast alle brauchbaren Lösungen auf Server-Klient-Applikationen beschränkt und es wurde geraten einfach den Socket zu schließen um aus readLine() raus zu kommen. Total nutzlos für mein Vorhaben, weil mein deterministischer Game Loop keine Sockets braucht! 😉
Also habe ich, entgegen meiner vorhergehenden Planung im ersten Game-Mail-Loop Artikel diese Technik nicht anwenden zu wollen, die Sache mit Threads gelöst.

Kontrekt heißt das, dass ich den BufferReader in eine eigene Klasse ausgelagert habe, welche von der Thread-Klasse erbt und readLine() in der run() Methode aufruft:

Diese Klasse enthält fast alles, was man braucht um im Hauptprogrammteil die Tastatureingabe auslesen zu können, ohne dass dort auf die Rückkehr aus readLine() gewartet werden muss.

Die Klasse erweitert die / erbt von der Thread-Klasse. Man könnte auch einfach das Runnable-Interface implementieren, doch dann erfordert das starten des Threads mehr Aufwand. Ich persönlich mag das erben von der Thread-Klasse lieber.

In beiden Fällen muss die run() Methode überschrieben / implementiert werden. Diese Methode wird beim Start des Threads ein Mal ausgeführt und der Thread danach ad acta gelegt. Damit das hier nicht passiert, weil wir ja dauerhaft unsere Keyboard-Eingabe abgreifen wollen, läuft in der run() Methode eine Endlosschleife. Im Quellcode habe ich im Kommentar geschrieben, dass es sich um eine Pseudo-Endlosschleife handelt. Das liegt daran, dass sie sehr wohl irgendwann aufhört, im Idealfall wenn die boolsche Variable „running“ auf false gesetzt wird (oder euer Rechner abschmiert, ihr die Java-VM tötet etc. – das ist aber nicht der Idealfall).
Diese running-Variable wird jetzt noch nicht verändert, aber dazu kommen wir noch.

Die Nutzung dieser Klasse sieht z.B. so aus:

Diese Nutzung ist natürlich nur ein Beispiel, wie die Klasse bzw. in welcher Reihenfolge die Methoden der Klasse zu nutzen sind. Im Praxiseinsatz würde die Main-Methode da druchrasen und das Programm wäre schneller beendet als ihr gucken könnt.

… beendet? Na ja, nicht ganz…

Obwohl die Main-Methode nach der Konsolenausgabe beendet ist, so läuft der Thread der NonBlockingBufferReader-Klasse noch munter weiter.

Um den Herr zu werden reicht es leider nicht aus einfach die running-Variable auf false zu setzen. Sobald der Programmzeiger die readLine() Methode erreicht hat, verschwindet er darin und wartet auf die nächste Zeileneingabe. Somit stimmt es nicht ganz, dass der Thread „munter weiter“-läuft. Er hängt wieder in readLine() fest. Das ist solange nicht schlimm, wie das Hauptprogramm irgendwas macht, weil sobald man etwas auf der Tastatur eingibt und Enter drückt, wird ja die input-Variable befüllt und kann vom Hauptprogramm wie oben gezeigt ausgelesen werden. Wenn aber das Hauptprogramm schon längst durch ist, verschlingt der Thread nur Resourcen und man hat ein super Leck geschaffen.
Die running-Variable hilft euch also nur, wenn der Programmzeiger gerade aus der readLine() Methode zurückkehrt und ihr genau jetzt über eine externe Methode die Variable ändert, bevor die while-Schleifenbedingung evaluiert wird.
Das ist allerdings ein Glücksspiel und absolut an der Praxis vorbei.

Das andere Problem: Die genutzte BufferReader-Klasse hat keine Methode, welche readLine() vorzeitig abbrechen lässt. Zwar gibt es die „close()“ Methode, doch diese beendet die Ausführung nicht. Man muss also mindestens noch ein Mal etwas eingeben, damit readLine() zurückkehrt. Dann gibts aber eine unschöne Exception und das kann nicht das Ziel eines sauberen Programms sein.

Meine Lösung sieht deshalb so aus:

Im Grunde ist das die erste Implementierung von oben. Die wesentlichen Änderungen sind hier das Einführen einer neuen Variable „interruptKey“.

Diese Variable hält eine Zeichenkette (Eingabezeile) welche von der Tastatur durch readLine() eingelesen wird. Nachdem readLine() die Tastatureingabe gelesen hat, wird die Eingabe mit der interruptKey-Variable verglichen. Sind beide gleich, so werden zum einen alle Resourcen des BufferReaders durch close() befreit (zu dem Zeitpunkt wird readLine() ja nicht ausgeführt!) und die running-Variable auf false gestellt.

Beim nächsten Durchlauf der While-Schleifenbedingung evaluiert running zu false und die Schleife bricht ab. Dadurch verfängt sich nichts mehr in readLine() und die run() Methode erreicht ihr Ende kurz nachdem auf der Konsole die Nachricht ausgegeben wird:

## Closing NonBlockingReader! ##

Somit führen wir den Thread zu einem sauberen Ableben.

Die Nutzung der NonBlockingBufferReader-Klasse hat sich dadurch natürlich auch etwas geändert:

Hierbei ändert sich nur der Konstruktoraufruf, indem er um einen Parameter erweitert wird. Dieser Parameter ist die Zeichenkette, welche bei Eingabe auf dem Keyboard zum beenden des Threads führt.

Ich hoffe mein erster Artikel auf meinem Blog hat euch gefallen und vielleicht auch genützt.
Natürlich gibt es unzählige andere Varianten den BufferReader von seinen „Blockaden“ zu befreien bzw. ganz andere Klassen in Java mit denen man das bewerkstelligen kann (NIO z.B.).
Ich habe mich aber für den nächsten Artikel dafür entschieden. Ihr werdet merken, dass die Eingabe an sich keine große Rolle spielen wird, denn sie dient nur der Steuerung einiger Programmteile und wird deshalb nicht nochmal behandelt.

Über Kritik und Anregungen, sowie Korrekturen wäre ich sehr erfreut.
Nutzt dazu doch die Kommentarfunktion! 😉
Bei Fragen werde ich versuchen euch mit Rat weiter zu helfen.

Bis zum nächsten Post…

Über Martin Majewski

Arbeitet am Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung in Darmstadt im Bereich intelligente Umgebungen. Themenschwerpunkte sind kapazitive Sensoren zur berührungslosen und Marker-freien Mensch-Maschine-Interaktion. Studiert zudem als Teilzeitstudent Informatik im Master-Studiengang der TU Darmstadt, mit den Schwerpunkten Software Engineering und Human Computer Systems, sowie IT-Management als Anwendungsfach.

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