Nebenl

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Nebenläufige Programmierung

• Mina Nikolova

2
Übersicht

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

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Einführung

• Grosse Systemen fordern Nebenläufigkeit
• Mehrere Folgen von Aktionen werden gleichzeitig
  ausgeführt
• Prozess sequentielle Ausführung von Aktionen
• Thread light-weight Prozess

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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

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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

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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

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Grundlegende Begriffe (cont.)

• Kritischer Abschnitt Abschnitt eines Programms,
  der lesend oder schreibend gemeinsame Daten
  verarbeitet

procedure sign_up(person) begin number
number 1 listnumber person end cobegi
n sign_up(fred) sign_up(bill) coend
kritischer Abschnitt
cobegin\coend Aktionen in diesem Block werden
nebenläufig ausgeführt
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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

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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

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Mechanismen zur Synchronisation(cont)

• Monitore (Brinch-Hansen, Dahl,
  Dijkstra, Hoare)
• ähneln abstraktem Datentyp, dessen Operationen
  die Synchronisation sicherstellen
• private Daten
• Menge von Prozeduren

. . .
Eingangswarteschlang
e
P3
P2
P1
MONITOR
aktiver Prozess ruft
Prozeduren des Monitors auf
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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

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Programmiersprachen

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

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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

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Concurrent ML (cont)

• Operationen auf Kanälen
• send (a chan a) unit
• receive a chan a
• c channel()

Beispiel
spawn (fn()gt ltAgt send(c,3) ltBgt )
spawn (fn()gt ltCgt recv c ltDgt )
ltAgt
ltBgt
Ergebnis
send/receive
ltCgt
ltDgt
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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.
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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
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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 ()
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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

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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

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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
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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
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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

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Zusammenfassung

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

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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