Vorwort. Carsten Vogt. Nebenläufige Programmierung. Ein Arbeitsbuch mit UNIX/Linux und Java ISBN:

Transkript

1 Vorwort Carsten Vogt Nebenläufige Programmierung Ein Arbeitsbuch mit UNIX/Linux und Java ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort Für Computernutzer ist es heute selbstverständlich, dass sie mit ihren Geräten verschiedene Dinge gleichzeitig tun können einen Text schreiben, Musik hören, einen Film ablaufen lassen, Nachrichten empfangen und so weiter. Ebenso selbstverständlich ist es für sie, sich über das Internet mit anderen Computern zu verbinden und mit diesen zu kommunizieren und zu kooperieren. Heutige Computer arbeiten also nebenläufig, das heißt, sie können mehrere Aktionen zur selben Zeit ausführen. Nebenläufigkeit ist daher ein zentrales Themengebiet der Informatik: In der Technischen Informatik wird nebenläufig arbeitende Computerhardware entwickelt, die Praktische Informatik bietet Betriebssysteme und Programmiersprachen zur Erstellung und Steuerung nebenläufiger Programme an, und die Theoretische Informatik befasst sich mit Modellen, mit denen man nebenläufige Vorgänge darstellen und analysieren kann. In diesem weit gefächerten Feld konzentriert sich dieses Buch auf nebenläufige Software, gibt also eine grundständige Einführung in Begriffe und Techniken zur Realisierung nebenläufiger Programme. Das Buch wendet sich an Studierende und andere Interessierte, die bereits Grundkenntnisse in C und/oder Java sowie in Betriebssystemen wie UNIX oder Linux haben und die nun die Möglichkeiten kennenlernen wollen, die diese Sprachen und Systeme zur nebenläufigen Programmierung bieten. Leserinnen und Leser werden erfahren, wie man mit Prozessen und Threads nebenläufige Aktivitäten programmiert, wie man solche Aktivitäten synchronisiert (also zeitlich untereinander abstimmt) und wie man sie, lokal und im Internet, miteinander kommunizieren und kooperieren lässt. Sie werden jeweils zunächst eine allgemeine Einführung in die entsprechenden Grundbegriffe und Techniken erhalten und dann sehen, wie man diese an der C-Programmierschnittstelle von UNIX/Linux und in der Programmiersprache Java praktisch einsetzt. Anhand von zahlreichen Aufgaben können sie ihr neu erworbenes Wissen anwenden und vertiefen. Der Autor führt seit vielen Jahren Lehrveranstaltungen zur nebenläufigen Programmierung, zu Betriebssystemen und zu Verteilten Systemen im dritten und vierten Fachsemester von Informatikstudiengängen durch. Er kennt also die typischen Schwierigkeiten und Probleme, die Neulinge in diesem Gebiet haben. In seinen Vorlesungen, Übungen und Programmierpraktika bemüht er sich daher, seine Zuhörerschaft dort abzuholen, wo sie sich üblicherweise anfangs und während des zweiten Studienjahrs befindet und er möchte dies auch mit diesem Buch zu tun: Zahlreiche Beispiele, Grafiken, Codestücke sowie Übungsaufgaben sollen das Verständnis erleichtern und zum Einstieg in die eigenständige Arbeit anregen. Das Buch steht nicht allein: Es wird ergänzt durch die Webseite auf der man die Programmbeispiele, die Lösungen der Aufgaben und zusätzliche Materialien findet. Über Kommentare und (hoffentlich wenige) Fehlermeldungen freut sich der Autor unter carsten.vogt@fh-koeln.de. Köln / Bergisch Gladbach, im Januar 2012 Carsten Vogt

3 Leseprobe Carsten Vogt Nebenläufige Programmierung Ein Arbeitsbuch mit UNIX/Linux und Java ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

4 2 Basistechniken Kapitel 2 beschäftigt sich mit grundlegenden Techniken der Nebenläufigkeit. Im Mittelpunkt stehen dabei das Betriebssystem, insbesondere UNIX/Linux, sowie die Sprache Java. Kooperation Kommunikation Synchronisation Basistechniken 2.1 Formen der Nebenläufigkeit...20 Abschnitt 2.1 wiederholt zunächst die wichtigsten Grundbegriffe bezüglich Hard- und Software und stellt dann dar, auf welche Weisen Nebenläufigkeit in Hard- und Software realisiert werden kann Hard- und Software eine Kurzeinführung Nebenläufigkeit in Hardware Nebenläufigkeit in Software Die Rolle des Betriebssystems...25 Abschnitt 2.2 diskutiert die zentrale Rolle des Betriebssystems, das durch seine Architektur und seine Betriebsart(en) Art und Grad der Nebenläufigkeit bestimmt. Das Betriebssystem unterstützt Prozess- und Thread-Konzepte, mit denen nebenläufige Aktivitäten programmiert und verwaltet werden Systemarchitekturen Betriebsarten Prozesse und Threads Implementierungsaspekte Prozesse und Threads in UNIX/Linux...42 Abschnitt 2.3 führt die wichtigsten UNIX/Linux-Benutzerkommandos und Funktionen seiner Programmierschnittstelle ein, mit denen nebenläufige Aktivitäten gesteuert werden können Kommandos der Benutzerschnittstelle Grundlegende API-Funktionen für Prozesse Grundlegende API-Funktionen für Threads Threads in Java...60 Abschnitt 2.4 stellt die Java-Klasse Thread mit ihren grundlegenden Methoden zur Programmierung von Nebenläufigkeit vor Die Klasse Thread Grundlegende Programmiertechniken Zusammenfassung und Ausblick...67

5 2 Basistechniken Der Begriff Multitasking also das Erledigen mehrerer Dinge gleichzeitig ist in der Alltagssprache angekommen. So wird diskutiert, ob Frauen dieses Multitasking besser beherrschen als Männer. Ältere wundern sich über das Multitasking Jüngerer, die gleichzeitig essen, trinken, telefonieren, SMS schreiben und über die Straße gehen. Und man beklagt das Multitasking im Arbeitsleben, in dem viele Dinge möglichst zur selben Zeit erledigt werden sollen. Eine tiefere Wurzel hat das Multitasking jedoch in der Informatik. Das ist angemessen, denn Computer sind im gleichzeitigen (also nebenläufigen) Erledigen von Aufgaben wesentlich besser als wir Menschen. So ist es für heutige Personal Computer selbstverständlich, dass man mit ihnen zur selben Zeit Musik hören, Spiele spielen und s empfangen kann; Web Server können eine Vielzahl von Surfern gleichzeitig bedienen, und auf Großrechnern können alle Mitarbeiter einer Firma nebenläufig arbeiten: hören spielen Speicher Mail empfangen Netz BILD 2.1 Nebenläufigkeit aus Benutzersicht Netz Speicher Aufträge Speicher Dieses Kapitel zeigt, welche Formen der Nebenläufigkeit durch die Hard- und Software eines Computers realisiert werden, welche Rolle das Betriebssystem dabei spielt und welche grundlegenden Techniken UNIX/Linux und Java bieten, um nebenläufige Anwendungen zu programmieren.

6 20 2 Basistechniken 2.1 Formen der Nebenläufigkeit Nebenläufigkeit wird in Computern erstens durch Gruppen von Hardwarekomponenten realisiert, die echt gleichzeitig Aktionen ausführen können. Zweitens wird Nebenläufigkeit in Software implementiert: Mehrere Programmstücke können gleichzeitig ausgeführt werden, sofern es logisch nicht zwingend erforderlich ist, dass sie hintereinander ablaufen. Software-Nebenläufigkeit kann durch Hardware-Nebenläufigkeit unterstützt werden, muss es aber nicht: Eine nicht nebenläufige Hardware kann im raschen Wechsel zwischen nebenläufigen Softwarekomponenten hin- und hergeschaltet werden, so dass ein Beobachter den Eindruck bekommt, dass mehrere Dinge zur selben Zeit geschehen Hard- und Software eine Kurzeinführung Als Einstieg in diesen Abschnitt soll kurz das nötigste Basiswissen zur Rolle der Hardund Software in Computern präsentiert werden. Wer sich hier fit fühlt, kann die folgenden zweieinhalb Seiten überspringen und bei Bedarf später hierher zurückkehren. BILD 2.2 Eine einfache Hardware-Architektur Computer-Hardware Die Hardware eines Computers gliedert sich in Zentraleinheit und Peripherie: Zentraleinheit Hauptprozessor () zur Programmausführung RAM Hauptspeicher (RAM) zur kurzfristigen Datenspeicherung Peripherie Geräte zur Ein-/Ausgabe Geräte zur langfristigen Datenspeicherung Zur Zentraleinheit gehören der Hauptprozessor und der Hauptspeicher. Der Hauptprozessor (engl.: central processing unit, ) führt Programme aus, die als Folgen von Maschinenbefehlen vorliegen. Maschinenbefehle sind, im Gegensatz zu Befehlen höherer Sprachen, so einfach, dass sie von der Hardware unmittelbar ausgeführt werden können. Der Prozessor stützt sich dabei auf Register kleine Speicherstellen, die die Ein- und Ausgabedaten des aktuell ausgeführten Befehls aufnehmen und zudem Informationen über die Programmausführung speichern. Zu den Prozessorregistern gehören insbesondere der Befehlszähler (engl.: program counter, instruction pointer), der angibt, wo im Maschinenprogramm sich die Ausführung aktuell befindet, das Programmstatuswort, das im Wesentlichen Informationen über das Ergebnis des zuletzt ausgeführten Befehls enthält (zum Beispiel, ob es gleich null oder negativ war), sowie Bus

7 2.1 Formen der Nebenläufigkeit 21 der Stack Pointer, der die aktuelle Spitze des Aufrufstacks angibt. Der Aufrufstack ist ein Speicherbereich, der die Parameter und lokalen Variablen geschachtelter Funktionsaufrufe enthält. Der Hauptspeicher (engl.: main memory, auch random access memory, RAM) speichert die Maschinenbefehle der aktuell laufenden Programme und ihre Daten. Maschinenbefehle können ihre Operanden durch Hauptspeicheradressen identifizieren, also durch Nummern von Hauptspeicherzellen, auf die der Prozessor dann direkt zugreift. Häufig benötigte Daten und Befehle können in einen Cache aufgenommen werden einen kleinen, aber schnellen Speicher, der näher am Prozessor liegt. Bei Platzmangel können Hauptspeicherbereiche auf Hintergrundspeicher ausgelagert werden. Zur Peripherie gehören Hintergrundspeicher, wie insbesondere der Plattenspeicher, sowie Ein-/Ausgabegeräte. Auch Anschlüsse für Datennetze und für Wechseldatenträger (insbesondere USB-Sticks und CDs/DVDs) sind Teil der Peripherie. Die Komponenten von Zentraleinheit und Peripherie sind durch ein oder mehrere Busse, also lineare Leitungsbündel zur Datenübertragung, oder komplexer aufgebaute Leitungsnetzwerke miteinander verbunden Computer-Software Die Hardware eines Computers wird durch Software, also durch Programme gesteuert. Üblicherweise werden Programme in einer höheren Programmiersprache wie C oder Java geschrieben. Die Befehle einer solchen höheren Sprache sind allerdings zu komplex, um direkt durch die Prozessor-Hardware ausgeführt zu werden. Sie müssen daher in Maschinenprogramme (also Folgen von Maschinenbefehlen) umgesetzt werden. Hierzu gibt es zwei Ansätze: Bei der Übersetzung (Compilierung) wird ein höhersprachiges Programm in ein äquivalentes Maschinenprogramm umgeformt, das anschließend durch den Prozessor ausgeführt werden kann. Ein Beispiel für eine höhere Sprache, deren Programme in Maschinensprache übersetzt werden, ist C. Programm in höherer Sprache int ggt(int x, int y) { while (x!=y) { if (x<y) y=y-x; else x=x-y; } return x; } Compiler übersetzt Programm in Maschinensprache XX1000 LDA XX2000 XX1001 CMP XX2001 XX1002 JZE XX1011 XX1003 JNG XX1007 XX1004 SUB XX Prozessor führt aus BILD 2.3 Übersetzung von Programmen Bei der Interpretation ( Bild nächste Seite) wird ein höhersprachiges Programm Befehl für Befehl durchlaufen. Dabei wird für jeden Befehl unmittelbar ein entsprechendes kleines Maschinenprogramm ausgeführt. Der Durchlauf durch den Programmtext, seine Analyse und die Aufrufe der Maschinenprogramme werden durch einen Interpreter, ein Dienstprogramm, gesteuert. Ein Beispiel für eine höhere Sprache, deren Programme interpretiert werden, ist PHP.

8 22 2 Basistechniken BILD 2.4 Interpretation von Programmen Programm in höherer Sprache C = A + B F = D E I = G + H Interpreter Befehlsanalyse Maschinenprogramm für Addition Maschinenprogramm für Subtraktion Bei der Ausführung von Java-Programmen kommt eine Mischform aus Übersetzung und Interpretation zum Einsatz: Ein Java-Programm wird zunächst durch den Java- Compiler in maschinennahen Bytecode übersetzt. Die Java Virtual Machine (JVM) interpretiert dann diesen Bytecode, lässt ihn also auf der realen Hardware ausführen. BILD 2.5 Übersetzung und Interpretation eines Java-Programms Java-Programm Datei prog.java Bytecode-Programm Datei prog.class 1. Java-Compiler 2. Java Virtual Machine übersetzt interpretiert Java Virtual Machine (JVM) Befehlsanalyse Befehlsausführung Software, also insbesondere Maschinenprogramme, wird in Dateien auf Hintergrundspeichern oder Wechseldatenträgern gespeichert. Sie muss in den Hauptspeicher geladen werden und wird von dort (zusammen mit den zugehörigen Daten) Befehl für Befehl durch den Prozessor gelesen und ausgeführt. BILD 2.6 Laden und Ausführen von Software Programmdatei 1. Programm in den Hauptspeicher laden Programm Magnetplatte Programmdatei Daten RAM Memory Stick Programmdatei 2. Programmbefehle mit Datenwerten einzeln in den Prozessor holen und dort ausführen CD-ROM, DVD Programmbefehl Datenwerte Nebenläufigkeit in Hardware Hardware-Nebenläufigkeit wird in heutigen Computern auf verschiedenen Ebenen realisiert. Eine grundlegende Rolle spielen dabei die Prozessoren (s), die für die Ausführung von Programmen zuständig sind:

9 2.1 Formen der Nebenläufigkeit 23 Multiprozessor: Computer Cluster/Multicomputer oder verteiltes System: Computer BILD 2.7 Nebenläufigkeit in Hardware Mehrkernprozessor: Kern Hauptspeicher Computer... Kern Kern Kern Computer Heutige Prozessor-Chips enthalten oft mehrere Prozessorkerne (kurz Kerne genannt). Ein Kern umfasst zumindest ein Rechenwerk (ALU = Arithmetic-Logic Unit) zur Ausführung arithmetischer und logischer Operationen sowie Register zur kurzfristigen Speicherung von Daten und Speicheradressen. Dazu können noch weitere Komponenten wie beispielsweise Caches (kleine, schnelle Datenspeicher) kommen. Ein Kern ist damit in der Lage, Maschinenbefehle auszuführen. Sind also mehrere Kerne vorhanden, so können mehrere Programme oder Programmteile echt gleichzeitig ausgeführt werden. Mehrere Prozessor-Chips können zu einem Multiprozessorsystem zusammengefasst werden, das sich in einem einzelnen Computer befindet. Die Prozessoren sind über einen Bus (ein Leitungsbündel) oder ein komplexer aufgebautes Verbindungsnetz mit einem gemeinsamen Hauptspeicher verbunden und können so eng zusammenarbeiten. Da jeweils nur ein Prozessor gleichzeitig auf den Hauptspeicher zugreifen kann, kann dieser zum Engpass ( Bottleneck ) werden. Als Gegenmaßnahme ordnet man den einzelnen Prozessoren private Caches zu, die Kopien der am häufigsten benutzten Hauptspeicherdaten enthalten und somit den Hauptteil der Speicherzugriffe abfangen. Schließlich können mehrere Computer ( Rechnerknoten ) zu einem Gesamtsystem kombiniert werden. Die beteiligten Knoten haben jeweils ihre eigenen Prozessoren und Hauptspeicher und sind über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden. Über das Netz werden Daten und Aufträge ausgetauscht, so dass die Computer bei der Lösung komplexer Aufgaben kooperieren und die Arbeitslast untereinander verteilen können. Man kann hier zwei Architekturen unterscheiden: Bei einem Cluster (auch Multicomputer genannt) sind die Computer eng miteinander verbunden: Sie stehen örtlich nah beieinander, werden möglicherweise durch ein gemeinsames Betriebssystem gesteuert und teilen sich eventuell Peripheriegeräte. Das Kommunikationsnetz ist schnell. Bei einem verteilten System (zur Begriffsdefinition siehe auch ) ist der Verbund dagegen lockerer: Die Computer können räumlich weit verteilt sein und haben jeweils ihre eigenen Betriebssysteme und Peripheriegeräte. Das Kommunikationsnetz (meist das Internet) ist relativ langsam.

10 24 2 Basistechniken Offensichtlich realisieren alle Ansätze eine echte Nebenläufigkeit: Da mehrere Funktionseinheiten vorhanden sind, können zum selben Zeitpunkt mehrere Operationen ausgeführt werden, also echt gleichzeitig. Jedoch sind die Funktionseinheiten unterschiedlich stark gekoppelt: Die Kopplung bei Multiprozessorsystemen ist eng, da die Prozessoren über ein schnelles Kommunikationsmedium und einen gemeinsamen Hauptspeicher verbunden sind. Die Kopplung bei Clustern und mehr noch bei verteilten Systemen ist demgegenüber lose: Hier hat jeder Computer seinen eigenen Hauptspeicher und die Kommunikation läuft (unter anderem aufgrund der Entfernungen) langsamer als in einem Multiprozessor ab Nebenläufigkeit in Software Auch die Nebenläufigkeit von Software kann auf verschiedenen Ebenen realisiert werden: BILD 2.8 Nebenläufigkeit in Software höhersprachliches sequentielles Programm parallelisierender Compiler höhersprachliches Programm nebenläufige Teilstücke nebenläufige eigenständige Programme Maschinenprogramm nebenläufige Teilstücke Steuerung der nebenläufigen Ausführung durch das Betriebssystem Ein Compiler kann ein höhersprachliches sequentielles Programm parallelisieren und somit beschleunigen: Der Programmierer hat das Programm als Folge von Schritten geschrieben, von denen er denkt, dass sie hintereinander (also sequentiell ) ablaufen sollen. Der Compiler ermittelt jedoch (anhand von Datenabhängigkeiten) voneinander unabhängige Programmstücke, die problemlos auch nebenläufig ausgeführt werden können, und übersetzt sie in entsprechende Teilfolgen von Maschinenbefehlen. Diese können dann auf die verschiedenen Prozessoren oder Prozessorkerne der Hardware ( 2.1.2) gebracht werden. Der Programmierer kann sein Programm selbst in nebenläufige Teile untergliedern. Er benutzt dazu höhersprachliche Befehle, die so genannte Prozesse oder Threads erzeugen und steuern. Das Betriebssystem bringt dann diese Prozesse und Threads auf der Hardware nebenläufig zur Ausführung. Die Programmierung mit solchen Prozessen und Threads wird ein zentrales Thema dieses Buchs sein. Das Betriebssystem kann mehrere Programme, die nicht unbedingt etwas miteinander zu tun haben, gleichzeitig auf dem Computer ausführen lassen. Es teilt dabei die Programme den nebenläufigen Hardwarekomponenten zu und/oder schaltet die Hardware zwischen den Programmen um.

11 2.2 Die Rolle des Betriebssystems 25 Die Nebenläufigkeit von Software ist oft nur eine Pseudonebenläufigkeit: Sind mehr nebenläufige Software-Komponenten (z.b. Programme) als nebenläufige Hardware-Einheiten (z.b. Prozessoren) vorhanden, so können die Software-Komponenten nicht alle echt gleichzeitig ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Hardware in derart hoher Frequenz zwischen den Programmen, Prozessen oder Threads hin- und hergeschaltet, dass ein Beobachter den Eindruck der gleichzeitigen Ausführung hat. Fasst man die Betrachtungen dieses Abschnitts 2.1 zusammen, so kommt man zu der folgenden Definition der Nebenläufigkeit in Computern: Nebenläufigkeit (engl.: concurrency) ist die gleichzeitige Ausführung von Aktivitäten. Der Begriff Aktivität bezeichnet hier eine Operationsfolge, die auf der Computer-Hardware in Bearbeitung ist. Bei echter Nebenläufigkeit können zum selben Zeitpunkt t Operationen mehrerer Aktivitäten auf der Hardware ausgeführt werden. Bei der Pseudonebenläufigkeit ist zu jedem Zeitpunkt t höchstens eine Operation auf der Hardware in Ausführung; die Hardware wird jedoch derart rasch zwischen den Aktivitäten umgeschaltet, dass ein menschlicher Betrachter den Eindruck einer echt gleichzeitigen Ausführung hat. DEFINITION Nebenläufigkeit 2.2 Die Rolle des Betriebssystems Betriebssysteme sind Verwalter von Computern. Sie spielen damit bei der Realisierung von Nebenläufigkeit eine zentrale Rolle. Durch ihre Betriebsart bestimmen sie, welcher Grad von Nebenläufigkeit überhaupt möglich ist hier reicht die Bandbreite von strenger Sequentialität (also Hintereinanderausführung einzelner Aufträge) bis zu voller Nebenläufigkeit. Zudem unterstützen sie das Konzept der Prozesse und Threads. Sie stellen so Dienste bereit, über die Benutzer und Anwendungsprogramme nebenläufige Aktivitäten starten und steuern können, und sie bringen diese Aktivitäten auf der realen Hardware zur Ausführung Systemarchitekturen Zum Einstieg in diesen Abschnitt soll etwas Basiswissen über Betriebssysteme vermittelt werden, das im Zusammenhang mit Nebenläufigkeit relevant ist. Eine vertiefende Darstellung findet man in der einschlägigen Betriebssysteme-Literatur (z.b. [Silb10], [Stal12], [Tane08] oder [Vogt01]) Aufgaben und Schnittstellen In seiner klassischen Form setzt ein Betriebssystem auf die reale Hardware auf, nutzt also deren Dienste und steuert sie ( Bild nächste Seite). Nach oben bietet das Betriebssystem Dienste und Funktionen an, über die Benutzer und Anwendungsprogramme den Computer nutzen können. Ein Betriebssystem hat also zwei Aufgaben:

12 26 2 Basistechniken BILD 2.9 Position und Aufgaben des Betriebssystems Anwendungssoftware Benutzer Betriebssystem verwaltet den Computer bietet Schnittstellen Benutzerschnittstelle (User Interface UI) Programmierschnittstelle (Application Programming Interface API) Hardware Hardware-Schnittstelle Das Betriebssystem verwaltet und steuert die Komponenten des Computers. Dabei nutzt es die Funktionen der Hardware, die diese an ihrer Hardware-Schnittstelle bereitstellt. Zu den Kernaufgaben gehören hier die Verwaltung von Prozessorzeit, also die Scheduling -Entscheidung ( ), wann welche Aktivität ausgeführt wird, die Zuteilung von Hauptspeicherplatz und sonstigen Ressourcen an die einzelnen Aktivitäten und die Steuerung des Zugriffs auf Peripheriegeräte und Kommunikationsnetze. Besonders anspruchsvoll sind diese Aufgaben bei einer Hardware mit mehreren Prozessoren und/oder Prozessorkernen ( 2.1.2), da hier die Aktivitäten auf die Prozessoren/Prozessorkerne verteilt, deren Speicherzugriffe aufeinander abgestimmt ( synchronisiert ) und die Datenübertragung zwischen den einzelnen Hard- und Software-Einheiten organisiert werden müssen. Das Betriebssystem stellt Benutzern und Anwendungsprogrammen Schnittstellen zur Verfügung, über die diese den Computer nutzen können. Zu den Schnittstellen gehören die Benutzer- und die Programmierschnittstelle ( Bild nächste Seite): Über die Benutzerschnittstelle (engl.: user interface, UI) kann der Benutzer mit dem Computer kommunizieren. Man unterscheidet textorientierte und grafische Schnittstellen, über die Kommandos in einer textuellen Kommandosprache bzw. über eine Maus oder einen berührungsempfindlichen Bildschirm eingegeben werden. Die Programmierschnittstelle (engl.: application programming interface, API) ist eine Sammlung von Funktionen, die aus einem höhersprachigen Programm heraus aufgerufen werden können. Über die Programmierschnittstelle kann also ein Anwendungsprogrammierer auf die Dienste des Betriebssystems zugreifen. UNIX/Linux realisiert eine Programmierschnittstelle in der Programmiersprache C. Sie wird angeboten durch den UNIX- bzw. Linux-Kern (also den innersten Teil des Betriebssystems, der unmittelbar auf die Hardware aufsetzt) zusammen mit der C-Bibliothek. Das folgende Programm zeigt als Beispiel

13 2.2 Die Rolle des Betriebssystems 27 BILD 2.10 Textorientierte und grafische Benutzerschnittstelle Anzeige der aktiven nebenläufigen Prozesse : an der textorientierten Linux-Schnittstelle (oben) an der grafischen Windows-Schnittstelle (links) Aufrufe der UNIX/Linux-Schnittstellenfunktionen open(), write() und close(), durch die eine Datei neu erzeugt und mit einem Text gefüllt wird: #include <stdio.h> /* Standard-Ein-/Ausgabe */ #include <string.h> /* Verarbeitung von Zeichenketten */ #include <stdlib.h> /* Funktion exit() u.a. */ #include <errno.h> /* Fehlerbehandlung */ main() { int fd; /* Deskriptor für die geöffnete Datei */ int err; /* Zwischenspeicher für Fehlermeldungen */ /* Eine Datei namens "myfile" neu erzeugen (O_CREAT) und zum Schreiben (O_WRONLY) öffnen. PROG 2.1 Aufruf von Funktionen der UNIX/Linux- Programmierschnittstelle (API)

14 verzeichnis Carsten Vogt Nebenläufige Programmierung Ein Arbeitsbuch mit UNIX/Linux und Java ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

15 Index A aktives Warten 85, 219 Aktivität 25 Alles-oder-nichts-Prinzip 95, 96, 102, 107 in UNIX/Linux 121, 127 Apache Axis 243 Applet 238 Application Programming Interface (API) 26 Atomarität 89 Fehler bei Missachtung 108 B Barriere in Java 143 Batch Mode 32 Bedingungsvariable 112 in UNIX/Linux 132 Belegungs-Anforderungs-Graph 106 Benutzerschnittstelle 26 Betriebsart 32 Betriebssystem 25 Aufgaben 25 Kern 26 Netzdienste 30 Schnittstellen 26 bidirektionale Kommunikation 167 Blocking Send/Receive 165 Broadcast 163 Bussperre 89 C Cigarette Smokers Problem 158 client-/serverseitige Ausführung 225 Client-Server-Modell 218 Client-Socket in Java 197 in UNIX/Linux 184 Cluster 23 CORBA 224 D Datagramm 185 Datagram-Socket 170 in Java 200 in UNIX/Linux 183, 191 Datenstrom 161 Deadlock 100, 106 Aufhebung 107 beim Philosophenproblem 101 Verhinderung 107 Vermeidung 107 Dispatching 40 Distributed Shared Memory (DSM) 163 Dynamic Port 186 dynamische Webseite 225, 238 E Einprogrammbetrieb 32 Eltern-Kind-Beziehung 42, 44, 46 Enterprise JavaBeans (EJB) 194 Erzeuger-Verbraucher-Problem 83 mit allgemeinen Semaphoren 98, 102 mit Java-Condition 143 mit Java-Piped-Streams 195 mit Java-wait()/notify() 141 mit Monitor 114 mit Pthreads-Bedingungsvariablen 133 mit UNIX/Linux-Pthreads 133 mit UNIX-Message-Queue 181 mit UNIX-Semaphoren 129, 173 mit UNIX-Shared-Memory 173 Event 90 in Java 141 F Fairness 109 Fat Client 221

16 256 Index G Gast-Betriebssystem 29 geordnete Ressourcenanforderung 107 H Hardware eines Computers 20 Hardware-Nebenläufigkeit 22 Host-Betriebssystem 29 Hypertext Transfer Protocol (HTTP) 170 in UNIX/Linux 226 I Interface Definition Language (IDL) 223 in UNIX/Linux 228, 230 Internet Protocol (IP) 169 Internet-Domain 182 Inter-Process Communication (IPC) 161 Interrupt 219 Interruptsperre 85 J Java Applet 238 Interrupt-Flag 66 Pipe 194 Remote Method Invocation (RMI) 234 Servlet 240 Shared Memory 64 Socket 196 Thread 60 Web Service 241 Java Message Service (JMS) 194 Java Server Pages (JSP) 240 Java Virtual Machine (JVM) 22, 29, 238 Java-Klassen/Interfaces Atomic 135 BlockingQueue 143 Collections 136 Condition 143 CountDownLatch 143 CyclicBarrier 143 DatagramPacket 200 DatagramSocket 200 Exchanger 144 InterruptedException 66, 140 LinkedBlockingQueue 141 Lock 142 PipedInputStream 194 PipedOutputStream 195 ReadWriteLock 143 ReentrantLock 142 Semaphore 136 ServerSocket 197 Socket 197 Thread 60 Java-Methoden currentthread() 64 getid()/getname()/setname() 64 getstate() 64 interrupt()/isinterrupted() 64, 66 isalive() 64 join() 63 notify() 140 notifyall() 140 run() 61 setpriority()/getpriority() 64 sleep() 64 start() 61 synchronized 138, 139 synchronizedxxx() 136 wait() 140 yield() 64 JAX-RS 243 JAX-WS 241 JSON 226 K Kern eines Betriebssystems 26 eines Prozessors 23 Kommunikation 161 direkte vs. indirekte 164 synchrone vs. asynchrone 166 Kommunikationsprotokoll 167 Kommunikationssystem 161, 166 Konkurrenz 80 Kontext 35 Kooperation 81, 217 objektorientierte 224

17 Index 257 prozedurorientierte 222 synchrone vs. asynchrone 219 Kopplung (enge vs. lose) 24 kritischer Abschnitt 80, 96 L Lebenszyklus 37 Leser-Schreiber-Problem 83 in Java 143 mit allgemeinen Semaphoren 99 mit Monitor 116 Lock-Datei 90 in UNIX/Linux 120 Lock-Variable 87 M Mailbox 164 in UNIX/Linux 177 Marshalling 223 Mehrprogrammbetrieb 33 Message Passing Interface (MPI) 194 Message Queue 177 Middleware 31 Monitor 110 Bedingungsvariable 112 in Java 138 Multicast 163 Multicomputer 23 Multiprogramming 33 Multiprozessorsystem 23 Multitasking 19, 33 Mutex 95 bei Java-Monitoren 139 in UNIX/Linux 132 N.NET 224 Nachricht 161, 185 nachrichtenbasierte Kommunikation 161 Nebenläufigkeit 13, 19, 25 durch Compiler 24 echte 24, 25 in Hardware 22 in Software 24 Pseudo- 25 Netzdienste 30 Nonblocking Send/Receive 165 O ONC RPC 228 Ortstransparenz 30 P Parallelisierung 24 passives Warten 85, 219 Peer-to-Peer-Modell (P2P) 221 Philosophenproblem 84 mit allgemeinen Semaphoren 101 mit Monitor 117 Pipe 174, 194 benannte 175 unbenannte 176 Polling 85, 166, 219 P-Operation 91 Port 164 in UNIX/Linux 177 Nummer 170, 186 Portmapper 232 Process Identifier (PID) 39 Programmierschnittstelle (API) 26 Protokoll 167 Protokollinstanz 167 Protokollstack 169 Proxy 224 Prozedurfernaufruf 222 Prozess 34, 36 in UNIX/Linux 42, 46 Kontext 35 Lebenszyklus 37, 38 Priorität 41 Terminierung 38 Prozesskontrollblock 39 Prozessorkern 23 Prozesstabelle 40 Pseudonebenläufigkeit 25 Pthread 55 Synchronisation 132 Pufferspeicher (siehe auch Ringpuffer) 83

18 258 Index R Race Condition 81 Rechnerknoten 23 Registry 235, 236 Reihenfolgebedingung 82 mit allgemeinen Semaphoren 97 mit Java-Semaphoren 137 mit Monitor 115 mit UNIX-Semaphoren 128 Remote Interface 235 Remote Method Invocation (RMI) 224 in Java 234 Remote Object 224, 235, 236 Remote Procedure Call (RPC) 222 in UNIX/Linux 228 Rendezvous 166 REST 226, 243 Ringpuffer als Monitor 111, 114, 139 in Java 139 in UNIX/Linux 133 mit Lese-/Schreiboperationen 114, 133 nur mit Schreiboperation 111, 139 RMI Registry 235, 236 Round Robin 41 RPC-Generator rpcgen 229, 230 S Scheduling 40 Scriptlet 240 Semaphor 91 Alles-oder-nichts-Prinzip 95, 96, 102, 107, 121 binärer 95 in Java 136 in UNIX/Linux 121 sequentielle Bearbeitung 32, 33 Server-Socket in Java 197 in UNIX/Linux 184 Servlet 240 Shared Memory 161 in Java 64 in UNIX/Linux 171 Signal 90 in UNIX/Linux 118 Signal Handler 119 Single Tasking Mode 32 Skeleton 224 Sleeping Barber Problem 153 SOAP 225 Socket 166, 170 Domains 182 in Java 196 in UNIX/Linux 182 Typen 183 Software eines Computers 21 Software-Nebenläufigkeit 24 speicherbasierte Kommunikation 161 Spinlock 86, 89 mit Lock-Dateien in UNIX/Linux 120 Spooling 33 Stapelverarbeitung 32 Stream-Socket 170 in Java 197 in UNIX/Linux 183, 188 strombasierte Kommunikation 161 Stub 222 Synchronisation 79 Synchronisationsbedingung 79 Synchronisationsmechanismus 79, 85 T Task 36 Terminierung 38 Thin Client 221 Thread 36, 37 in Java 60 in UNIX/Linux 55 Lebenszyklus 37, 38 thread-safe 135 Three Tier Model 220 Timesharing 34 Transmission Control Protocol (TCP) 170 U Unicast 163 unidirektionale Kommunikation 174 UNIX/Linux Bedingungsvariable 132 Benutzerkommandos 42

19 Index 259 Lock-Datei 120 Message Queue 177 Mutex 132 Pipe 174 Programmierschnittstelle (API) 26, 45 Prozess 42, 46 Semaphor 121 Shared Memory 171 Signal 118 Socket 182 Thread 55 UNIX/Linux-API 26, 45 accept() 184, 187 bind() 184, 185 callrpc() 229 clnt_create() 229 clone() 59 close() 185, 187 connect() 184, 187 errno 28 execv() 49, 54 exit() 48, 53 Fehlerabfrage 28 fork() 46, 50 getpid() 49, 52 getppid() 49, 52 kill() 50, 54, 118 listen() 184, 186 mkfifo() 175 msgctl() 178 msgget() 177 msgrcv() 179, 180 msgsnd() 179 pause() 119 perror() 28 pipe() 176 pthread_cancel() 58 pthread_cond_xxx() 132 pthread_create() 55 pthread_exit() 55 pthread_join() 58 pthread_mutex_xxx() 132 read() 185, 187 recv() 185 recvfrom() 185, 188 semctl() 123 semget() 121 semop() 125 send() 185 sendto() 185, 188 shmat() 172 shmctl() 172 shmget() 171 shutdown() 187 sigaction() 119 signal() 119 sigsuspend() 119 sleep() 49 socket() 184, 185 vfork() 59 wait() 48, 53 waitpid() 48 write() 185, 187 UNIX/Linux-Benutzerkommandos 42 ipcrm 124, 173, 178 ipcs 124, 173, 178 kill 45 ps 42 rpcgen 229, 230 sleep 45 wait 45 UNIX-Domain 183 User Datagram Protocol (UDP) 170 V Vater-Sohn-Beziehung 42, 44, 46 Verhungern 100 Verklemmung 106 Verteiltes System 23, 30, 32, 217 Virtualisierung 28 VMware 29 V-Operation 91 W Warten, aktives vs. passives 85 Web Service 225 in Java 241 Webseite 225, 238 wechselseitiger Ausschluss 80 in Java 138

20 260 Index mit allgemeinen Semaphoren 96 mit Monitor 110 mit UNIX-Semaphoren 129 WSDL 226 X XDR 228, 230 Xen 29 XML-RPC 226 Z Zombie-Zustand 39, 48 Zustandsübergangsdiagramm 38