Kommunikation und Parallele Prozesse - Cheatsheet

Prinzipien der Prozesskommunikation

Definition:

Grundsätze zur Interaktion zwischen Prozessen in parallelen und verteilten Systemen zur Synchronisation und zum Datenaustausch.

Details:

• Konzepte: Nachrichtenübermittlung, gemeinsame Speicher, Semaphoren
• Nachrichtenübermittlung: synchronous/asynchronous, blocking/non-blocking
• Middleware: CORBA, MPI, JMS
• Gemeinsamer Speicher: Shared Memory, Message-Passing
• Probleme: Deadlocks, Race Conditions
• Mechanismen zur Synchronisation: Mutex, Monitore, Barrieren

Parallelität und Concurrency

Definition:

Parallelität: Gleichzeitige Ausführung mehrerer Aufgaben. Concurrency: Strukturierung von Aufgaben, die scheinbar gleichzeitig ablaufen.

Details:

• Kontextwechsel (\textit{context switch}) bei Concurrency
• \textit{Thread}- und \textit{Prozess}-Parallelität
• Ressourcenkonflikte und Synchronisation
• Nutzt Mehrkernprozessoren effizient
• Wichtig für Systemleistung und -verfügbarkeit

Synchrone vs. Asynchrone Kommunikation

Definition:

Synchrone Kommunikation: Sender und Empfänger agieren gleichzeitig. Asynchrone Kommunikation: Sender und Empfänger agieren unabhängig voneinander.

Details:

• Synchrone Kommunikation: Synchronisation erforderlich.
• Asynchrone Kommunikation: Verwendung von Puffer oder Queues.
• Synchrone Operationsblockierung bis zur Bestätigung.
• Asynchrone Operationen erlauben parallele Ausführung.
• Beispiele: synchrone RPCs, asynchrone Message Queues.

Deadlock-Verhinderung und -Auflösung

Definition:

Techniken zur Vermeidung und Lösung von Deadlocks (Verklemmungen) in parallelen und verteilten Systemen.

Details:

• Deadlock: Zustand, in dem Prozesse gegenseitig auf Ressourcen warten, wodurch keine Fortschritte erzielt werden.
• Klauseln für Deadlock: Mutual Exclusion, Hold and Wait, No Preemption, Circular Wait.
• Vermeidung: Bankier-Algorithmus, Ressourcen-Hierarchie.
• Erkennung: Graph-basierte Methoden.
• Auflösung: Prozessabbruch, Ressourcenentzug.

Client-Server-Modelle

Definition:

Basismodell der Netzwerkkommunikation, bei dem der Client Anfragen an den Server stellt und der Server darauf antwortet.

Details:

• Client: Initiiert die Kommunikation, stellt Anfragen.
• Server: Antwortet auf Anfragen, bietet Dienste an.
• Verbindung: Meistens über TCP/IP.
• Zustandslosigkeit: HTTP-Anfragen sind zustandslos, jede Anfrage ist unabhängig.
• Latenz und Bandbreite: Entscheidende Faktoren für Leistungsfähigkeit.
• Schnittstellen: Standardisierte Protokolle wie HTTP, FTP.
• Beispielanwendungen: Webdienste, Datenbankanfragen.

Kritische Abschnitte und Semaphore

Definition:

Kritische Abschnitte bezeichnen Programmabschnitte, in denen auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugegriffen wird. Semaphore sind Synchronisationsmechanismen zur Verwaltung des Zugriffs auf diese Ressourcen.

Details:

• Kritische Abschnitte: Bereiche, die nur von einem Prozess/Thread gleichzeitig betreten werden dürfen.
• Problem: Vermeidung von Race Conditions.
• Semaphore: Variablen zur Zählung von Ressourcen, initialisiert mit der Anzahl verfügbarer Ressourcen.
• Operationen: wait(S) (P-Operation) und signal(S) (V-Operation).
• Synchronisation: wait(S) dekrementiert, signal(S) inkrementiert den Semaphorwert.

Shared Memory vs. Message Passing

Definition:

Vergleich von zwei parallelen Kommunikationsmethoden in parallelen Systemen: Gemeinsamer Speicher (Shared Memory) vs. Nachrichtenübermittlung (Message Passing).

Details:

• Shared Memory: Prozesse teilen sich einen gemeinsamen Adressraum.
• Vorteile: Schnellerer Zugriff (keine Kopieroperationen).
• Nachteile: Synchronisationsprobleme (Race Conditions, Deadlocks).
• Message Passing: Prozesse kommunizieren durch den Austausch von Nachrichten.
• Vorteile: Kein gemeinsamer Speicher, daher keine Synchronisationsprobleme.
• Nachteile: Höherer Kommunikationsaufwand (Kopieroperationen).
• Verwendung: Shared Memory oft in Multithreading, Message Passing oft in verteilten Systemen.

Fehlertoleranz und Wiederherstellung

Definition:

Techniken und Methoden zur Sicherstellung der Systemfunktionalität und Datenintegrität trotz Fehlern oder Ausfällen.

Details:

• Fehlertoleranz: Fähigkeit eines Systems, nach Fehlern weiterhin korrekt zu funktionieren.
• Wiederherstellung: Rückführung des Systems in einen konsistenten Zustand nach Fehlern.
• Redundanz: Einsatz mehrfach vorhandener Komponenten zur Kompensation von Fehlern.
• Checkpointing: Regelmäßiges Speichern des Systemzustands zur Minimierung von Datenverlust.
• Transaktionsprotokollierung: Aufzeichnung aller Änderungen zur nachträglichen Korrektur von Fehlern.
• Fehlerklassifikation: Unterscheidung von transienten, intermittierenden und permanenten Fehlern.
• Fehlertypen: Hardwarefehler, Softwarefehler, Netzwerkfehler.
• Rekonfigurationsmechanismen: Dynamische Anpassung des Systems zur Umgehung fehlerhafter Bereiche.