Informatik im Fokus. Herausgeber: Prof. Dr. O. Günther Prof. Dr. W. Karl Prof. Dr. R. Lienhart Prof. Dr. K. Zeppenfeld

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1 Informatik im Fokus Herausgeber: Prof. Dr. O. Günther Prof. Dr. W. Karl Prof. Dr. R. Lienhart Prof. Dr. K. Zeppenfeld

2 Informatik im Fokus Rauber, T.; Rünger, G. Multicore: Parallele Programmierung El Moussaoui, H.; Zeppenfeld, K. AJAX Behrendt, J.; Zeppenfeld, K. Web Bode, A.; Karl, W. Multicore-Architekturen. 2008

3 Thomas Rauber Gudula Rünger Multicore: Parallele Programmierung 123

4 Prof. Dr. Thomas Rauber Universität Bayreuth LS Angewandte Informatik II Universitätsstr Bayreuth Prof. Dr. Gudula Rünger TU Chemnitz Fakultät für Informatik Straße der Nationen Chemnitz Herausgeber: Prof. Dr. O. Günther Humboldt Universität zu Berlin Prof. Dr. W. Karl Universität Karlsruhe (TH) Prof. Dr. R. Lienhart Universität Augsburg Prof. Dr. K. Zeppenfeld Fachhochschule Dortmund ISBN e-isbn DOI / ISSN Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Text und Abbildungen wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Verlag und Autor können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Einbandgestaltung: KünkelLopka Werbeagentur, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.com

5 Vorwort Nach vielen Jahren stetigen technologischen Fortschritts in der Mikroprozessorentwicklung stellt die Multicore-Technologie die neueste Entwickungsstufe dar. Führende Hardwarehersteller wie Intel, AMD, Sun oder IBM liefern seit 2005 Mikroprozessoren mit mehreren unabhängigen Prozessorkernen auf einem einzelnen Prozessorchip. Im Jahr 2007 verwendet ein typischer Desktop-PC je nach Ausstattung einen Dualcore- oder Quadcore-Prozessor mit zwei bzw. vier Prozessorkernen. Die Ankündigungen der Prozessorhersteller zeigen, dass dies erst der Anfang einer länger andauernden Entwicklung ist. Eine Studie von Intel prognostiziert, dass im Jahr 2015 ein typischer Prozessorchip aus Dutzenden bis Hunderten von Prozessorkernen besteht, die zum Teil spezialisierte Aufgaben wie Verschlüsselung, Grafikdarstellung oder Netzwerkmanagement wahrnehmen. Ein Großteil der Prozessorkerne steht aber für Anwendungsprogramme zur Verfügung und kann z.b. für Büro- oder Unterhaltungssoftware genutzt werden. Die von der Hardwareindustrie vorgegebene Entwicklung hin zu Multicore-Prozessoren bietet für die Software-

6 VI Vorwort entwickler also neue Möglichkeiten, die in der Bereitstellung zusätzlicher Funktionalitäten der angebotenen Software liegen, die parallel zu den bisherigen Funktionalitäten ausgeführt werden können, ohne dass dies beim Nutzer zu Wartezeiten führt. Diese Entwicklung stellt aber auch einen Paradigmenwechsel in der Softwareentwicklung dar, weg von der herkömmlichen sequentiellen Programmierung hin zur parallelen oder Multithreading-Programmierung. Beide Programmierformen sind nicht neu. Der Paradigmenwechsel besteht eher darin, dass diese Programmiertechniken bisher nur in speziellen Bereichen eingesetzt wurden, nun aber durch die Einführung von Multicore-Prozessoren in alle Bereiche der Softwareentwicklung getragen werden und so für viele Softwareentwickler eine neue Herausforderung entsteht. Das Ziel dieses Buches ist es, dem Leser einen ersten Einblick in die für Multicore-Prozessoren geeigneten parallelen Programmiertechniken und -systeme zu geben. Programmierumgebungen wie Pthreads, Java-Threads und OpenMP werden vorgestellt. Die Darstellung geht dabei davon aus, dass der Leser mit Standardtechniken der Programmierung vertraut ist. Das Buch enthält zahlreiche Hinweise auf weiterführende Literatur sowie neuere Entwicklungen wie etwa neue Programmiersprachen. Für Hilfe bei der Erstellung des Buches und Korrekturen danken wir Jörg Dümmler, Monika Glaser, Marco Höbbel, Raphael Kunis und Michael Schwind. Dem Springer-Verlag danken wir für die gute Zusammenarbeit. Bayreuth, Chemnitz, August 2007 Thomas Rauber Gudula Rünger

7 Inhaltsverzeichnis 1 Kurzüberblick Multicore-Prozessoren Entwicklung der Mikroprozessoren ParallelitätaufProzessorebene Architektur von Multicore-Prozessoren Beispiele Konzepte paralleler Programmierung EntwurfparallelerProgramme Klassifizierung paralleler Architekturen Parallele Programmiermodelle ParalleleLeistungsmaße Thread-Programmierung ThreadsundProzesse Synchronisations-Mechanismen Effiziente und korrekte Thread-Programme Parallele Programmiermuster Parallele Programmierumgebungen

8 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Programmierung mit Pthreads Threaderzeugung und -verwaltung KoordinationvonThreads Bedingungsvariablen ErweiterterSperrmechanismus ImplementierungeinesTaskpools Java-Threads Erzeugung von Threads in Java Synchronisation von Java-Threads SignalmechanismusinJava Erweiterte Synchronisationsmuster Thread-SchedulinginJava Paket java.util.concurrent OpenMP Programmiermodell Spezifikation der Parallelität KoordinationvonThreads Weitere Ansätze Sprachansätze Transaktionsspeicher Literatur Index...161