Proseminar Nichtsequentielle Programmiersprachen - alt und neu Einführung

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1 Proseminar Nichtsequentielle Programmiersprachen - alt und neu Einführung Peter Löhr

2 Nichtsequentielle Programme Nichtsequentielle Programme (concurrent programs): Prozesse, Threads, Tasks,... sind eigenständige sequentielle Aktivitäten ALP 4: Aufrufbasierte Programme Prozesse interagieren über gemeinsame Daten erfordern Synchronisationsmaßnahmen ALP 5: Nachrichtenbasierte Programme Prozesse interagieren über Nachrichten (deren Übertragung geeignet synchronisiert ist) Peter Löhr 2

3 Implementierung Achtung: ein und dasselbe Programm kann u.u. entweder als aufrufbasiert oder als nachrichtenbasiert gesehen werden, je nach Abstraktionsebene: Nachrichtenbasiertes Programm, aufrufbasiert implementiert: gesamtes Programm in einem Adressraum, Nachrichtenpuffer in gemeinsamem Speicherbereich Aufrufbasiertes Programm, nachrichtenbasiert implementiert ( verteilt ): Aufrufer und Aufgerufener in getrennten Adressräumen, Parameterübergabe durch Nachrichtenübertragung ( Fernaufruf ) Peter Löhr 3

4 Wozu Nichtsequentialität? Traditionell: Mehrprozessbetrieb bei Betriebssystemen, zwecks Ausnutzung der möglichen Parallelarbeit von Prozessor(en) und Peripheriegeräten, außerdem Teilnehmerbetrieb (time-sharing) Parallelrechnen auf Mehrprozessorsystemen oder speziellen hochparallelen Rechnern, zwecks schneller Verarbeitung Rechnernetze: Server-Prozesse mit Threading, zwecks Bedienung mehrerer Klienten (wie time-sharing) GUIs, Animationen, Spiele, Robotik,...: Problemorientierte Programmierung: unabhängige Aktivitäten werden als Prozesse/Threads formuliert Peter Löhr 4

5 Grobklassifikation Parallelverarbeitung (ohne Berücksichtigung des Interaktionsstils) Funktionsparallelität (task/control parallelism): verschiedenartige Berechnungen können unabhängig voneinander, also parallel ausgeführt werden, z.b. y = f(x) + g(x) oder y = f(g(x)) mit Pipelining Datenparallelität (data parallelism): eine Gruppe von Prozessen verarbeitet nach dem gleichen Programm verschiedene Daten, z.b. streifenweise Bildverarbeitung Peter Löhr 5

6 nichtsequentiell, parallel, verteilt Achtung: nichtsequentiell, parallel, verteilt sind keine Synonyme! nichtsequentiell (concurrent) ist Eigenschaft eines Programms und/oder einer Programmiersprache parallel ist Eigenschaft der Implementierung eines Programms (auf parallelverarbeitender Hardware) verteilt ist entweder Eigenschaft eines nichtsequentiellen Programms und/oder Eigenschaft der Implementierung eines Programms Peter Löhr 6

7 Architektur-Varianten aufrufbasiert, prozedurorientiert aufrufbasiert, objektorientiert nachrichtenbasiert, prozessorientiert (z.b. Erlang) nachrichtenbasiert, auftragsorientiert (client/server) nachrichtenbasiert, mit Datenfluss (z.b. Unix pipeline) nachrichtenbasiert,... Peter Löhr 7

8 Dualitätsprinzip aufrufbasiertes Programm kann rein mechanisch umformuliert werden in nachrichtenbasierte Version - und umgekehrt! aufrufbasiert: Monitor Aufruf mit Argumenten Rückkehr mit Ergebnis Blockieren Aufwecken nachrichtenbasiert: Prozess Auftrag (Op., Arg.) übertragen Ergebnis rückübertragen Auftragsbearbeitung unterbrechen, auf neuen Auftrag warten Auftragsbearbeitung fortsetzen Peter Löhr 8

9 Dualitätsprinzip (hier Pseudo-Java) aufrufbasiert: Aufrufer Aufgerufener: Monitor Fu<Res> x = fork server.op(arg); op(arg arg) { Res res = join x; return res; } Wie wählen? nachrichtenbasiert: (ohne strenge Typisierung) Klient Anbieter: Prozess Conn c = new Conn(server); Conn c = Conn.accept(); c.send(op,arg); (op,arg) = c.recv(); Res res = c.recv(); c.send(res); Peter Löhr 9

10 Wahl/Entwurf der Programmiersprache Parallelverarbeitung wichtig oder nicht? Auf welcher Rechnerarchitektur? Welche Architekturen/Interaktionsstile sollen unterstützt werden? Prozesserzeugung/formulierung? Welche Synchronisationsmechanismen bzw. welches Nachrichtensystem? Spezielle Syntax vs. Bibliotheken: Peter Löhr 10

11 Spezielle Syntax vs. Bibliotheken Spezielle Syntax samt nichtsequentieller Semantik (z.b. Schlüsselwort fork) Bibliotheken statt Syntax (z.b. Prozedur fork, Klasse Thread) Syntax + Bibliotheken (in der Sprache formuliert) Peter Löhr 11

12 Geschichte der nichtseq. Sprachen ist im wesentlichen die Geschichte der einschlägigen Architekturkonzepte sowie entsprechender Syntax und Semantik Ziele: Mächtigkeit, Flexibilität, Ökonomie, Eleganz; Sicherheit (language safety) - angesichts der notorischen Fehleranfälligkeit der nichtsequentiellen Programmierung Ausgangspunkt: Sequentielle Sprache mit Aufrufen von Bibliotheksprozeduren, z.b. fork(expr), P(mutex) u.ä. ( unsichere Programmierung) Peter Löhr 12

13 Geschichte der nichtseq. Sprachen Mehr Deklarativität: z.b. kritische Abschnitte mit region r do statements od Objektorientierung: z.b. Semaphor-Objekte, Monitore,... monitor Queue begin... data... operations... end Vermeidung gemeinsamer Daten: z.b. actors Aktive Objekte: z.b. Ada task, SR resource,... aktuell: bessere Sicherheit, Mehrparadigmen-Sprachen,... Peter Löhr 13

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