Kapitel 3: Parallelität und Synchronisation in Systemen

Parallele Systeme sind Rechensysteme, die mehrere Prozesse gleichzeitig ausführen können, um die Rechenleistung zu steigern. Sie werden verwendet, um den Anforderungen an Rechensysteme gerecht zu werden, die aufgrund von begrenzter Geschwindigkeitssteigerung von Einzelprozessoren immer weiter zunehmen.

Sequentielle Programme führen Rechenoperationen nacheinander aus. Der Programmablauf ist immer gleich für die gleichen Eingaben, d.h. das Programmverhalten ist determiniert.

Bei parallel ausgeführten Programmen kann es vorkommen, dass bei gleichen Eingaben unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Das Programmverhalten ist dann nicht determiniert. Dies kann passieren, da Prozesse um Ressourcen wie den Arbeitsspeicher konkurrieren und in einer nicht vorhersehbaren Reihenfolge darauf zugreifen.

Nebenläufigkeit beschreibt die zeitliche Verzahnung von Prozessen, bei der sie abwechselnd auf der gleichen CPU ausgeführt werden. Echt-Parallelität hingegen bedeutet, dass mehrere Prozesse gleichzeitig auf mehreren CPUs ausgeführt werden.

Echt-Parallelität erfordert mehrere CPUs, z.B. in Multi-Core- oder Multi-Prozessor-Systemen. Ein Ein-Prozessor-System kann jedoch dennoch parallele Abläufe aufweisen, z.B. beim gleichzeitigen Lesen von Daten von einer Festplatte und der Verarbeitung dieser Daten durch die CPU.

Ein Race Condition entsteht, wenn mehrere Prozesse gleichzeitig auf eine gemeinsame Ressource zugreifen, z.B. den Arbeitsspeicher. Der Zugriff kann zu ungeplanten Änderungen der Daten führen und zu falschen Ergebnissen führen.

Synchronisation von Prozessen ist notwendig, um den Zugriff mehrerer Prozesse auf gemeinsame Ressourcen zu regeln und unerwünschte Race Conditions zu vermeiden.

Deadlocks sind eine Art von Verklemmung, bei der mehrere Prozesse gegenseitig auf Ressourcen warten. Die Prozesse können nicht weiterarbeiten und blockieren sich gegenseitig.

Wenn unter gleichen Bedingungen und Eingaben immer das gleiche Ergebnis berechnet wird.

Die Ausführungsreihenfolge paralleler Ereignisse beeinflusst das Ergebnis nicht.

Nur maximal ein Prozess greift gleichzeitig auf die gemeinsame Ressource zu, um Konflikte zu vermeiden.

Kein Prozess kann in einen Zustand geraten, aus dem er nicht mehr weiterrechnen kann.

Prozesse werden nicht unendlich lange aus der Ausführung ausgeschlossen, obwohl kein Deadlock vorliegt.

Ein Abschnitt im Programm, in dem die Ausführung von Prozessen synchronisiert werden muss.

Sorgt dafür, dass mehrere Prozesse die gleiche Ressource abwechselnd nutzen und Konflikte vermeiden.

Prozesssynchronisation befasst sich mit der Steuerung des Zugriffs von mehreren Prozessen auf gemeinsame Ressourcen, um Datenkonsistenz zu gewährleisten.

Eine Unterbrechungssperre verhindert die Unterbrechung eines kritischen Abschnitts durch das Deaktivieren aller Interrupts. Dies ist eine Hardware-basierte Methode zur Synchronisierung.

Test-and-Set-Lock (TSL) ist ein spezieller Maschinenbefehl, der den Zugriff auf einen kritischen Abschnitt kontrolliert. Dies wird verwendet, um sicherzustellen, dass nur ein Prozess den kritischen Abschnitt betreten kann.

Aktives Warten bedeutet, dass ein Prozess aktiv auf die Freigabe des kritischen Abschnitts wartet, indem er wiederholt prüft, ob der Abschnitt verfügbar ist.

Passives Warten bedeutet, dass ein Prozess die Kontrolle an das Betriebssystem übergibt, während er auf die Freigabe des kritischen Abschnitts wartet.

Semaphoren sind ein allgemeines, abstraktes Konzept zur Synchronisierung von Prozessen. Sie werden zur Verwaltung des Zugriffs auf gemeinsame Ressourcen verwendet.

Voraussage des zukünftigen Systemzustands basierend auf den maximalen Ressourcenanforderungen jedes Prozesses und der Anzahl verfügbarer Ressourcen.

Eine Prognose des Systemzustands, bei der nach der Ressourcenverteilung mindestens ein Prozess alle benötigten Ressourcen besitzt, um ohne Wartezeit abzuschließen.

Eine Prognose des Systemzustands, bei der kein Prozess nach der Ressourcenverteilung über ausreichend Ressourcen verfügt, um ohne Wartezeit abzuschließen.

Die Bedingung, dass ein Prozess exklusiv auf eine Ressource zugreifen kann, kann durch einen Spooler aufgehoben werden. Der Spooler verwaltet den Zugriff für alle Prozesse.

Um die Bedingung 'Hold and Wait' zu vermeiden, muss ein Prozess alle benötigten Ressourcen vor der Ausführung anfordern. Dies verhindert, dass ein Prozess Ressourcen blockiert, während er weitere anfordert.

Deadlocks können verhindert werden, indem die Bedingungen, die zu Deadlocks führen, im Systemdesign berücksichtigt werden.

Die Strategie, Deadlocks durch die Kontrolle über Ressourcen und die Organisation ihrer Zuweisung zu vermeiden.

Die Operation down vermindert den Wert des Semaphores um 1. Falls der Wert 0 oder kleiner wird, wartet der aufrufende Prozess in der Warteschlange des Semaphores. Diese Operation ist atomar, d.h. sie wird ununterbrochen ausgeführt, um Race-Conditions zu vermeiden.

Die Operation up erhöht den Wert des Semaphores um 1. Falls es wartende Prozesse gibt, wird einer davon geweckt und darf den kritischen Abschnitt betreten. Diese Operation ist atomar, d.h. sie wird ununterbrochen ausgeführt.

Ein Mutex ist ein binärer Semaphor, der nur zwei Zustände annehmen kann: gesperrt (locked) oder entsperrt (unlocked). Er dient zur Implementierung des wechselseitigen Ausschlusses.

Die Implementierung des wechselseitigen Ausschlusses mit Hilfe von Semaphoren stellt sicher, dass nur maximal ein Prozess gleichzeitig in den kritischen Abschnitt eintreten darf. Dies wird durch die atomare Ausführung der down und up Operationen gewährleistet.

Verhungern beschreibt ein Szenario, wo ein Prozess unendlich lange in der Warteschlange verbleibt und nie den kritischen Abschnitt erreichen kann, obwohl kein Deadlock vorliegt. Das kann passieren, wenn Prozesse immer wieder von anderen Prozessen mit höherer Priorität aus der Warteschlange verdrängt werden.

Ein Prozess kann Ressourcen nur anfordern, wenn alle benötigten Ressourcen gleichzeitig verfügbar sind. Ressourcen können nicht dauerhaft belegt werden.

Um das Problem des zyklischen Wartens zu vermeiden, müssen Ressourcen in einer bestimmten Reihenfolge angefordert werden. Jede Ressource erhält eine Nummer, und eine Ressource kann nur dann beansprucht werden, wenn die Ressource mit der niedrigeren Nummer bereits belegt ist.

Virtualisierung ermöglicht es, eine Ressource für mehrere Prozesse zugänglich zu machen, indem sie in kleinere, unabhängige Einheiten aufgeteilt wird. Jeder Prozess kann dann auf eine virtuelle Version der Ressource zugreifen, ohne den anderen Prozesse zu stören.

Durch die Virtualisierung von Ressourcen wird die Bedingung der nichtunterbrechbaren Ressourcen umgangen. Ein Prozess kann nicht unterbrochen werden, während er eine Ressource verwendet, da er nur eine virtuelle Kopie verwendet.

Eine Ressource, die gleichzeitig von mehreren Prozessen benötigt wird, kann durch Virtualisierung in mehrere unabhängige Instanzen aufgeteilt werden. Jeder Prozess kann dann auf eine eigene Instanz zugreifen, ohne den anderen Prozessen zu stören.

Der Zustand, in dem ein Programm in einer Schleife gefangen ist und keine Ressourcen mehr beanspruchen kann. Die Ursache ist, dass mehrere Prozesse auf Ressourcen warten, die von anderen Prozessen gehalten werden. Damit kann kein einzelner Prozess mehr fortfahren.

Eine Ressource ist virtuell, wenn sie nicht physisch existiert, sondern nur im Speicher des Computers simuliert wird. So können mehrere Prozesse gleichzeitig auf eine virtuelle Ressource zugreifen, ohne einander zu stören.