Nebenläufige Programmierung

1. Nebenläufige Programmierung Mina Nikolova

2. Übersicht • Was ist Nebenläufigkeit? • Anwendungen • Grundlegende Begriffe • Problemme • Mechanismen zur Synchronisation • Programmiersprachen • CML • Alice • Java

3. Einführung • Grosse Systemen fordern Nebenläufigkeit • Mehrere Folgen von Aktionen werden gleichzeitig ausgeführt • Prozess – sequentielle Ausführung von Aktionen • Thread – „light-weight“ Prozess

4. Nebenläufigkeit • Multi-Programmierung • Ein Prozessor führt mehrere Prozesse parallel aus • Ein Prozess wird sequentiell ausgeführt • Teile eines Pozesses werden zw. Abschnitten anderer Prozesse ausgeführt • Multiprozessor-Programmierung • Zwei oder mehrere Prozessoren teilen gemeinsamen Speicher oder sind in einem Netzwerk verbunden • Prozesse, die auf den verschiedenen Prozessoren ausgeführt werden, können miteinander kommunizieren

5. Anwendungen • Ein Programm arbeitet während ein anderes Programm auf ein Ereignis wartet • Window Systeme zeigen parallel verschiedene Fenster auf dem Display • Prozesse auf verschiedenen Prozessoren können zusammenarbeiten und Probleme lösen • Ein Prozessor kann weiterarbeiten,falls ein anderer Prozessor abstürtzt

6. Grundlegende Begriffe • Kommunikation • gemeinsam benutzte Variablen, Datenstrukturen, Dateien • Nachrichtenaustausch durch Kommunikationskanäle • Kooperation - veranlaßt einen Prozess auf einen anderen zu warten oder signalisiert einem Prozess weiterzuarbeiten • Atomarität – atomare Aktion darf nicht während ihrer Ausführung unterbrochen werden

7. Grundlegende Begriffe (cont.) • Kritischer Abschnitt – Abschnitt eines Programms, der lesend oder schreibend gemeinsame Daten verarbeitet • procedure sign_up(person) • begin • number := number + 1; • list[number] := person; • end; • cobegin • sign_up(fred); • sign_up(bill); • coend; kritischer Abschnitt cobegin\coend – Aktionen in diesem Block werden nebenläufig ausgeführt

8. Probleme • Nichtdeterminismus • ein Programm produziert verschiedene Ausgaben mit derselben Eingabe • Schwer zu testen • viele mögliche Ausführungen eines Programms • nur selten auftretende Fehler • Deadlock - ein Prozess kann wegen des Zustandes eines anderen Prozesses nicht mehr arbeiten

9. Mechanismen zur Synchronisation • Semaphore(Edsger W. Dijkstra,1968) • schützt gemeinsame Daten.Jeder Prozess benutzt folgende Prozeduren, damit er die Daten benutzen darf : • wait Prozedur auf Semaphore s • Prozess darf entweder den kA betreten oder wird unterbrochen und in einer Warteschlange eingeordnet • signal Prozedur auf Semaphore s • Prozess verläßt den kA und erlaubt Prozesse aus der Warteschlange den kA zu betreten • Locks • Prozess testet eine Lock Variable und wartet, wenn sie gesetzt ist, oder betritt den kA

10. Mechanismen zur Synchronisation(cont) • Monitore (Brinch-Hansen, Dahl, Dijkstra, Hoare) • ähneln abstraktem Datentyp, dessen Operationen die Synchronisation sicherstellen • private Daten • Menge von Prozeduren . . . Eingangswarteschlange P3 P2 P1 MONITOR aktiver Prozess ruft Prozeduren des Monitors auf

11. Anforderungen an einer Programmiersprache • Kontrollstrukturen • Threads • Kommunikationsabstraktionen • synchronisierte Kommunikation • gepufferte, asynchrone Kommunikationskanäle, die die Nachrichtenreihenfolge behalten • gegenseitiger Ausschluß – nur ein Prozess darf sich zum Zeitpunkt im kA befinden

12. Programmiersprachen • CML • Alice • Java • Erlang • MPD • ADA • Actors • Concurrent Pascal • Cobegin/coend

13. Concurrent ML(Reppy, Gansner) • Threads • CML Prozesse • Programm besteht zuerst aus einem Thread • spawn : (unit unit) thread_id • Kommunikation zw. Threads • Kommunikationskanäle • synchron, geordnet, ungepuffert • channel : unit ´a chan channel() kreiert einen Kanal, der mit Werten vom Typ ´a kommuniziert

14. Concurrent ML (cont) • Operationen auf Kanälen • send : (´a chan * ´a) unit • receive : ´a chan ´a c = channel(); Beispiel: • spawn (fn()=> … <A> … send(c,3); … <B> …); • spawn (fn()=> … <C> … recv c; … <D> …); <A> <B> Ergebnis send/receive <C> <D>

15. Concurrent ML (cont) • Events • mächtiges Konzept für Nebenläufigkeit • verzögerte Aktionen, die der Synchronisation dienen • ´a event : Typ einer Aktion, die einen Wert vom Typ ´a liefert, wenn sie ausgeführt wird • sync : ´a event´a - synchronisieren auf einem Event recvEvt : ´a chan ´a event - receive Event fun receive(ch) = sync (recvEvent (ch)); Ein Thread empfängt Werte von einem Kanal durch Synchronisierung auf einem receive Event für diesen Kanal Bsp.:

16. Concurrent ML (cont) • Synchronisierter gemeinsamer Speicher • Konzept für koordinierte Zuweisungen von gemeinsam benutzten Speicherzellen • Sp Zelle ist anfangs leer Wenn die Zelle schon voll ist, darf ihr kein Thread Werte zuweisen.Wenn sie leer ist,darf nicht mehr gelesen werden leer put 4 voll take 4

17. Alice • Threads • mehrere Threads können nebenläufig laufen • werden durch spawn kreiert • Future • kommt als Resultat des spawn Ausdrucks • ist ein Platzhalter für das Ergebnis der nebenläufigen Berechnung • wird später durch das fertige Resultat ersetzt fun fib (0 | 1) = 1 | fib n = fib (n-1) + fib (n-2) val n = spawn fib 35 val n : int = _future Future n wird als Resultat zurückgegeben Zuerst wird _future auf dem Display gezeigt Wenn das Ergebnis fertig ist, wird _future ersetzt inspect n val it : unit = ()

18. Alice (cont) • Data-flow Synchronisation • mächtiger Mechanismus für nebenläufige Programmierung • Futures werden als Werte übergeben • Der Thread, der den Wert der Future fordert, wird blockiert, bis das Ergebnis die Future ersetzt • Wenn eine nebenläufige Berechnung eine Exception produziert, „fails“ die Future und wenn sie angefordert wird, liefert die die Exception

19. Java • Threads • Objekte der Klasse Thread • start : ertsellt einen neuen Thread durch Ausführung der run Methode von JVM • interrupt : suspendiert einen Thread und wirfft in ihm eine Exception • Kommunikation zw. Threads • Zuweisen\Lesen gemeinsamer Variablen • Aufrufen von Methoden von gem. Objekten

20. Java (cont) • Synchronisation • Locks • sichern den gegenseitigen Ausschluß bei Nutzung eines Objektes • Objekte können synchronisierte Methoden haben • Beim Aufruf einer synchronisierten Methode eines Objekts : Der Thread tested das Lock des Objekts, setzt es und führt die Statements aus synchronized (object) { statements } Wenn das Lock schon gesetzt ist, muss er warten bis es wieder verfügbar ist

21. Java (cont) • Wait set • eine Form von Semaphore für jedes Objekt wait - Thread suspendiert sich notify - Thread „weckt“ anderen Thread notifyAll - „weckt“ alle Threads vom wait set • Thread termination • join - Methode, die einen Thread darauf warten läßt, daß ein anderer Prozess terminiert,damit der Thread z.B. die Ergebnisse vom Prozess nutzen kann benutzen das Wait set eines Objekts zur Synchronisation

22. Java (cont) • Synchronisierte Methoden , Beispiel (Lea) class LinkedCell { // Lisp-style cons cell containing protected double value; // value and link to next cell protected LinkedCell next; public LinkedCell (double v, LinkedCell t) { value = v; next = t; } public synchronized double getValue() { return value; } public synchronized void setValue(double v) { value = v; // assignment not atomic } public LinkedCell next() { // no synch needed return next; }

23. Zusammenfassung • Nebenläufigkeit • wichtiges Konzept in der Informatik • schwer und aufwendig korrekt zu benutzen • CML • Threads, Events • Alice • Futures, Data-flow Synchronisation • Java • Threads,Synchronisation

24. Literaturhinweisen • Mitchell, Concepts in Programming Languages, Cambridge University Press 2003 • The Alice Team, The Alice System, Online Manual, 2003 • Gert Smolka, Concurrent Constraint Programming Based on Functional Programming. Programming Languages and Systems 1-11, 1998