Korrektheit durch modulare Konstruktion. Wie kann man die Korrektheit reaktiver Systeme gewährleisten?

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1 Korrektheit durch modulare Konstruktion Wie kann man die Korrektheit reaktiver Systeme gewährleisten? Ansatz: Durch systematische Konstruktion (Schlagwort: strukturierte Programmierung für parallele Programmiersprachen) Dann: kleine Teile verifizierbar Verhalten des Gesamtsystems aus Verhalten der Teile ableitbar Diese Erkenntnis liegt bestimmten parallelen Programmiersprachen zugrunde. 1 Parallele Programmiersprachen Einerseits: Herkömmliche Programmiersprachen wurden/werden für verteilte Systeme verwendet. Erweiterung von Sprachen wie Java oder C um Multithreading Parallelisierung durch Compiler für Multicore-Architekturen Kommunikation z.b. über gemeinsamen Speicher (unstrukturiert). Andererseits: Sprachen mit speziellen Konstrukten für Parallelausführung und Kommunikation: Ada, Occam: Parallele Komponenten können nur kommunizieren, wenn sie sich vorher synchronisieren. CHILL, LOTOS: Ebenso, Sprachen zur Implementierung von Kommunikationsprotokollen 2 1

2 Komplexität von reaktiven Systemen Bei reaktiven Systemen ist oft nicht die korrekte Behandlung von Daten das Problem (nur sehr einfache Transformationen), sondern die korrekte Kommunikationsstruktur (Synchronisationsverhalten zwischen parallelen Komponenten). Wegen der Komplexität konzentriert man sich beim Entwurf und bei der Verifikation oft auf diesen Aspekt. 3 Prozessalgebren Abstrakte modulare Sprachen für reaktive Systeme mit ihrer Semantik Es wird vom Konzept des Zustandsraums abstrahiert (keine Variablen, Wertzuweisungen ), abstrakte Aktionen bilden die Basis. Im Vordergrund stehen die Konstrukte zur Komposition von Systemen aus einfachen Teilen. Semantik ordnet einem Programm ein mathematisches Objekt zu, das genau sein Verhalten beschreibt. Prozess (hier): Programm mit seiner Bedeutung 4 2

3 Bekannte Prozessalgebren CCS CSP COSY ACP calculus of Communicating systems Milner, 1980 communicating sequential processes Hoare, 1978, 1985 Vorläufer, Lauer/ Campbell, 1975 algebra of communicating processes Bergstra/Klop, 1984 CCS ist als abstrakter Kalkül entworfen worden. Die Idee war, einen parallelen -Kalkül zu schaffen. CSP hat sich aus einer programmiersprachlichen Notation, Dijkstra s guarded commands, erweitert um Parallelität, zu einer abstrakten Sprache entwickelt. Bei ACP steht der algebraische Aspekt stark im Vordergrund. 5 Interaktionen bei Parallelität In reaktiven Systemen laufen Teile im allgemeinen nicht völlig unabhängig voneinander ab: Es gibt Interaktionen. Welche Art der Interaktionen gibt es? 6 3

4 Shared Variables Klassischer Ansatz, älteste Form der Kooperation zwischen parallelen Komponenten, die dann z.b. in den bekannten imperativen Sprachen programmiert werden. Problem: Wegen der Unvorhersehbarkeit der zeitlichen Konstellation sind Schutzmechanismen nötig (um zu verhindern, dass zwei Prozesse sich beim Verarbeiten einer gemeinsamen Variable ins Gehege kommen). Asynchron: Prozesse greifen völlig unabhängig voneinander auf die Variablen zu. 7 Message passing Ebenfalls asynchrone Form der Kommunikation. Ein Prozess schickt eine Nachricht an einen anderen, dieser empfängt und verarbeitet sie zu einem unvorhersagbaren Zeitpunkt. Wird dann unpraktisch, wenn nicht nur Informationen ausgetauscht werden sollen, sondern zwischenzeitlich eine zeitliche Koppelung zwischen den Prozessen erreicht werden soll ( Synchronisation ). Nur durch mehrfachen Nachrichtenaustausch möglich. 8 4

5 Synchronisierte Kommunikation Hier werden Informationen nur dann ausgetauscht, wenn die Prozesse sich vorher synchronisieren, d.h. jeweils warten, bis beide den Zustand erreicht haben, bei dem sie zum Informationsaustausch bereit sind. Informationen können leer sein, wenn nur das Synchronisieren wichtig ist. Danach laufen die Prozesse wieder unabhängig voneinander. 9 Synchronisierte Kommunikation in der Prozessalgebra Hier betrachten wir die synchronisierte Kommunikation, und zwar in folgender Form: Jeder Prozess führt eine gewisse Menge an Aktionen aus. Bei einer Parallelkomposition wird eine Teilmenge von Aktionen als Kommunikationsaktionen ausgezeichnet. Dann dürfen diese Aktionen nur von den Prozessen gemeinsam als eine einzige gemeinsame Aktion ausgeführt werden, an der sie beide beteiligt sind. Wenn ein Partner noch nicht so weit ist, warten die anderen. 10 5

6 Weiterführende Literatur R. Milner: Calculus of Communicating Systems, 1989, Springer C.A.R. Hoare: Communicating Sequential Processes, 1985, Prentice Hall Kostenlose elektronische Auflage von 2004 unter J.C.M. Baeten & W.P. Weijland: Process Algebra, 1990, Cambridge Univ. Press 11 6