Exception-Hierarchie unter Java

Java nutzt, wie viele andere Sprachen, Exceptions zur Fehlersignalisierung und Fehlerbehandlung. Folgender Code würde hierbei dem Anschein nach alle Exceptions fangen:

try {
  // Do something wrong
} catch(Exception e) {
  // Gotta Catch 'Em All
}

An dieser Stelle trügt der Schein nicht. Allerdings werden nur einige Fehlerklassen gefangen, nämlich nur solche vom Typ Exception. Die Hierarchie der Fehlerklassen ist unter Java ein wenig differenzierter. In Java erbt jede Klasse implizit von der Klasse Object und so erbt auch die Klasse Throwable von dieser und implementiert das Interface Serializable.

Die Hierarchie der Klassen, welche für Fehlersignalisierung zuständig sind

Von der Klasse Throwable wiederum erben die Klassen Error und Exception. Fehler vom Typ Error stellen laut Definition immer Fehler innerhalb der JVM da, während Exceptions gewöhnliche Fehler des Programmes bzw. des Entwicklers sind. Sollen nun alle Fehlerklassen gefangen werden, so müsste der Quellcode wie folgt aussehen:

try {
  // Do something wrong
} catch(Throwable t) {
  // Gotta Catch 'Em All
}

Das Beispiel sollte nur als solches betrachtet werden, da es sich immer empfiehlt spezielle Fehler zu fangen und zu behandeln. Ein solch allgemeiner Fehlerhandler eignet sich nur für Spezialfälle wie z.B. das Logging nicht behandelter Fehler. Die Hierarchie verästelt sich anschließend noch weiter, so erben unterschiedlichste Klassen von der Klasse Error. Bei der Klasse Exception sieht dies ähnlich aus, allerdings existiert hier eine Besonderheit, die Klasse RuntimeException. Normalerweise muss eine Methode Exceptions, die sie wirft im Methodenkopf bekannt geben, wenn sie nicht in der Methode behandelt werden:

public static void example() throws Exception {
  throw new Exception();
}

Bei Klassen die von der Klasse RuntimeException erben muss diese Bekanntmachung im Methodenkopf nicht erfolgen. Sie werden trotzdem nach oben durchgereicht bis sie gefangen werden oder sich das Programm beendet, wenn die Behandlung der Exception nicht durchgeführt wurde.

jMonkeyEngine

Mit libGDX hatte ich vor einem Jahr bereits eine Game Engine für Java vorgestellt. Daneben existieren natürlich noch weitere Game Engines. Eine dieser Engines ist die jMonkeyEngine, welche seit 2003 entwickelt wird. Technisch basiert der SDK-Editor auf NetBeans-Plattform. Die Engine selbst nutzt OpenGL für die Darstellung der Grafik und verfügt über unterschiedlichste Features wie die Unterstützung für Beleuchtung, die Nutzung von Shadern, eine Reihe von Filtern und Effekten und eine Physikunterstützung. Daneben werden auch andere Dinge wie die Eingabe des Nutzers von der Engine abstrahiert.

Das jMonkeyEngine SDK

Lizenziert ist jMonkeyEngine unter der BSD-Lizenz und damit freie Software. Der Quelltext kann über GitHub bezogen werden. Die offizielle Seite des Projektes ist unter jmonkeyengine.org zu finden.

Probleme bei der Testausführung unter IntelliJ IDEA

Bei der Ausführung bestimmer Testfälle mittels JUnit kann es unter IntelliJ IDEA zu folgender Fehlermeldung kommen:

Error running ‘ConverterTest’: Command line is too long. Shorten command line for ConverterTestor also for JUnit default configuration.

Hintergrund für diesen Fehler ist das Problem, das die Kommandozeile zur Ausführung des Tests zu lang wird. Dies kann durch Beschränkungen des Betriebssystems passiere. IntelliJ IDEA versucht nun die Kommandozeile zu kürzen, um eine Ausführung zu ermöglichen.

Über die Konfiguration kann der Fehler behoben werden

Behoben werden kann das Problem über die Konfiguration des Testes. Dazu sollte der Run/Debug Configuration-Dialog geöffnet werden. Dort sollte im Tab Configuration unter dem Punkt Shorten command line der Punkt JAR manifest ausgewählt werden. Anschließend sollte der Test ohne Probleme durchgeführt werden können.

Terminal-Bibliothek für Java

Für ein kleines Projekt wollte ich eine Visualisierung in der Konsole bzw. im Terminal unter Java realisieren. Das Problem ist das bei der Visualisierung, je nach verwendetem Terminal, bestimmte Operationen nicht verfügbar sind. Dies fängt schon beim Löschen des Bildschirmes an. Je nach Art des Terminals bzw. Betriebssystem kann es hier unterschiedliche Ansätze geben, um dieses Problem zu lösen. Abhilfe bei diesen Problemen schafft die Bibliothek Lanterna.

Lanterna in Aktion

Laterna liefert die Möglichkeit Text-Schnittstellen und GUIs zu bauen, unabhängig vom verwendeten Terminal. Damit ähnelt sie der C-Bibliothek ncurses. Die Bibliothek ist in der Lage festzustellen, auf welcher Art Terminal sie läuft und kann somit die Ausgabe entsprechend anpassen. So werden z.B. Unix-Steuercodes genutzt, wenn das Terminal diese unterstützt. Nach der Einbindung per Maven:

<dependency>
    <groupId>com.googlecode.lanterna</groupId>
    <artifactId>lanterna</artifactId>
    <version>3.0.1</version>
</dependency>

kann die Nutzung der Bibliothek beginnen. Im ersten Schritt sollte eine Instanz der Klasse Terminal angelegt werden:

Terminal terminal = new DefaultTerminalFactory().createTerminal();

Dies übernimmt die DefaultTerminalFactory. Sie sorgt dafür, dass das passende Terminal ausgewählt wird. Nun können Zeichen auf das Terminal geschrieben werden:

terminal.clearScreen();
terminal.putCharacter('a');

Hier wird das Terminal erst bereinigt und anschließend das Zeichen a auf das Terminal geschrieben. Neben der direkten Arbeit mit dem Terminal, liefert Lanterna eine Abstraktionsschicht namens Screen mit, mit welcher das Terminal wie ein pixelbasiertes Gerät angesprochen werden kann. Neben der Ausgabe beherrscht die Bibliothek die Eingabe. Mittels:

KeyStroke keyStroke = terminal.pollInput();

wird die aktuelle gedrückte Taste abgefragt. Diese Methode arbeitet nicht-blockierend. Für den Fall das eine blockierende Methode benötigt wird, eignet sich die Methode:

KeyStroke keyStroke = terminal.readInput();

Damit lassen sich mithilfe der Bibliothek komplexe Anwendungen auf dem Terminal umsetzen. Wenn die Anwendung beendet werden soll, muss das Terminal mittels:

terminal.close();

geschlossen werden. Der Quelltext der Bibliothek ist auf GitHub zu finden. Er ist unter der LGPL lizenziert und damit freie Software.

MQTT – eine Einführung

Wer Daten von A nach B übermitteln möchte, hat unzählige Möglichkeiten dies zu tun. Je nach Anforderung und Anwendungsfall sieht die ideale Möglichkeit der Datenübermittlung anders aus. Für die Kommunikation zwischen Sensoren und im IoT-Bereich hat das Protokoll MQTT den Standard gesetzt. Immer dort wo verteilte Systeme miteinander kommunizieren müssen, eignet sich MQTT. MQTT steht für Message Queue Telemetry Transport und ist architektonisch relativ einfach aufgebaut. MQTT ist Nachrichten-orientiert und zentralisiert.

Die MQTT-Architektur

Für MQTT wird ein Broker benötigt, die zentrale Instanz an welche alle Clients ihre Nachrichten senden und sie von diesem Broker empfangen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, das sich die Clients untereinander nicht kennen. Die gesamte Kommunikation läuft über dem Broker ab. Die Nachrichten werden nicht einfach wahllos an den Broker geschickt, sondern an ein sogenanntes Topic, ein Thema z.B. bad/lichtsensor1. Diese Topics sind hierarchisch aufgebaut und werden wie ein Pfad, mit einem Slash als Trennzeichen, definiert. Die Topics können von anderen Clients abonniert werden, so das diese bei einer neuen Nachricht betreffend des Topics informiert werden. Durch den hierarchischen Aufbau ist es möglich alle Topics einer bestimmten Hierarchieebene zu abonnieren. So würde der Topic:

bad/#

alle Untertopics von bad abonnieren. Eine weitere Möglichkeit ist es an einer bestimmten Stelle im Pfad das Sonderzeichen Plus zu benutzen:

+/lautsprecher/

In diesem Beispiel würden alle Lautsprecher aller Zimmer abonniert, so wären bad/lautsprecher als auch wohnzimmer/lautsprecher abgedeckt.

Nach der Verbindung mit einer CONNECT-Nachricht antwortet der Broker mit einer CONNACK-Nachricht. Damit ist die Verbindung etabliert. Der Client abonniert in dem Beispiel (siehe Bild) den Topic bad/lichtsensor1. Nun kann der Broker den Client über Nachrichten dieses Topic betreffend informieren. Wenn eine solche Nachricht eingeht, reagiert der Client, indem er auf dem Topic bad/lautsprecher die Nachricht bzw. den Wert on hinterlässt. Soll die Verbindung später wieder beendet werden, so wird eine DISCONNECT-Nachricht gesendet.

Die Kommunikation zwischen Client und Broker

Wenn ein Client keine aktive Verbindung zum Broker hat und eine neue Nachricht auf einem Topic aufläuft, auf welches der Client ein Abonnement hält, so verpasst er diese Nachricht. Anders sieht es aus, wenn der Sender beim Senden der Nachricht das sogenannte Retain-Flag für die Nachricht gesetzt hat. In diesem Fall stellt der Broker die Nachricht später noch zu.

Für den Fall, das die Verbindung vom Client nicht beendet wird bzw. beendet werden kann, existiert in MQTT ein sogenanntes Testament. So kann es bei Sensoren, die über Batterien gespeist sind durchaus vorkommen, dass die Verbindung plötzlich abbricht. Deshalb kann ein Client ein Testament, eine Nachricht auf ein Topic, hinterlegen, welche im Falle des Verbindungsabbruches vom Broker über das Topic versendet wird.

In der Praxis existieren zwei Versionen von MQTT: MQTT 3 welches die größte Basis besitzt und MQTT 5, welches mit einigen Neuerungen aufwarten kann, um das Protokoll fit für die Zukunft zu machen. Spezifiziert wird MQTT von OASIS, der Organization for the Advancement of Structured Information Standards. Die größten Unterschiede zwischen der letzten 3er-Version 3.1.1 und 5 sind Shared Subscriptions, welche Load Balancing auf Clientseite erlauben, Negative Acks eine Art Statuscodes ähnlich den HTTP-Statuscodes und User Properties, bei denen es sich um die Entsprechung zu den HTTP-Headern handelt. Diese können unter anderem für Metadaten genutzt werden. Ergeben haben sich diese Neuerungen hauptsächlich durch die Rückmeldungen aus der Community über die letzten Jahre.

Das OSI-Modell

Technisch basiert das MQTT-Protokoll auf TCP/IP. Dabei werde die Ports 1883 und 8883 genutzt. Der erste Port ist für die unverschlüsselte, der zweite Port für die verschlüsselte Kommunikation reserviert. Im OSI-Schichtenmodell befindet sich MQTT, wie HTTP auf dem Application Layer (OSI Layer 7). Im Gegensatz zu HTTP ist MQTT bleibt die Verbindung bei MQTT auch bestehen, wenn keine Daten übertragen werden.

Gestartet wird die Kommunikation des Clients mit einer CONNECT-Nachricht, woraufhin der Broker das Ganze mit einer CONNACK-Nachricht bestätigt. Nun kann der Client Topics abonnieren und Informationen zu einem Topic senden (PUBLISH).

MQTT beherrscht drei verschiedene Stufen des Quality of Service (QoS). Stufe 0 ist vom Modell her Fire-and-Forgot; die Nachricht wird einmal versendet und danach vom Broker vergessen. Ob sie ankommt, ist auf dieser QoS-Stufe nicht relevant. Bei Stufe 1 garantiert der Broker das die Nachricht mindestens einmal zugestellt wird, sie kann aber durchaus auch mehrfach bei den Clients ankommen. Stufe 2 hingegen garantiert, dass die Nachricht exakt einmal ankommt. Offiziell sind die QoS-Stufen wie folgt benannt:

At most once (0)
At least once (1)
Exactly once (2)

Je nach gewählter QoS-Stufe kommt es zu vermehrter Kommunikation über das MQTT-Protokoll. Bei Stufe 1 würde die Gegenstelle nach einer PUBLISH-Nachricht mit einer PUBACK-Nachricht antworten. Ohne eine solche Nachricht wird bei Stufe 1 der Sendevorgang so lange wiederholt, bis er von der Gegenseite bestätigt wurde. Deshalb ist nicht sichergestellt das die Nachricht nur einmal ankommt.

Wenn dies nicht gewünscht ist, kann stattdessen die QoS-Stufe 2 genutzt werden. Hier wird in der PUBLISH-Nachricht vom Sender eine ID mitgegeben. Nach dem Empfang wird die Nachricht gespeichert, aber noch nicht verarbeitet. Der Empfänger sendet eine PUBREC-Nachricht mit der ID an den Sender. Erhält der Sender diese Nachricht, sendet er eine Release-Nachricht (PUBREL), an den Empfänger. Als letzte Aktion sendet Empfänger ein PUBCOMP-Nachricht an den Sender und verarbeitet anschließend die Nachricht. Der Sender löscht beim Empfang der PUBCOMP-Nachricht die Nachricht.

Hintergrund für die unterschiedlichen Qualitätsstufen ist der Ressourcenverbrauch; je niedriger die QoS-Stufe um so weniger Ressourcen wie Zeit, Speicher und CPU, werden benötigt, um die Nachricht zu verarbeiten.

An Brokern und Client-Bibliotheken mangelt es MQTT nicht. Zu den bekanntesten Brokern gehören Mosquitto, HiveMQ und VerneMQ. Im Produktivbetrieb muss auf eine Absicherung der Topics geachtet werden. So ist es je nach Broker möglich das diese eine Authentifizierung der Clients verlangen und erst dann den Zugriff auf die Topics erlauben. Client-Bibliotheken für MQTT gibt es wie Sand am Meer, für unterschiedlichste Systeme wie Arduino, C, Java, .NET, Go und viele weitere Sprachen und Frameworks.

MQTTBox unter macOS

Daneben existieren grafische Client, welche die Nachrichten auf dem Broker anzeigen und die Interaktion mit einem Broker ermöglichen. Zu diesen Clients gehören unter anderem MQTT.fx, mqtt-spy und MQTTBox.