Computer-Nutzer dürften mit großer Wahrscheinlichkeit sowohl mit parallelen Abläufen auf ihrem eigenen Rechner als auch verteilten Anwendungen vertraut sein. So ist jeder Benutzer eines PC heutzutage gewohnt, dass z. B. gleichzeitig eine größere Video-Datei kopiert, ein Musikstück aus einer MP3-Datei abgespielt, ein Java-Programm übersetzt und ein Dokument in einem Editor oder Textverarbeitungsprogramm bearbeitet werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass die Mehrzahl der genutzten Computer an das Internet angeschlossen ist, sind heute auch nahezu alle den Umgang mit verteilten Anwendungen wie der elektronischen Post oder dem World Wide Web gewohnt.
Dieses Buch handelt allerdings nicht von der Benutzung, sondern von der Entwicklung paralleler und verteilter Anwendungen mit Java. In diesem ersten einleitenden Kapitel werden zunächst einige wichtige Begriffe wie Parallelität, Nebenläufigkeit, Verteilung, Prozesse und Threads geklärt.
| 1.1 | Parallelität, Nebenläufigkeit und Verteilung |
Wenn mehrere Vorgänge gleichzeitig auf einem Rechner ablaufen, so sprechen wir von Parallelität oder Nebenläufigkeit (engl. concurrency). Diese Vorgänge können dabei echt gleichzeitig oder nur scheinbar gleichzeitig ablaufen: Wenn ein Rechner mehrere Prozessoren bzw. einen Mehrkernprozessor (Multicore-Prozessor) besitzt, dann ist echte Gleichzeitigkeit möglich. Man spricht in diesem Fall auch von echter Parallelität. Besitzt der Rechner aber nur einen einzigen Prozessor mit einem einzigen Kern, so wird die Gleichzeitigkeit der Abläufe nur vorgetäuscht, indem in sehr hoher Frequenz von einem Vorgang auf den nächsten umgeschaltet wird. Man spricht in diesem Fall von Pseudoparallelität oder Nebenläufigkeit. Die Begriffe Parallelität und Nebenläufigkeit werden in der Literatur nicht einheitlich verwendet: Einige Autoren verwenden den Begriff Nebenläufigkeit als Oberbegriff für echte Parallelität und Pseudoparallelität, für andere Autoren sind Nebenläufigkeit und Pseudoparallelität Synonyme. In diesem Buch wird der Einfachheit halber nicht zwischen Nebenläufigkeit und Parallelität unterschieden; mit beiden Begriffen sollen sowohl die echte als auch die Pseudoparallelität gemeint sein.
Wenn das gleichzeitige Ablaufen von Vorgängen auf mehreren Rechnern betrachtet wird, wobei die Rechner über ein Rechnernetz gekoppelt sind und darüber miteinander kommunizieren, spricht man von Verteilung (verteilte Systeme, verteilte Anwendungen).
Wir unterscheiden also, ob die Vorgänge auf einem Rechner oder auf mehreren Rechnern gleichzeitig ablaufen; im ersten Fall sprechen wir von Parallelität, im anderen Fall von Verteilung. Die Mehrzahl der Leserinnen und Leser dürfte vermutlich mit dieser Unterscheidung zufrieden sein. In manchen Fällen ist es aber gar nicht so einfach zu entscheiden, ob ein gegebenes System einen einzigen Rechner oder eine Vielzahl von Rechnern darstellt. Betrachten Sie z. B. ein System zur Steuerung von Maschinen, wobei dieses System in einem Schaltschrank untergebracht ist, in dem sich mehrere Einschübe mit Prozessoren befinden. Handelt es sich hier um einen oder um mehrere kommunizierende Rechner? Zur Klärung dieser Frage wollen wir uns hier an die allgemein übliche Unterscheidung zwischen eng und lose gekoppelten Systemen halten: Ein eng gekoppeltes System ist ein Rechnersystem bestehend aus mehreren gekoppelten Prozessoren, wobei diese auf einen gemeinsamen Speicher (Hauptspeicher) zugreifen können. Ein lose gekoppeltes System (auch verteiltes System genannt) besteht aus mehreren gekoppelten Prozessoren ohne gemeinsamen Speicher (Hauptspeicher), die über ein Kommunikationssystem Nachrichten austauschen. Ein eng gekoppeltes System sehen wir als einen einzigen Rechner, während wir ein lose gekoppeltes System als einen Verbund mehrerer Rechner betrachten.
Parallelität und Verteilung schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern hängen im Gegenteil eng miteinander zusammen: In einem verteilten System laufen auf jedem einzelnen Rechner mehrere Vorgänge parallel (echt parallel oder pseudoparallel) ab. Wie auch in diesem Buch noch ausführlich diskutiert wird, arbeitet ein Server im Rahmen eines Client-Server-Szenarios häufig parallel, um mehrere Clients gleichzeitig zu bedienen. Außerdem können verteilte Anwendungen, die für den Ablauf auf unterschiedlichen Rechnern vorgesehen sind, im Spezialfall auf einem einzigen Rechner parallel ausgeführt werden.
Sowohl Parallelität als auch Verteilung werden durch Hard- und Software realisiert. Bei der Software spielt das Betriebssystem eine entscheidende Rolle. Das Betriebssystem verteilt u. a. die auf einem Rechner gleichzeitig möglichen Abläufe auf die vorhandenen Prozessoren bzw. die vorhandenen Kerne des Rechners. Auf diese Art vervielfacht also das Betriebssystem die Anzahl der vorhandenen Prozessoren bzw. der vorhandenen Kerne virtuell. Diese Virtualisierung ist eines der wichtigen Prinzipien von Betriebssystemen, die auch für andere Ressourcen realisiert wird. So wird z. B. durch das Konzept des virtuellen Speichers ein größerer Hauptspeicher vorgegaukelt als tatsächlich vorhanden. Erreicht wird dies, indem immer die gerade benötigten Daten vom Hintergrundspeicher (Platte) in den Hauptspeicher transferiert werden.
| 1.2 | Programme, Prozesse und Threads |
Im Zusammenhang mit Parallelität bzw. Nebenläufigkeit und Verteilung muss zwischen den Begriffen Programm, Prozess und Thread (Ausführungsfaden) unterschieden werden. Da es einen engen Zusammenhang zu den Themen Betriebssysteme, Rechner und verteilte Systeme gibt, sollen alle diese Begriffe anhand einer Metapher verdeutlicht werden:
Ein Programm entspricht einem Rezept in einem Kochbuch. Es ist statisch. Es hat keine Wirkung, solange es nicht ausgeführt wird. Dass man von einem Rezept nicht satt wird, ist hinlänglich bekannt.
Einen Prozess kann man sich vorstellen als eine Küche und einen Thread als einen Koch. Ein Koch kann nur in einer Küche existieren, aber nie außerhalb davon. Umgekehrt muss sich in einer Küche immer mindestens ein Koch befinden. Alle Köche gehen streng nach Rezepten vor, wobei unterschiedliche Köche nach demselben oder nach unterschiedlichen Rezepten kochen können. Jede Küche hat ihre eigenen Pfannen, Schüsseln, Herde, Waschbecken, Messer, Gewürze, Lebensmittel usw. Köche in unterschiedlichen Küchen können sich gegenseitig nicht in die Quere kommen, wohl aber die Köche in einer Küche. Diese müssen den Zugriff auf die Materialien und Geräte der Küche koordinieren.
Ein Rechner ist in dieser Metapher ein Haus, in dem sich mehrere Küchen befinden.
Ein Betriebssystem lässt sich mit einem Hausmeister eines Hauses vergleichen, der dafür sorgt, dass alles funktioniert (z. B. dass immer Strom für den Herd da ist). Der Hausmeister übernimmt u. a. auch die Rolle eines Boten zwischen den Küchen, um Gegenstände oder Informationen zwischen den Küchen auszutauschen. Auch kann er eine Küche durch einen Anbau vergrößern, wenn eine Küche zu klein geworden ist.
Ein verteiltes System besteht entsprechend aus mehreren solcher Häuser mit Küchen, wobei die Hausmeister der einzelnen Häuser z. B. über Telefon oder über hin- und herlaufende Boten untereinander kommunizieren können. Somit können Köche, die in unterschiedlichen Häusern arbeiten, Gegenstände oder Informationen austauschen, indem sie ihre jeweiligen Hausmeister damit beauftragen.
Diese Begriffe und ihre Beziehung sind in Bild 1.1 zusammenfassend dargestellt.
Bild 1.1 Häuser, Küchen, Köche und Hausmeister als Metapher für Rechner, Prozesse, Threads und Betriebssysteme
Am Beispiel der Programmiersprache Java und der Ausführung von Java-Programmen lässt sich diese Metapher nun auf die Welt der Informatik übertragen:
Ein Programm (Kochrezept) ist in einer Datei abgelegt: als Quelltext in einer oder mehreren Java-Dateien und als übersetztes Programm (Byte-Code) in einer oder mehreren Class-Dateien.
Zum Ausführen eines Programms mit Hilfe des Kommandos java wird eine JVM (Java Virtual Machine) gestartet. Bei jedem Erteilen des Java-Kommandos wird ein neuer Prozess (Küche) erzeugt. Ein Prozess stellt im Wesentlichen einen Adressraum für den Programmcode und die Daten dar. Der Programmcode, der sich in einer oder mehreren Dateien befindet, wird in den Adressraum des Prozesses geladen. Es ist möglich, mehrere JVMs zu starten, so dass die entsprechenden Prozesse alle gleichzeitig existieren, wobei jeder Prozess seinen eigenen Adressraum besitzt.
Jeder Prozess und damit auch jede JVM hat als Aktivitätsträger mindestens einen Thread (Koch). Neben den so genannten Hintergrund-Threads, die z. B. für die Speicherbereinigung (Garbage...
