Threads und Prozesse

Threads und Prozesse

• Threads: Leichtgewichtige Prozesse, die parallel innerhalb eines Programms ausgeführt werden.
• Anwendung: Unterteilen einer Anwendung in Teile zur parallelen Ausführung.
• Nicht abgeschottet: Threads eines Programms sind nicht voneinander abgeschottet, was zu Race Conditions (Wettlaufbedingungen) führen kann.
• Race Conditions: Fehler, die durch den gemeinsamen Zugriff auf Ressourcen durch mehrere Threads entstehen.
• Prozesse: Unabhängige Programme in Ausführung.
• Threads vs. Prozesse: Threads existieren innerhalb eines Prozesses und teilen sich den Speicher, während Prozesse eigenständige Speicherbereiche haben.

Nebenläufigkeit, Parallelismus und Verteilung

• Nebenläufigkeit (concurrent): Mehrere Ausführungen teilen sich denselben Speicher (z.B. auf einer CPU).
• Parallelismus: Mehrere Ausführungen laufen gleichzeitig (z.B. auf mehreren CPUs) – entweder mit gemeinsamem oder verteiltem Speicher.
• Verteilung: Ausführungen sind auf verschiedenen Systemen verteilt, die über ein Netzwerk kommunizieren.
• Kommunikation: Kommunikation ist der Schlüssel in verteilten Systemen (z.B. Clients, Server, Datenbanken). Fehlende Kommunikation defintion kann zu Problemen führen.

Systemmodell und Korrektheit

• Systemzustand: Mengen von Operationen (Befehle einer Programmiersprache).
• Programmiermodell: Auswahl und Reihenfolge von Operationen.
• Ausführungsmodell: Auswahl und Reihenfolge von Befehlen.
• Maschinenausführungsmodell: Übertragung des Ausführungsmodells in Maschinencode.
• Korrektheit: Programm ist korrekt, wenn Modelle fehlerfrei in die nächste Stufe übertragen werden.
• Determinismus: Deterministischer Algorithmus führt immer die gleichen Operationen in gleicher Reihenfolge aus und liefert dieselbe Ausgabe für eine bestimmte Eingabe.
• Nicht-Determinismus: Programme ohne Determinismus, häufig wegen externer Einflüße (z.B. Eingabe vom Nutzer oder Timer).
• Modularisierung: Aufteilung von Programmen in sinnvolle Module aus deterministischen Abläufen, jedoch nicht zwangsläufig deterministisch im Ganzen.
• Atomare Operationen: Unteilbare Operationen, die nicht durch Interrupts unterbrochen werden können.
• Nicht-atomare Operationen: Bestehen aus mehreren Maschineninstruktionen und können unterbrochen werden.

Gemeinsamer Adressraum und Stacks

• Gemeinsamer Adressraum: Alle Threads eines Prozesses teilen denselben virtuellen Adressraum und können somit auf globale Variablen, Heap-Speicher und statische Daten zugreifen.
• Eigener Stack: Jeder Thread hat einen eigenen Stack für lokale Variablen, Funktionsaufrufe und Rücksprungadressen, wodurch die Threads unabhängig sind.
• Speicherbedarf bei Prozessen: Bei Prozessen wird der gesamte Speicher für jeden neuen Prozess kopiert, was zu einem höheren Speicherbedarf führt.
• Speicherbedarf bei Threads: Threads teilen den gleichen Adressraum und sparen Speicher, da sie auf gemeinsamen Speicher zugreifen.

Kritische Abschnitte und Synchronisation

• Kritische Abschnitte: Bereiche, in denen mehrere Threads gleichzeitig auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen können und es zu Konflikten kommen kann.
• Synchronisationsmechanismen: Notwendig, um den gleichzeitigen Zugriff auf kritische Abschnitte zu koordinieren (z.B. Locks, Semaphore).
• Determinismus bei Threads: Operationen im gemeinsamen Adressraum bei Threads sind nicht mehr deterministisch ausführbar.
• Falsche Ergebnisse: Dadurch kann es zu falschen Ergebnissen bei Threads kommen.

Anforderungskategorien

• Funktionale Anforderungen: Korrektheit (z.B. Sicherung kritischer Abschnitte).
• Nicht-funktionale Anforderungen: Performance, Benutzbarkeit, Sicherheit usw., Minimierung von Overhead und fairer Zugriff auf kritische Abschnitte.

In diesem Quiz geht es um die Konzepte von Threads und Prozessen. Du wirst die Unterschiede zwischen leichten Threads und unabhängigen Prozessen kennenlernen sowie die Herausforderungen, die mit Race Conditions verbunden sind. Teste dein Wissen über Nebenläufigkeit, Parallelismus und Verteilung.