Nebenläufige Programmierung Holger Hermanns

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Dies ist eine Pflichtvorlesung im Bachelor Informatik an der Universität des Saarlandes.

Sie wurde ausgezeichnet mit dem Preis des Fakultätentages Informatik 2013.


Nebenläufige Programmierung

Multi-Cores und andere parallele Architekturen (zum Beispiel Graphikprozessoren) finden sich mittlerweile auf jedem Schreibtisch. Solche Systeme effizient programmieren zu können, ist eine große Herausforderung. Glaubt man den Vorhersagen der Hardware-Hersteller, wird dies schon bald zum Alltag eines jeden Informatikers gehören.

Leider ist das Programmieren von solchen nebenläufigen Systemen extrem schwierig. Dies hat fundamentale und praktische Gründe.

Ziel dieser Vorlesung ist, die Studenten mit der Theorie und Praxis des nebenläufigen Programmierens vertraut zu machen. Eine große Aufgabe, ohne Frage.


Publikum

Diese Vorlesung richtet sich in erster Linie an Studierende im Bachelor Informatik. Sie ist für diese ein Pflichtmodul, und ist laut Studienplan im 4. Fachsemester angesiedelt, kann jedoch bereits ab dem 2. Semester belegt werden. Einzige Vorraussetzung ist die erfolgreiche Teilnahme an der Vorlesung Programmierung 1.


Registrierung

Die Registrierung für den Kurs ist nach der ersten Vorlesung unter Anmeldung bis Samstag, den 22. April möglich! Details zum Übungsbetrieb erfahren Sie in der ersten Vorlesung.


Literatur

Zu den Vorlesungsmaterialien, die den Teilnehmern zur Verfügung gestellt werden, gehört ein Skript, welches den Inhalt der Vorlesung umfassend darstellt. Weiterführende Literatur findet sich hier


Inhalt

  • Nebenläufigkeit als Konzept
    • Potentieller Parallelismus
    • Tatsächlicher Parallelismus
    • Konzeptioneller Parallelismus
  • Nebenläufigkeit in der Praxis
    • Objektorientierung
    • Betriebssysteme
    • Multi-core Prozessoren, Coprozessoren
    • Programmierte Parallelität
    • Verteilte Systeme (Client-Server, Peer-to-Peer, Datenbanken, Internet)
  • Die Schwierigkeit von Nebenläufigkeit
    • Ressourcenkonflikte
    • Fairness
    • Gegenseitiger Ausschluss
    • Verklemmung (Deadlock)
    • gegenseitige Blockaden (Livelock)
    • Verhungern (Starvation)
  • Grundlagen der Nebenläufigkeit
    • Sequentielle Prozesse
    • Zustände, Ereignisse und Transitionen
    • Transitionssysteme
    • Beobachtbares Verhalten
    • Determinismus vs. Nicht-Determinismus
    • Algebren und Operatoren
  • CCS: Der Kalkül kommunizierender Prozesse
    • Konstruktion von Prozessen: Sequenz, Auswahl, Rekursion
    • Nebenläufigkeit
    • Interaktion
    • Strukturelle operationelle Semantik
    • Gleichheit von Beobachtungen
    • Implementierungsrelationen
    • CCS mit Datentransfer
  • Programmieren von Nebenläufigkeit
    • pseuCo
    • Message Passing in pseuCo und Go
    • Shared Memory in pseuCo und Java
    • Monitore und Semaphoren
    • Shared Objects und Threads in Java
    • Shared Objects und Threads als Transitionssysteme
  • Analyse und Programmierunterstützung
    • Erkennung von Verklemmungen
    • Zusicherung von Sicherheit und Lebendigkeit
    • Model-Basiertes Design von Nebenläufigkeit
    • Software-Architekturen für Nebenläufigkeit


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