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WS 2003/04 24.11.20031 Ausschluss-Synchronisation zusammengesetzter Objekte Seminar Objektorientierte Programmiersprachen Sofoklis Papadopoulos.

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1 WS 2003/ Ausschluss-Synchronisation zusammengesetzter Objekte Seminar Objektorientierte Programmiersprachen Sofoklis Papadopoulos

2 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte (herausgenommen) 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

3 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 3 1. Einleitung

4 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 4 1.Einleitung Nebenläufige OO-Programmmierung begann in späten 60er Jahre mit Simula erreichte 30 Jahre später durch JAVA einen ersten Höhepunkt Beide Sprachen übernahmen Konzept des „passiven“ -oder „threads-plus- objects“- Modell der Neben-läufigkeit: –Threads haben keinen klaren Zustand –Objekte sind solange passiv, bis sie durch Threads animiert werden Aktionen der Threads synchronisieren, um Interferenzen (Störungen) zu vermeiden Frühe „threads-plus-objects“-Sprachen (z.B. Smalltalk) verwendeten Semaphore Bei Modula-3 und Java basiert Synchronisation zwischen Threads direkt auf - Objekten, die Threads teilen - Methoden, die Mechanismus besitzen um andere Methoden auszuschließen

5 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 5 1.Einleitung Nebenläufige OO-Programme zu entwickeln ist schwierige & aufwendige Aufgabe Korrekte Programme müssen Koordination zwischen multiplen Threads, die auf (zusammengesetzte) Objekte zugreifen, korrekt durchführen Effiziente Programme müssen Ausgewogenheit zwischen Komplexität und Kosten der Koordinationsmechanismen auf der einen Seite und steigender Performance, möglich durch Nebenläufigkeit, auf der anderen Seite ausbalancieren ???

6 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 6 1.Einleitung Das Problem hierbei: Wie kann man Ausschlußbedingungen für System zusammengesetzter Objekte designen, die gleichzeitig: –Interferenzen der Threads vorbeugen –Nebenläufigkeit im System maximieren –Die Unkosten, die dabei anfallen minimieren

7 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 7 1.Einleitung Programmierer, der Nebenläufiges System implementiert, hat folgende Möglichkeiten: –Einprozessorzugriff des Systems –Maximale Nebenläufigkeit auf alle Komponenten des Systems ermöglichen, mit Locks auf einzelnen Objek- ten, falls nötig –Ausschlußschema gesamte System entwickeln, dass individuelle Locks benutzt, um Nebenläufigkeitsan- forderungen der Komponenten zu erfüllen und dabei einen hohen Grad an Nebenläufigkeit realisiert

8 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 8 1.Einleitung Einprozessorzugriff des Systems (single threading): –Keine Interferenzen zwischen Komponenten des Systems –Geringe Kosten (ein Lock) –Eliminiert aber Nebenläufigkeit des Systems Maximaler Nebenläufigkeitszugriff: –Erhöht # Threads im Programm –Erfordert hohen Grad an Sperrsynchronisation, um Interferenzen zu vermeiden –Mit dementsprechend hohen Kosten Ausschlußschema für das gesamte System: –Liefert vernünftigen Grad an Nebenläufigkeit –Vermeidet Interferenzen –Minimiert Implementierungskosten

9 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 9 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

10 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 10 2.Ausschlußalgebra

11 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 11 2.Ausschlußalgebra Wissenschaftliche Arbeit von: –James Noble –David Holmes –John Potter aus dem Jahre 2000

12 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 12 2.Ausschlußalgebra Lösung des Design-Problems: Die Ausschlußalgebra Anforderungen Einfaches Modell zur Modellierung von Ausschlußbedingungen Ausschlußanforderungen bei zusammengesetzten Objekten Betrachtet werden Methoden und ihre Ausschlußbedingungen (zusammengesetzter Objekte) Beschreibt welche Methoden nebenläufig ausgeführt werden können & welche nicht

13 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 13 2.Ausschlußalgebra basierend auf diesen Anforderungen bestimmt die Algebra wie explizit die Ausschlußbedingung dem zusammenge- setzten Objekt beigefügt wird Ausschlußbedingungen können innerhalb von zusammen- gesetzten Objekten aufwärts bzw. abwärts entwickelt werden Entfernen von redundanter Sperrsynchronisation Demonstrieren, dass das potentielle Schema wirklich alle Ausschlußanforderungen eines jeden Objektes erfüllt

14 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 14 2.Ausschlußalgebra Kalkulationen, werden auf einem abstrakten Level gehalten Nutzen beim Design von Nichtsequentiellen OO-Systemen Programmierer können Alternativen ausloten & können Zuversicht in ihr Design gewinnen Erlaubt die Anforderungen und Bedingungen von Container-Objekten (Nebenläufigkeit) und ihrer Kompo- nenten auszudrücken

15 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 15 2.Ausschlußalgebra Synchronisation von Threads hat verschiedene Aspekte - ausschlußbedingt Threads werden ausgeschlossen, falls andere Threads auf das gleiche Objekt schon zugreifen - statusbedingt: Zugriffe, werden solange das Objekt nicht im „korrekten“ Zu- stand ist verzögert - koordinationsbedingt: kontrollieren multipler Methodenaufrufe durch versch. Objekte

16 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 16 2.Ausschlußalgebra Die Ausschlußalgebra: –Modelliert methodenbasierten Ausschluß zwischen Objekten –man betrachtet die Bedingungen unter denen Methoden durch Objekte entweder ausgeführt werden oder nicht ausgeführt werden –Annahme: multiple Nachrichten können gleichzeitig von multiplen Threads gesendet werden –Es werden nur Methoden betrachtet, die innerhalb des Objekt benutzt werden (nicht der Status des Objektes)

17 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 17 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

18 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 18 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke Modellierung von Methodenausschluß durch Mengen von Ausschlußpaaren (oder äquivalente Ausschlußmatrix ) Complex Number Class: Class Complex { private long re; private long im; public long a() {return re;} public long b() {return im;} public void c(long re_, im_) {re = re_; im = im_;} } Menge von Methodennamen: {a,b,c} Menge von Ausschlußpaaren: {(a,c),(b,c),(c,c)} a b c a x b x c x x x

19 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 19 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke Menge von Methodennamen: {a,b,c} Namen der Methoden Menge von Ausschlußpaaren: {(a,c),(b,c),(c,c)} –(a,c) bedeutet, wenn Methode a innerhalb des Objektes ausge- führt wird, dann muß die Methode c solange ausgeschlossen werden, bis a seine Ausführung komplettiert hat –(b,c) dementsprechend die gleiche Bedeutung –(c,c) hat die Bedeutung des gegenseitigen Ausschlusses c schließt sich selber aus, falls c im Thread ausgeführt wird, darf ein anderer Thread zur gleichen Zeit c nicht auf demselben Objekt ausführen –Ausschlußrelation und Matrix = symmetrisch, d.h. falls a b ausschließt, dann muß b auch a ausschließen

20 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 20 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke Ausschlußausdrücke liefern kürzere Beschreibung von Auschlußbedingungen als Ausschlußpaare Ausdrücke basieren auf 3 Operatoren: –Konjunktion „e | e“ –Ausschluß „e X e“ –Gegenseitigen Ausschluß „ e “ –e1 X e2 sagt aus, dass Methoden benannt in e1 Methoden in e2 ausschließen (gilt auch andersherum)

21 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 21 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke Bei Gültigkeit dieser Operatoren drückt der Ausdruck (a | b) X c (dasselbe wie die Matrix von vorhin ausdrückt) folgendes aus: Paare Namen a { } {a} (a | b) { } {a,b} c {(c,c)} {c} (a | b) X c {(a,b),(b,c),(c,c)} {a,b,c} Namen eines Ausdrucks, sind Namen der Methoden benutzt in die- sem Ausdruck Paare, ist die Menge der Ausschlußpaare, die durch die Ausschluß- operatoren beschrieben werden

22 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 22 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke Manche Ausdrücke wie a | b besitzen keine Paare aber haben dafür einen oder mehrere Namen (in diesem Fall {a,b} ) Der Konjunktions-Operator ist („|“): idempotent, assoziativ und kommutativ Der Ausschluß-Operator ist („X“): assoziativ, kommutativ und X hat höhere Priorität als | Beide Binär-Operatoren haben eine Identität „0“, d.h. keine Namen und Paare Syntaktische Abkürzung für e1 | e2 | … | e1 ist e1e2…e1

23 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 23 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

24 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 24 2.Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation Mit den Operatoren lassen sich Sperrsynchronisationspolicen be- schreiben, z.B.: - einfache Sperr-Policy, um die Ausführung von Methoden (m1m2…mN) zu kontrollieren - eine Methode kann die Sperre halten und Methode ausführen - also jede Nachricht gebunden an die Sperre ist selbstaus- schließend und schließt jede andere Nachricht aus

25 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 25 2.Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation Solch eine Sperre kann so definiert werden: LOCK(m1m2…mN) = (m1 X m1) X (m2 X m2) X…X (mN X mN) Besitzt folgende Menge von Ausschlußpaaren: {(mi,mj) | i,j ∈ 1..N } kürzere Schreibweise LOCK(m1m2…mN) = m1m2…mN

26 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 26 2.Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation Erweiterung zur Lese/Schreibe-Menge jede Anzahl an Lese- Methoden kann ausgeführt werden, aber nur eine Schreibe-Meth. READ-WRITE-SET(r1r2..rN,w1w2..wM) = (r1| r2|…| rN) X (w1 X w1) X (w2 X w2) X…X (wM X wM) Man nutzt die abkürzende Schreibweise: READ-WRITE-SET(r1r2...rN,w1w2..wM) = r1r2…rN X w1w2…wM

27 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 27 2.Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation Algebra kann verschiedene Möglichkeiten von Lese/Schreibe- Mengen illustrieren z.B. zwei Lese/Schreibe-Mengen, die dieselbe Menge an Schreibern teilen ( ≙ mit einer einzigen Menge Schreibern und alle Lesemeth.) r1 X w1 | r2 X w1 ≡ (rwset) r1 X w1 | w1 X w1 | r2 X w1 | w1 X w1 ≡ (idem) r1 X w1 | w1 X w1 | r2 X w1 ≡ (rwset) r1r2 X w1 Eine Lese/Schreibe-Menge effizienter zu implementieren, obwohl vielleicht zwei einzelne Ausdrücke einfacher zu spezifizieren

28 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 28 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

29 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 29 2.Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken Verfeinerung von Ausschlußausdrücken unterliegt der Semantik der Ausschlußpaare Ein Ausschlußausdruck e wird durch einen anderen Ausschluß- ausdruck f verfeinert, falls die Werte (Namen und Paare) von e eine Untermenge der Werte von f ist Wir schreiben dann: e ⊑ f z.B.: a X b ⊑ a X b X c, da die Namen und Paare des ersten Ausdrucks ({a,b} und {(a,b),(b,a)}) Untermengen der Namen und Paare des zweiten Ausdrucks ({a,b,c} und {(a,b),(b,a), (a,c),(c,a),(b,c),(c,b)}) ist

30 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 30 2.Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken Beispiel, Verschmelzen von Sperren: Sperren während Laufzeit teuer, jede Sperre im Programm benötigt Datenstrukturen, die diese Funktion unterstützen. Kosten zur Aus- führung viel Zeit, wenn ein Thread sie anfordert. -Objekt, dass zwei private long Integer-Variablen v1 und v2 enthält und mittels zwei Lese-Methoden (r1 und r2) zugreifbar und werden durch zwei Schreibe-Methoden (w1 und w2) aktualisiert -Ausschlußanforderungen: r1 X w1 | r2 X w2

31 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 31 2.Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken Beispiel: r1 X w1 | r2 X w2 ⊑ (|) (r1 | r2) X w1 | (r1 | r2) X w2 ⊑ (X) (r1 | r2) X (w1 X w2) | (r1 | r2) X (w1 | w2) ≡ (idem) (r1 | r2) X (w1 X w2) ≡ r1r2 X w1 w2 resultierender Ausschlußausdruck beschreibt alle Ausschluß- paare des Originalausdrucks, aber schließt noch andere Paare mit ein hier: (w1,w2), (r1,w2) und (r2,w1)

32 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 32 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

33 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition Ausschlußausdrücke bis jetzt Ausschluß eines einzigen, einfachen Objekts Aber in Realität bestehen die meisten OO-Systeme aus mehr als einem Objekt Objekt-Komposition (zusammengestzte Objekte) kann eine bessere Kontrolle über Objekte und ihre Ausschlußanforderungen liefern Als auch die Funktionalität größerer Systeme bewahren Wie können Objekte und zusammengesetzte Objekte in der Algebra explizit behandelt werden ?

34 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 34 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

35 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten Modellierung von Systemen mit multiplen Objekten Objekte beschrieben in „ ☾ “ -und „ ☽ “-Klammern Objekte können folgende Definitionen enthalten: –req : e = zeigt die Ausschlußbedingung an, die vom Objekt ge- fordert wird –Ein anderer Ausschlußausdruck e, der die aktuell implemen- tierte Ausschlußbedingung angibt –Mögliche interne Komponenten

36 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten Beispiel: zwei einfache unabhängige Objekte a und b a = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…) m X n ☽ b = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…) mn ☽ Gesamtausdruck des einfachen Systems mit 2 Objekten: (a.m X a.n) | b.m b.n

37 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten Ein Ausschlußausdruck gilt für das Objekt, dass es beinhaltet Ein Ausdruck für ein Objekt, ist unabhängig vom Ausdruck eines anderen Objektes Kombinierter Ausdruck von verschiedenen Objekten wird durch das „joinen“ der einzelnen individuellen Ausdrücke mit „|“-Opera- tor Haben die Methoden der Objekte gleiche Namen, dann Methoden- namen durch prefixing mit Objektnamen definieren (renaming)

38 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 38 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

39 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt) Objekte können selber wieder aus Objekten bestehen, die wieder- um auch Methoden und Ausschlußausdrücke enthalten können z.B. 2 unabhängigen Objekte a und b (voriger Abschnitt) könnten zu einem umschließenden Container-Objekt umdefiniert werden: c = ☾ a = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…) m X n ☽ b = ☾ m = (…) n = (…) mn ☽ y = (a.n;b.n) z = (a.m;b.m ☽

40 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt) Die Algebra benutzt ein restriktives Modell der Objektkomposition Struktur der Komposition ist fix und die Komponentenobjekte sind nur über ihren direkt umschließenden Container sichtbar und zugreifbar In der Praxis bei jeder Implementation der Komposition muß Container-Objekt die Komponenten privat speichern und exportiert keine Referenzen an Komponenten anderer Objekte (Obwohl restriktiv soll es sich nah an Programmierstilen, wie Balloon Types, Confined Types und Flexible Alias Protection halten)

41 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt) Eine Implementation der Algebra folgend könnte in der Praxis flex- ibler sein Ausdrücke eher Spezifikationen als finale Beschreibung der Impl. Objekte könnten ausgetauscht werde, vorausgesetzt sie erfüllen die passende Spezifikation fixe Struktur unterstützt Analyse und Modellierung z.B. die Aufrufer einer Methode bestimmen Container-Methode kann nur Methoden seiner direkten Komponen- ten aufrufen und Komponenten-Methoden können nur vom um- schließenden Container aufgerufen werden

42 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 42 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

43 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten Ausschlußanforderungen, Verhalten und Invarianten einiger Obj. können in unabhängige Untermengen partitioniert werden In solchen Fällen sinnvoll, wenn man das Original-Objekt in eine Komposition aufteilt Jede Untermenge ist separate Komponente, die von einem Con- tainer umschlossen Container ruft eigene Methoden der passenden Komponenten auf Objekt-Splitten Gegenteil von Sperren-Verschmelzung -Splitten teilt Objekte um Nebenläufigkeit zu erhöhen -Verschmelzung kombiniert Objekte um Nebenl. zu reduzieren

44 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten Original-Objekt: ☾ a = (body of method a…) r1 = (body of method r1…) r2 = (…) w = (…) a = (…) a | r1 r2 X w ☽ a | r1 r2 X w = Aufgesplittetes Objekt: ☾ c_a = ☾ a = (body of method a…) a ☽ c_rw = ☾ r1 = (body of method r1…) r2 = (body of method r2…) w = (…) r1r2 X w ☽ a = (c_a.a) r1 = (c_rw.r1) r2 = (c_rw.r2) w = (c_rw.w) ☽ c_a.a | c_rw.r1 c_rw.r2 X c_rw.w

45 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten Ausschlußanforderungen splitten sich in 2 unabhängige Teilaus- drücke auf in a und r1r2 X w (Original-Objekt) Sind unabhängig, da sie keine gemeinsamen Namen besitzen In dieser Komposition Container-Methoden unsynchronisiert (haben keine Ausschlußbedingungen) Ausschlußbedingungen für gesamte Komposition berechenbar solange Komponentenseparat sind, keine Namen gemein haben und das Container-Objekt keinen Ausschluß definiert a | r1 r2 X w = c_a.a | c_rw.r1 c_rw.r2 X c_rw.w

46 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 46 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

47 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Abwärtskomposition erlaubt einem Container-Objekt seinen inter- nen Komponenten Ausschlußbedingungen bereitzustellen Kann die Implementation eines zusammengestzten Objektes optim. da Komponenten keine expliziten Ausschlußbedingungen benöt. wenn Container- Ausschlußbedingungen sichern, dass die Kom- ponenten-Anforderungen getroffen werden

48 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Beispiel: Zusammengesetztes Objekt mit unsynch. Methoden c = ☾ o1 = ☾ x = (…)☽ o2 = ☾ y = (…) ☽ a = (o1.x) b = (o1.x; o2.y) a X b ☽ Mit der Algebra kann man den effektiven Ausdruck einer Komponente bestimmen Durch inspizieren der aufrufenden Methoden (callers) Container kapselt die Komponenten -somit einzige Methode die Komponen tenmethoden aufzurufen durch Containermethoden

49 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Regel für die Abwärtskomposition: Für eine Komponentenmethode o.m1, die andere Komponentenme- thode o.m2 ausschließt, müssen alle Methoden ihres umschließen den Containers c, die o.m1 aufrufen, alle Methoden des umschlie- ßenden Containers, die o.m2 aufrufen, ausschließen. callers(o.m1) X callers(o.m2) ⊑ c

50 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Eine Komponente erhält einen o^downward-Ausschluß seines um- schließenden Containers, wenn: o^downward [callers(o.m1) / m1, callers(o.m2) / m2, …, callers(o.mN) / mN] ⊑ c, wobei callers (o.mi) die Konjunktion („|“) aller Container-Methoden, die o.mi der Komponente o aufrufen und e [T1 / t1,…,TN / tN] ist e mit Ti substituiert an Stelle von ti

51 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Diese Definition fordert nicht, weder von Komponenten noch vom Container das sie Single-Threaded sind Bedingungen, die es erlauben Multi-Threads auszuführen werden ebenfalls von dieser Def. Unterstützt (z.B. Lese/Schreibe-Mengen) Auch Selbstausschluß wird gesichert (z.B, wenn Komponente o.mi sich selbst ausschließt, dann müssen alle Aufrufer von o.mi sich ebenfalls selbst ausschließen)

52 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition c = ☾ o1 = ☾ x = (…)☽ o2 = ☾ y = (…) ☽ a = (o1.x) b = (o1.x; o2.y) a X b ☽ y [callers(o2.y) / y] ≡ (callers) y [b / y] ≡ (subst) b ⊑ (intro) a X b x [callers(o1.x) / x] ≡ (callers) x [ab / x] ≡ (subst) a | b ⊑ (intro) a X b x [callers(x) / x] ≡ (callers) x [ab / x] ≡ (subst) ab ⋢ a X b

53 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition Löschen redundanter Ausschlußbedingungen: cache = ☾ ram = ☾ (req: get X put); get put☽ disk = ☾ (req: get X put); get put☽ get‘ = (ram.get; disk.get) put‘ = (ram.put; disk.put) get‘put‘ ☽ Manche Synchronisation ist redundant disk[callers(disk.get) / get‘, callers(disk.put) / put‘] ≡ get X put[get‘ / get, put‘ / put] ≡ get‘ X put‘ ⊑ get ‘ put ‘ cache-Container Objekt-Ausschluß kann sicher zu get‘ X put‘ reduziert werden, da Unterkomponentenanforderungen ge- troffen

54 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 54 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

55 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition Aufwärtskomposition erlaubt Container von den Ausschlußbedingungen seiner internen Komponenten zu profitieren Beispiel C++-Version der Complex Number-Class: class RWComplex{ private: long re; long im; ReadWriteLock rw; public: long a() {Guard guard(rw.readLock); return re;} long b() {Guard guard(rw.readLock); return im;} void c(long re_, long im_){ Guard guard(rw.writeLock); re = re_; im = im_;} Benutzt Aufwärtskomposition um Lese/Schreibe Sperrsynchronisation zu ermöglichen

56 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition Vorteil von Aufwärtskomposition, dass Container seine Methoden ausführt, während er die Sperrsynchronisation an seine internen Komponenten deligiert Kein Vergleich zu Standard Methodenaufruf, da Container-Methode Irgendwie eine Sperre der Komponente anfordern muß, sie solange hält, bis die Methode komplett ausgeführt wurde, um sie dann frei- zugeben In der Algebra modelliert mittels Wächter-Methoden (guarded methods)

57 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition Eine Wächter-Methode beginnt mit einer Serie von Wächtern, ge- folgt von einem „  “ und einem Methoden-Block Eine Wächter-Methode kann nur dann ausgeführt werden, wenn alle seine Wächter simultan ausgeführt werden dürfen Beispiel: m = (o1.a, o2.b  … body of method m) o1.a und o2.b simultane Ausführung zulässig, dann m ausführen Similar zur C++-Funktion: public void m(){ Guard guard(o1.a); Guard guard(o2.b); //…….Block von m }

58 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition public void m(){ Guard guard(o1.a); Guard guard(o2.b); //…….Block von m } Wächter Modellieren „schützende“ Methodenaufrufe mit spezifi- zierter Sperrsynchronisation (keine statusbedingte Synchroni- sation) co = ☾ l1 = ☾ r X w☽ l2 = ☾ e ☽ a = (l1.r  …body of method a) b = (l1.w  …body of method b) c = (l1.w,l2.e  …body of method c) d = (l2.e  …body of method d) ☽

59 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition Gegeben: eine Wächter-Methode o1.g1,…,oN.gN  auf die Ausschlußbedingungen des Containers schließen, gege- ben durch jede Methode oi.gi Nicht immer einfach, da Ausschlußbedingungen mehr als eine Me- thode betreffen können Eine Container-Methode oi.gi sollte jede andere Container-Methode oi.gj ausschließen, falls die oi-te Komponente Methhode oi.gj ausschließt

60 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition Ausschlußbedingungen beigesteuert von Komponente co_i-up co_i-up = oi [guards(oi.g1) / m1,…,gurads(oi.gN / mN], wobei guards(oi.gj) sind Container-Methoden, die Wächter Methode gj der oi-ten Komponente besitzen

61 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition co =☾ l1 = ☾ r X w☽ l2 = ☾ e ☽ a = (l1.r  …body of method a) b = (l1.w  …body of method b) c = (l1.w,l2.e  …body of method c) d = (l2.e  …body of method d) ☽ Gesamter Ausschlußausdr. ist l1[guards(l1.r) /r,guards(l1.w) /w] ≡ (grds) r X w[a/r,bc/w] ≡ (sub) a X bc Sichert, dass a und bc eine Lese/ Schreibe-Menge a X bc darstellen l2[guards(l2.e) /e] ≡ (grds) e[cd/e] ≡ (sub) cd Sichert, dass c und d sich gegen- seitig ausschließen und eine Schreibe-Menge dartsellen Konj. der Ausschlüsse (a X bc) | cd

62 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 62 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

63 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Aktive Objekte Sind Objekte, die eigene Threads besitzen Falls Komponente aktiv, dann ruft sie eigenen internen Thread In der Algebra ein „ ∗ “ vor Definition eines aktiven Objektes setzen Ausschlußbed. eines aktiven Objektes werden auf Threads intern und auf Threads extern angewendet Alle Mechanismen der Algebra können auf aktive Threads ange- wendet werden, außer Abwärtskomposition ?

64 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Aktive Objekte Bei Abwärtskomposition, nehmen wir an, dass Threads eine in- terne Komponente nur durch ihren dazugehörigen umschließenden Container ansprechen dürfen !!!! Und müssen somit die Ausschlußbedingungen des Containers treffen Gleichzeitig gibt es keine Einschränkung bei der Aufwärtskompo- sition, da Wächter-Methoden keine Voraussetzungen an ihren umschließenden Container stellen

65 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 65 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

66 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Vererbung Vererbung wird in der Algebra dadurch dargestellt, dass Kombina- tion der Ausschlußausdrücke von Klassen und ihrer Super-Klassen JAVA-CLASS (u,s) = u | s, u = unsynchr. & s = synchr. Erweiterung der Basisdefinition durch Vererbung JAVA-CLASS-I (u,v,s,t) = (u | v‘) | (s X t‘) where v‘ = v [u‘ / u, s‘ / s] t‘ = t [u‘ / u, s‘ / s ] Lokale Definitionen u = unsynchr. & s = synchr. plus geerbte Me- thoden v (unsynchr.) & t (synchr.) Substitution sichert, dass überschriebene Methodennamen mit „‘“ benannt werden

67 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Vererbung Similar zu super in Java oder Smalltalk, oder prefixing Basis- klassenmethoden mit dem Basisklassenname in C++ Resultierende Klasse besitzt alle, lokale wie auch geerbte Metho- den mit den überschriebenen veerbten Methoden neu benannt diese Formulierung impliziert nicht Verfeinerung, da Vererbung den Status der Methoden verändern kann, z.B.: JAVA-CLASS(aby, cdz, 0, 0) ≡ aby | cdz JAVA-CLASS-I(aez, cfy, aby, cdz) ≡ (aez | a‘by‘) | (cfy X c‘dz‘) ≡ !!! Siehe y und z aa‘bey‘z | cc‘dfyz‘ aby | cdz ⋢ aa‘bey‘z | cc‘dfyz‘

68 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 68 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

69 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Deadlock Algebra konzentriert sich auf Sicherheitsaspekt (Threads stören sich nie gegenseitig) und vernachlässigt Lebendigkeit (ein Thread mindestens schreitet immer fort in seiner Ausführung) Verfeinerung fordert, dass jeder Ausdruck egal in welchem Kon- text verstärkt wird, obwohl dieses zum Deadlock führen kann Sicherheit ist ein lokaler Aspekt, während Lebendigkeit ein globa- ler Aspekt ist bei der Untersuchung der Objektkomposition und dem System in das es eingebettet ist Deswegen müssen die beiden Punkte individuell analysiert werden (Sicherheit = lokale Analyse und Lebendigkeit = globale Analyse)

70 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 70 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

71 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation Benutzt bei Modellieren von Auschlußbedingungen in existier- enden oder geplanten Software-Designs In drei Phasen: –Modellieren der Basis der Unter-Komponenten-Struktur des Systems –Modellieren der verkürzten Ausschlußanforderungen jeder Kompo- nente –Verteilung der Sperrsynchronisation auf die Zusammengesetzte Struk- tur

72 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 72 Gliederung 1.Einleitung 2.Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken 3. Objektkomposition 3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten 3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt) 3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition 3.5 Aufwärtskomposition 4. Aktive Objekte 5. Vererbung 6. Deadlock 7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation 7.2 Tool Support 7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung

73 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte Praktische Anwendungen 7.2 Tool Support Experimente mit Prototyp, der Kalkulationen der Ausdrücke über- nimmt Erlaubt Benutzer Ausschlußausdrücke zu manipulieren, Verfein- erungen vorzunehmen und sie zu verifizieren Werkzeug kann Ausschluß innerhalb der Komposition analysieren Kann effektive totale Ausschlußanforderung berechnen Wird erweitert um den Prozess visualisiert darzustellen

74 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 74 Zusammenfassung Ausschlußalgebra beschreibt die Ausschlußbedingungen in zusammengesetzten Objekten Durch Upwards-und Downwards-Komposition besteht Möglichkeit für Programmierer mit ihrem Design zu experimentieren, es zu verifizieren und es ggf. zu optimieren  trotz evtl. sehr hohen Grad an Multithreading im Design Durch abstrakte Beschreibung des Designs kann die Ausschlußalgebra als Notation während der gesamten Software-Entwicklungsphase benutzt werden

75 Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte 75 Danke für‘s Zuhören einen schönen Abend…


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