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Carsten Vogt
Nebenläufige Programmierung
Ein Arbeitsbuch mit UNIX/Linux und Java
Vorwort
6
Inhalt
8
1 Einführung
14
2 Basistechniken
20
2.1 Formen der Nebenläufigkeit
21
2.1.1 Hard- und Software – eine Kurzeinführung
21
2.1.1.1 Computer-Hardware
21
2.1.1.2 Computer-Software
22
2.1.2 Nebenläufigkeit in Hardware
23
2.1.3 Nebenläufigkeit in Software
25
2.2 Die Rolle des Betriebssystems
26
2.2.1 Systemarchitekturen
26
2.2.1.1 Aufgaben und Schnittstellen
26
2.2.1.2 Virtualisierung
29
2.2.1.3 Netzdienste und verteilte Systeme
31
2.2.2 Betriebsarten
33
2.2.3 Prozesse und Threads
35
2.2.3.1 Prozesse
35
2.2.3.2 Threads
37
2.2.3.3 Der Lebenszyklus
38
2.2.4 Implementierungsaspekte
40
2.2.4.1 Buchführung
40
2.2.4.3 Scheduling
41
2.3 Prozesse und Threads in UNIX/Linux
43
2.3.1 Kommandos der Benutzerschnittstelle
43
2.3.2 Grundlegende API-Funktionen für Prozesse
46
2.3.2.1 Die Funktion fork()
47
2.3.2.2 Weitere Funktionen
49
2.3.2.3 Programmbeispiele
51
2.3.3 Grundlegende API-Funktionen für Threads
56
2.3.3.1 Pthreads: pthread_create(), pthread_exit()
56
2.3.3.2 Pthreads: pthread_join(), pthread_cancel()
59
2.3.3.3 vfork() und clone()
60
2.4 Threads in Java
61
2.4.1 Die Klasse Thread
61
2.4.1.1 run() und start()
62
2.4.1.2 join()
64
2.4.1.3 Weitere Methoden
65
2.4.2 Grundlegende Programmiertechniken
65
2.4.2.1 Zugriff auf gemeinsame Variablen
65
2.4.2.2 Beenden von Threads
66
2.5 Zusammenfassung und Ausblick
68
2A Basistechniken: Aufgaben
70
2A.1 Wissens- und Verständnisfragen
70
2A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben
72
2A.3 Programmierung unter UNIX/Linux
74
2A.4 Programmierung in Java
76
3 Synchronisation
80
3.1 Synchronisationsbedingungen
80
3.1.1 Elementare Bedingungen
80
3.1.1.1 Wechselseitiger Ausschluss
81
3.1.1.2 Reihenfolgebedingung
82
3.1.2 Komplexere Probleme
83
3.1.2.1 Erzeuger-Verbraucher-Problem
84
3.1.2.2 Leser-Schreiber-Problem
84
3.1.2.3 Philosophenproblem
85
3.2 Einfache Synchronisationsmechanismen
85
3.2.1 Grundlegende Eigenschaften
86
3.2.2 Interruptsperren
86
3.2.3 Spinlocks
87
3.2.4 Signale und Events
91
3.3 Synchronisation durch Semaphore
92
3.3.1 Arbeitsprinzip von Semaphoren
92
3.3.1.1 Datenstrukturen und Operationen
92
3.3.1.2 Semaphoroperationen in Bild und Notation
94
3.3.1.3 Varianten und Erweiterungen
96
3.3.2 Einsatz bei Standardproblemen
97
3.3.2.1 Wechselseitiger Ausschluss
97
3.3.2.2 Reihenfolgebedingung
98
3.3.2.3 Erzeuger-Verbraucher-Problem
99
3.3.2.4 Leser-Schreiber-Problem
100
3.3.2.5 Philosophenproblem
102
3.3.3 Systematische Lösung von Problemen
103
3.3.4 Fehlerquellen
106
3.3.4.1 Deadlocks: Problematik
107
3.3.4.2 Deadlocks: Lösungen
108
3.3.4.3 Missachtung der Atomarität
109
3.3.4.4 Einsatz von sleep()
110
3.3.4.5 Mangelnde Fairness
110
3.4 Synchronisation durch Monitore
111
3.4.1 Grundprinzip von Monitoren
111
3.4.1.1 Definition des Monitorbegriffs
111
3.4.1.2 Beispiel: Einfacher Ringpuffer mit Überschreiben
112
3.4.2 Bedingungsvariablen
113
3.4.2.1 Zweck und Einsatz
113
3.4.2.2 Beispiel: Ringpuffer für Erzeuger/Verbraucher
115
3.4.2.2 Beispiel: Ringpuffer für Erzeuger/Verbraucher
115
3.4.3 Lösung weiterer Standardprobleme
116
3.4.3.1 Reihenfolgebedingung
116
3.4.3.2 Leser-Schreiber-Problem
117
3.4.3.3 Philosophenproblem
118
3.5 Mechanismen in UNIX/Linux
119
3.5.1 Signale
119
3.5.2 Lock-Dateien
121
3.5.3 Semaphore
122
3.5.3.1 Erzeugen von Semaphorgruppen
122
3.5.3.2 Initialisieren und Löschen
124
3.5.3.3 P- und V-Operationen
126
3.5.3.4 Programmstrukturen und -beispiele
128
3.5.4 Mutexe mit Bedingungsvariablen
133
3.5.4.1 Mutexe
133
3.5.4.2 Bedingungsvariablen
133
3.5.4.3 Beispiel: Erzeuger-Verbraucher mit Ringpuffer
134
3.6 Mechanismen in Java
136
3.6.1 Atomare Operationen
136
3.6.1.1 Basistypen
136
3.6.1.2 Collections
137
3.6.2 Semaphore
137
3.6.2.1 Die Klasse Semaphore
137
3.6.2.2 Beispiel: Reihenfolgebeziehung
138
3.6.3 Monitore
139
3.6.3.1 synchronized
139
3.6.3.2 wait() und notify()
141
3.6.3.3 Die Interfaces Lock und Condition
143
3.6.4 Weitere Mechanismen
144
3.7 Zusammenfassung und Ausblick
145
3A Synchronisation: Aufgaben
148
3A.1 Wissens- und Verständnisfragen
148
3A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben
151
3A.3 Programmierung unter UNIX/Linux
156
3A.4 Programmierung in Java
159
4 Kommunikation
162
4.1 Grundlegende Begriffe
162
4.1.1 Arten der Kommunikation
162
4.1.2 Sender-Empfänger-Beziehungen
164
4.1.2.1 Ein oder mehrere Sender und Empfänger
164
4.1.2.2 Direkte vs. indirekte Kommunikation
165
4.1.2.3 Enge vs. lose zeitliche Kopplung
166
4.1.3 Kommunikation in Rechnernetzen
167
4.1.3.1 Schnittstellen: Sockets
167
4.1.3.2 Protokolle und Protokollstacks
168
4.1.3.3 Der Protokollstack des Internets
170
4.2 Techniken in UNIX/Linux
171
4.2.1 Shared Memory
172
4.2.1.1 API-Funktionen
172
4.2.1.2 Programmbeispiel: Erzeuger-Verbraucher-System
174
4.2.2 Pipes
175
4.2.2.1 Benannte Pipes
176
4.2.2.2 Unbenannte Pipes
177
4.2.3 Message Queues
178
4.2.3.1 API-Funktionen: Erzeugen und Löschen
178
4.2.3.2 API-Funktionen: Senden und Empfangen
179
4.2.3.3 Programmbeispiel: Erzeuger-Verbraucher-System
182
4.2.4 Sockets
183
4.2.4.1 Domains und Typen
183
4.2.4.2 API-Funktionen: Übersicht
184
4.2.4.3 API-Funktionen: Erzeugen und Schließen
186
4.2.4.4 API-Funktionen: Verbinden und Kommunizieren
188
4.2.4.5 Programmbeispiel: Stream-Sockets
189
4.2.4.6 Programmbeispiel: Datagram-Sockets
192
4.3 Techniken in Java
194
4.3.1 Übersicht
194
4.3.2 Piped Streams
195
4.3.3 Sockets
197
4.3.3.1 Stream-Sockets
198
4.3.3.2 Datagram-Sockets
201
4.4 Zusammenfassung und Ausblick
203
4A Kommunikation: Aufgaben
206
4A.1 Wissens- und Verständnisfragen
206
4A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben
209
4A.3 Programmierung unter UNIX/Linux
210
4A.4 Programmierung in Java
214
5 Kooperation
218
5.1 Modelle und Techniken
218
5.1.1 Das Client-Server-Modell
218
5.1.1.1 Grundlegende Struktur
219
5.1.1.2 Zeitliche Abläufe
219
5.1.1.3 Implementierungsaspekte
221
5.1.2 Das Peer-to-Peer-Modell
222
5.1.3 Programmiertechniken
223
5.1.3.1 Prozedurorientierte Kooperation
223
5.1.3.2 Objektorientierte Kooperation
225
5.1.3.3 Webbasierte Kooperation
226
5.2 Techniken in UNIX/Linux
227
5.2.1 Kooperation über Sockets
227
5.2.2 Remote Procedure Call (RPC)
229
5.2.2.1 Komponenten und ihr Zusammenspiel
229
5.2.2.2 Schritte der Programmierung
231
5.3 Techniken in Java
235
5.3.1 Remote Method Invocation (RMI)
235
5.3.1.1 Komponenten und ihr Zusammenspiel
235
5.3.1.2 Schritte der Programmierung
236
5.3.2 Dynamische Webseiten
239
5.3.2.1 Applets
239
5.3.2.2 Servlets und Java Server Pages
241
5.3.3 Web Services
242
5.4 Zusammenfassung
244
5A Kooperation: Aufgaben
246
5A.1 Wissens- und Verständnisfragen
246
5A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben
248
5A.3 Programmierung unter UNIX/Linux
250
5A.4 Programmierung in Java
251
Literatur und Internet
254
Internet-Quellen
255
Index
256
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