Nebenläufige Programmierung mit Threading by Appointment

Threading by Appointment (TAP) ist ein Modell zur nebenläufigen Programmierung, das automatische Kellerverwaltung (thread-basiert) mit einer neuen Methode der Warteschlangenverwaltung von Systemaufrufen (ereignis-basiert) verbindet. Im Gegensatz zu konventionellen Threads können TAP Threads Systemaufrufe nur nach vorheriger "Terminabsprache" (appointments) mit dem Laufzeitsystem durchführen. Ausserdem umfassen Termine in unserem Modell, im Gegensatz zum üblichen Begriff eines Ergeignisses, eine Dauer, die es erlaubt sowohl unterbrechbare Ein- und Ausgabemethoden als auch konventionelle und neue Synchronisationstechniken zu modellieren. TAP verwaltet Systemaufrufe in Warteschlangen mit Hilfe einer vorgegebenen Vereinbarung (policy), die eine Strategie zur Terminvereinbarung (enqueueing) und einen logischen Zeitbegriff (dequeueing) festlegt, der Anfang und Ende der Termine bestimmt. Mit Hilfe einer Vereinbarung, die Systemaufrufe als Netzwerkpackete auffasst und damit "traffic shaping" in Netzwerkroutern nachahmt, konnten wir bereits sehr vielversprechende Resultate erzielen. Die Vereinbarung unterscheidet Systemaufrufe zur Ein- und Ausgabe über Netzwerke und Festplatten, und gibt Systemaufrufen von interaktiven Threads, die nur kurze Zeit laufen, Priorität über Systemaufrufen von Threads, die lange Zeit laufen und grosse Mengen an Daten kommunizieren. Wir schlagen vor neue Mechanismen, Vereinbarungen, und Modelle zur nebenläufigen Programmierung, die auf Threading by Appointment basieren, zu untersuchen. Threading by Appointment könnte zu einem wesentlichen Bestandteil neuer Kernelarchitekturen werden, die nicht nur eine effiziente sondern auch eine überprüfbare und modulare Programmierung nebenläufiger Anwendungen ermöglichen. Unser Ziel ist neue Prinzipien von Betriebssystemen und Programmiersprachen zu entdecken, die den Entwurf und die Implementierung von komplexen nebenläufigen Anwendungen wie zum Beispiel schnelle Webserverarchitekturen, die umfangreicher und dennoch robuster sind als herkömmliche Systeme, ermöglichen.

Ziel dieses Projektes war ursprünglich die Rolle von Zeit in nebenläufiger Programmierung zu untersuchen. Die tatsächlichen Forschungsergebnisse dieses Projektes gehen jedoch darüber hinaus. Im wesentlichen haben wir nicht nur allein das Zeitverhalten von nebenläufigen Softwareprozessen sondern auch deren Speicherverwaltung und Stromverbrauch im Zusammenhang mit deren Zeitverhalten untersucht. Im Prinzip geht es hier um die Frage wie man Softwareprozesse auf einer Maschine so ausführen kann, dass sowohl ihr zeitliches und räumliches Verhalten als auch ihr Stromverbrauch unabhängig voneinander ist. Damit wäre es möglich robustere und grössere Softwaresysteme als bisher zu konstruieren. Hier ist eine Zusammenfassung der wichtigsten Resultate. Das zeitliche Verhalten von Softwareprozessen (Durchsatz, Latenz) kann pro Prozess, zeitlich und räumlich effizient, und unter Berücksichtigung des systemweiten Stromverbrauchs kontrolliert werden während der entsprechende Planungsaufwand dafür entweder in erhöhter Systemauslastung oder verzögerten Prozessantwortzeiten verrechnet werden kann (zeitliche Isolierung). Speicherplatz kann in konstanter Zeit pro Allozierungs- und Deallozierungsoperation verwaltet werden während Speicherfragmentierung in linearer Zeit pro Deallozierungsoperation unabhängig von der Allozierungs- und Deallozierungsreihenfolge beschränkt werden kann. Nicht-benötigter Speicherplatz kann ne- benläufig und inkrementell in konstanter Zeit pro Speicherverwaltungsoperation unabhängig von der Grösse des durch den Programmierer angebenen benötigten Speicherplatzes erfasst und dealloziert werden (räumliche Isolierung). Stromverbrauch kann pro Prozess unter Beibehaltung seines zeitlichen Verhaltens selbst unter Berücksichtigung nicht-linearer Stromverbrauchsmodelle und Anwendung diskreter Frequenzskalierung beschränkt werden. Hier gibt es einen komplexen Zusammenhang zwischen der Abschätzungsqualität des Stromverbrauchs pro Prozess und des Gesamtstromverbrauchs, der von mehreren Faktoren abhängt (Stromverbrauchsisolierung). Abschliessend haben wir festgestellt, dass die Abschwächung der Semantik nebenläufiger Datenstrukturen deren Skalierbarkeit auf grossen Multicoresystemen verbessert. Die Abschwächung kann strikt oder wahrscheinlichkeitstheoretisch beschränkt werden und damit unter Umständen die Isolierung von Prozessen auf Multicoresystemen ermöglichen (nicht-linearisierbare Berechnung).