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1 Nebenläufikeit

2 Nebenläufigkeit in C# Eine VM (beliebig, variabel) viele Aktivitäten (werden dynamisch erzeugt) n Prozessoren Kommunikation über gemeinsamen Speicher (nicht über Botschaften) Koordination notwendig: Richtige Verzahnung der Zugriffe durch Sperren der Programmabschnitte Monitorkonzept Warum Koordination? Beispiel: if (globalvar > 0) { globalvar --; Welches ist der kleinste Wert, den globalvar annehmen kann?

3 Monitorkonzept Faden 1 ( ): Monitor.Enter(x) Monitor.Enter Objekt x Faden 2 ( ): Monitor.Enter(x) Faden 3 ( ): Monitor.Enter(x) Faden 4 ( ): Monitor.Enter(x) Schlange der Ausführbereiten Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Schlange der Wartenden Ausführungsfaden

4 Monitorkonzept Faden 1 (tut irgendwas) Faden 2, 3 & 4 (warten) Faden 1: Monitor.Exit(x) Faden 2 darf jetzt anfangen Faden 3 und 4 warten weiterhin Monitor.Enter Schlange der Ausführbereiten Objekt x Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Exit Schlange der Wartenden

5 Monitorkonzept Faden 2 (tut irgendwas) Faden 3 und 4 (warten) Faden 2: Monitor.Wait(x) Faden 3 darf jetzt anfangen Faden 4 wartet weiterhin Monitor.Enter Schlange der Ausführbereiten Objekt x Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Wait Monitor.Exit Schlange der Wartenden

6 Monitorkonzept Faden 3 (tut irgendwas) Monitor.Enter Objekt x Monitor.Exit Faden 2 und 4 (warten) Faden 3: Monitor.Wait(x) Faden 4 darf jetzt anfangen Schlange der Ausführbereiten Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Wait Schlange der Wartenden Faden 5 ( ): Monitor.Enter(x)

7 Monitorkonzept Faden 4 (tut irgendwas) Faden 2, 4 & 5 (warten) Faden 4 (!): Monitor.PulseAll(x) Faden 2 und 4 werden wieder ausführbar, müssen aber weiter warten Monitor.Enter Schlange der Ausführbereiten Objekt x Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Wait Monitor.Pulse Monitor.PulseAll betrifft nur den Kopf der Schlange Monitor.Exit Schlange der Wartenden betrifft alle Fäden

8 Monitorkonzept Faden 4 (tut irgendwas) Faden 2, 4 & 5 (warten) Faden 4: Monitor.Exit(x) Faden 5 (!) darf jetzt anfangen Faden 2 und 4 wartet weiterhin Monitor.Enter Schlange der Ausführbereiten Objekt x Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Wait Monitor.Pulse Monitor.PulseAll Monitor.Exit Schlange der Wartenden

9 Monitorkonzept Objekt x Monitor.Enter Monitor.Exit Daher: Bedingung noch mal prüfen! Schlange der Ausführbereiten Der gegenwärtige Inhaber der Sperre Monitor.Wait Monitor.Pulse Monitor.PulseAll Schlange der Wartenden

10 Regeln Der Aufruf Monitor.Enter(x) blockiert den Faden so lange, bis der Faden die Sperre erhält (im Zweifel auch ewig). Der Aufruf Monitor.TryEnter(x) kehrt sofort zurück; das Resultat des Aufrufes ist true, wenn der aktuelle Faden die Sperre erhalten hat, sonst false. Ein Faden, der die Sperre auf ein Objekt x hält, kann er beliebig häufig ( n) mal Monitor.Enter(x) aufrufen, er wird jedes mal sofort Erfolg haben Wenn der Faden die Sperre wieder freigeben möchte, muss er n mal Monitor.Exit(x) aufrufen Wenn der Faden Monitor.Wait(x) aufruft, wird implizit n mal Monitor.Exit(x) und später wieder n mal Monitor.Enter(x) aufgerufen

11 Probleme Ein Faden braucht Monitor.Enter(x)- und zugehörige Monitor.Exit(x)-Anweisungen keineswegs innerhalb des selben Ausdrucks oder auch nur der selben Methode aufzurufen sie dürfen wild im Code verstreut werden Was passiert, wenn irgendwo dazwischen eine unvorhergesehene Ausnahme auftritt?

12 Die lock-anweisung Eine lock-anweisung wie folgt lock (x) ist exakt äquivalent zu object obj = x; System.Threading.Monitor.Enter(obj); try { finally { System.Threading.Monitor.Exit(obj);

13 Die lock-anweisung Vorteile Der zu einem Enter gehörende Exit-Aufruf kann nicht vergessen werden Jeder Pfad durch den Code endet mit genau so vielen Exit- Aufrufen wie Enter-Aufrufen Beispiel: Schleifen mit break und continue und tief geschachtelten Bedingungen, an allen möglichen Enden return-anweisungen Auch in Ausnahmesituationen wird die Sperre wieder freigegeben Achtung: Verklemmung immer noch möglich Faden 1 Faden 2 lock(a) { lock(b) { lock(b) { lock(a) {

14 Die lock-anweisung für eine ganze Methode In C# gibt es keine synchronized-methoden wie in Java Aber: das Attribut System.Runtime.CompilerServices.MethodImplAttribute wie folgt parametrisiert [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] bewirkt das gleiche.

15 Beispiel: Erzeuger & Verbraucher Faden 1: public void Erzeuger() { int i = 0; while(true) { lock(this) { while (queue.count>20) {/* NOP */ queue.enqueue("i="+i); i++; Faden 2: public void Verbraucher() { while(true) { lock(this) { while (queue.count<=0) {/* NOP */ string s = queue.dequeue(); Console.Write(s); Wo liegt das Problem?

16 Antworten Gute Idee: Der Zugriff auf die Schlange ist synchronisiert. Schlechte Idee: Der Hersteller und Verbraucher warten aktiv, falls sie nicht weiterarbeiten können. Verschwendung von Rechenzeit und Energie Schlechte Idee: Der Verbraucher hält den Monitor besetzt, solange er wartet. Der Hersteller kann niemals neue Arbeit in die Schlange einstellen, weil er beim Versuch, die Sperre zu erhalten, blockiert. Schlechte Idee: Der Erzeuger hält den Monitor besetzt, bis weniger als 20 Elemente in der Schlange sind. Der Verbraucher kann niemals Arbeit aus der Schlange nehmen, weil er beim Versuch, die Sperre zu erhalten, blockiert.

17 Wir stellen fest Falls eine Wächterbedingung fehlschlägt, muss eine Aktivität ihre Rechenzeit abgeben. Die Kontrolle sollte möglichst direkt an eine Aktivität weitergegeben werden, die weiterrechnen kann. Während eine Aktivität an einer Wächterbedingung wartet, muss sie den Monitor freigeben.

18 Beispiel: Erzeuger & Verbraucher Faden 1: public void Erzeuger() { int i = 0; while(true) { lock(this) { while (queue.count>20) { Monitor.Wait(this); queue.enqueue("i="+i); Monitor.PulseAll(this); i++; Faden 2: public void Verbraucher() { while(true) { lock(this) { while (queue.count<=0) { Monitor.Wait(this); Monitor.PulseAll(this); string s = queue.dequeue(); Console.Write(s); Übung: Warum erfüllt das Programm jetzt alle Anforderungen?

19 Beispiel (Alternative): Erzeuger & Verbraucher Faden 1 (Erzeuger): public void FirstThread() { int i = 0; Monitor.Enter(myQueue); while(i<100) { // Wait, if the queue is busy. Monitor.Wait(myQueue); // Push one element. myqueue.enqueue(i); // Release the waiting thread. Monitor.Pulse(myQueue); i++; Monitor.Exit(myQueue); Faden 2 (Verbraucher): public void SecondThread() { Monitor.Enter(myQueue); // Release the waiting thread. Monitor.Pulse(myQueue); // Wait in the loop, while the queue // is busy. Exit on the time-out // when the first thread stops. while(monitor.wait(myqueue,1000)) { // Pop the first element. int i = (int)myqueue.dequeue(); // Print the first element. Console.Write(i.ToString()); // Release the waiting thread. Monitor.Pulse(myQueue); Monitor.Exit(myQueue);

20 Tipps/Daumenregeln Ein mit Pulse/PulseAll geschicktes Signal erreicht nur eine Aktivität, die beim Absenden schon wartet! Das Signal wird nicht beim Monitor gespeichert Das Signal hat keinen Effekt, wenn niemand wartet! Verbinde Signale mit Zustand Ohne Wächterbedingung ist Wait(x) zu 99% falsch Negativ-Beispiel: lock(x) { Monitor.Wait(x); Verwende Wait(x) immer in einer Schleife Negativ-Beispiel: if (!condition) { Monitor.Wait(x); Ohne Zustandsänderung ist Pulse(x) zu 99% falsch Negativ-Beispiel: lock(x) { Monitor.Pulse(x); Prüfe Bedingung immer vor und nach dem Warten

21 Weitere Tipps/Daumenregeln In einem robusten Programm können alle Pulse- Aufrufe durch PulseAll ersetzt werden. Wenn der Monitor von außen zugänglich ist, kann jemand anderes: Signale stehlen : er lässt weitere Aktivitäten warten (schon gesehen) unerwartet mehr Signale schicken Kugelsicher : Immer PulseAll verwenden. Hinweis: Einige Java-VMs (!) machen keinen Unterschied zwischen notify und notifyall ( Pulse bzw. PulseAll)

22 Alternativen Es gibt noch weitere Methoden zur Koordination von Ausführungsfäden in System.Threading: Interlocked WaitHandle, und davon abgeleitet Auto- und ManualResetEvent Mutex represent operating-system synchronization objects and therefore expose advanced functionality, they are also less portable than Monitor, which is fully managed and in some circumstances is more efficient in its use of operating system resources.

23 Und wie macht man einen neuen Faden? Gegeben: public void M() { // Berechnungsmethode Erzeugung eines Fadens: using System.Threading; Thread t = new Thread(M); Faden laufen lassen: t.start(); Formal: Parameter vom Typ delegate void ThreadStart(); (definiert in System.Threading)

24 Zustände eines Fadens f (Eigenschaft Thread.ThreadState und Enumeration ThreadState) Suspended (Safepoint erreicht) f.resume SuspendRequested f.suspend Unstarted f.start Running f.abort AbortRequested Thread.Sleep f.join Wait(obj) Zeit um f joined Pulse(obj) f.interrupt f.abort Ausnahme behandelt, finally abgearbeitet WaitSleepJoin Stopped

25 Beispiel Ausgabe: name=, priority=normal, state=unstarted name=worker, priority=belownormal, state=running state=suspended state=running state=stopped Thread t = new Thread(P); Console.WriteLine("name={0, priority={1, state={2", t.name, t.priority, t.threadstate); t.name = "Worker"; hat nichts mit t zu tun, t.priority = ThreadPriority.BelowNormal; sondern nur mit dem t.start(); aktuellen Faden, also dem, der diesen Code ausführt! Thread.Sleep(1); Console.WriteLine("name={0, priority={1, state={2", t.name, t.priority, t.threadstate); t.suspend(); Thread.Sleep(1); Console.WriteLine("state={0", t.threadstate); t.resume(); Console.WriteLine("state={0", t.threadstate); t.abort(); Thread.Sleep(1); Console.WriteLine("state={0", t.threadstate);

26 Der Join-Aufruf Blockiert den aktuellen Faden (in dem f.join() aufgerufen wurde) bis der angegebene Faden (f) beendet wurde. Beispiel: Thread t = new Thread(P); Console.Write("Starte"); t.start(); Console.Write("Läuft "); t.join(); // wartet auf t Console.WriteLine( Ende");

27 Was passiert bei Abort? Erzeugt eine ThreadAbortException in dem Faden, für den Abort aufgerufen wurde. Hierdurch wird in der Regel der Ausführungsfaden beendet. Diese Ausnahme ist besonders, da sie automatisch am Ende eines etwaigen catch-blocks neu erzeugt wird. Alle finally-blöcke werden noch ausgeführt In einem finally-block können beliebig lang dauernde Operationen ausgeführt werden, deshalb kann man nur nach einem erfolgreichen Join-Aufruf sicher sein, dass der Faden beendet ist (alternativ können Sie sich noch gegen das Beenden mit ResetAbort wehren)

28 Vorder- und Hintergrundfäden Jeder Faden ist entweder ein Vordergrund- oder ein Hintergrundfaden Unterschied Solange min. ein Vordergrundfaden läuft, läuft das Programm Laufende Hintergrundfäden verhindern nicht, das sich das Programm beendet (die VM ruft bei ihnen Abort auf, sobald sich der letzte Vordergrundfaden beendet) Beispiel für einen Hintergrundfaden: Faden für die Wiedergabe der Musik eines Computerspiels Zugriff über Thread.IsBackground-Eigenschaft

29 ThreadPool Einen neuen Ausführungsfaden zu erzeugen ist zwar nicht teuer (z.b. im Vergleich zur Erzeugung einen neuen Prozesses), kostet aber doch eine Kleinigkeit Wenn die Menge der durch einen Faden zu bewerkstelligenden Arbeit aber im Vergleich zu seinen Erstellungskosten sinkt, lohnt sich ein eigener Faden irgendwann nicht mehr Lösung: eine beliebige aber feste Menge (i.d.r. 25 pro Prozessor) von Ausführungsfäden steht jedem Programm für kleine Aufgaben laufbereit zur Verfügung

30 Verwendung von ThreadPool Statt des delegate void ThreadStart() aus System.Threading wird delegate void WaitCallback (Object state) verwendet Mit der static Methode QueueUserWorkItem(WaitCallback cb, Object state) stellt man dem ThreadPool Arbeitsaufträge zur Verfügung Das Objekt state (optionaler Parameter) beinhaltet die von der Methode zu verwendenden Daten

31 Beispiel ThreadPool using System; using System.Threading; public class Example { public static void Main() { // Queue the task. ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(MyProc)); Console.WriteLine("Main thread does some work, then sleeps."); // If you comment out the Sleep, the main thread exits before // the thread pool task runs. The thread pool uses background // threads, which do not keep the application running. (This // is a simple example of a race condition.) Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Main thread exits."); // This thread procedure performs the task. static void MyProc(Object stateinfo) { // No state object was passed to QueueUserWorkItem, so // stateinfo is null. Console.WriteLine("Hello from the thread pool.");

32 Hinweis Vorsicht mit Suspend und Resume CAUTION Do not use the Suspend and Resume methods to synchronize the activities of threads. You have no way of knowing what code a thread is executing when you suspend it. If you suspend a thread while it holds locks during a security permission evaluation, other threads in the AppDomain might be blocked. If you suspend a thread while it is executing a class constructor, other threads in the AppDomain that attempt to use that class are blocked. Deadlocks can occur very easily.

33 Speichersynchronisation für Zugriffe auf einzelne Variablen Problem: Befehlsumordnende Optimierungstechniken (in Prozessoren, VM und/oder Übersetzer) können in parallelen Programmen zu unvorhersehbaren Effekten führen, wenn keine Synchronisationstechniken (z.b. lock) verwendet werden Das Schlüsselwort volatile markiert eine Variable als im Speicherzugriff immer zu synchronisieren Ein Lesezugriff auf diese Variable wird garantiert vor allen in der Befehlssequenz folgenden Speicherzugriffen ausgeführt Ein Schreibzugriff auf diese Variable wird garantiert nach allen in der Befehlssequenz vorangehenden Speicherzugriffen ausgeführt

34 Beispiel class Test { public static int result; public static volatile bool finished; static void Thread2() { result = 143; finished = true; static void Main() { finished = false; new Thread(new ThreadStart(Thread2)).Start(); while (true) { if (finished) { Console.WriteLine("result = {0", result); return; Ausgabe (mit volatile): Garantiert 143. Ausgabe (ohne): Eventuell 0.

35 Tipp Eine ausführliche Abhandlung des Themas mit vielen Beispielen findet sich unter (eine für den Druck aufbereitete Version findet sich auch auf der Webseite der Vorlesung: Englisch!

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