Multithreading-Programmierung in C++ Schulung

Herausforderungen und Probleme der Nebenläufigkeit

• Hardware-Limitationen der Plattformen: Hardware-Threads, Pipes, Cache-Kohärenz
• Fundamentale Konzepte des Multithreadings (Korrektheit von multithreadeten Programmen, Livelock, Deadlock, Race Condition, Atomicity, Kohärenzmodelle, Flynns Taxonomie)
• In C++ verfügbare Mechanismen zur Implementierung von Multithreading und Multiprocessing
• Implementierung der Standardbibliothek – Inhalte von C++14 bis heute (C++2a)
• Verfügbare Boost-Implementierung – Unterschiede zur Standardbibliothek

Prozesse und Threads

• Multiprocess-Anwendungen versus Multithread-Anwendungen
• Betriebssystem und Threads (kurzer Überblick verfügbarer Implementierungen)
• Synchronisationsmechanismen für Prozesse und Threads
• Strukturelle Implementierung der Synchronisation
• Besonderheiten der objektorientierten Multithreading-Implementierung (Rolle des RAII-Musters)

Speichermodell in C++

• Objekte und Speicheradressen
• Ausführung und Erzwingung von Operationen
• Beziehungen: Synchronisation, Vorherigkeit, Reihenfolgeoperationen bezüglich atomarer Aktionen, Freigabesequenzen
• Speicherbarrieren
• Atomare Operationen

Thread-Management im C++14-Standard und neuer

• Klasse std::thread und Thread-Ausführung
• Thread-Identifikation
• Anhängen und Trennen von Threads
• Threads und Standardcontainer
• Fehlerbehandlung in C++14-Threads

Gegenseitiger Ausschluss und kritische Abschnitte

• Einfache Regeln zum gegenseitigen Ausschluss
• Konzepte (Arten) verfügbarer Blockierobjekte
• Schnelle Einführung in die Zeitbehandlung in C++14 (chrono-Bibliothek)
• Klassen std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex und deren Ableitungen
• RAII-Muster zur Handhabung von Sperren (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Verzögerte und abhängige Sperren (std::lock)
• Eigentum und Miteigentum an Sperren und Threads
• Lese-Schreib-Problem
• Einfache Initialisierung
• Thread-lokaler (privater) Speicher (std::thread_local)

Sperren und Synchronisation von Threads

• Operationen an Semaphoren
• Rekursive Sperren
• Sperren mit definierter Blockadestufe
• EntscheidungsvARIABLEN und Zusammenarbeit mit Sperren
• Implementierung aktiver und passiver Barriere-Wartezeiten (Idle Waits, Busy Waits)
• Wiederaufnahme der Thread-Ausführung
• Kommunikation zwischen Threads (Aktor-Modell und CSP)

Asynchrone Aufgaben

• Asynchrone Ereignisse und deren Handhabung
• Futures
• Promises
• Gepackte Aufgaben (Packaged Tasks)

Atomare Typen

• Standard-atomare Typen
• Universelle atomare Flagge (std::atomic_flag)
• Klassen-Template „std::atomic[T]“ und deren Spezialisierungen
• Hilfsfunktionen (freie Funktionen) für std::atomic-Typen

Besonderheiten der Multithreading-API-Entwurf

• Design von Strukturen mit Sperren – grob- und feinkörnige Sperren
• Leistung von nebenläufigem Code – Techniken zur Abschätzung und Messung
• Datenpartitionierung
• Skalierbarkeit von Lösungen
• Fehlerbehandlung in der Architektur von Anwendungen

Testing und Debugging von Multithreading-Anwendungen

• Code-Reviews für Multithreading-Operationen
• Besonderheiten beim Testen von Multithreading-Anwendungen
• Unit-Tests
• Erhöhung der Wahrscheinlichkeit kritischer Situationen zum Testzweck
• F formale Methoden des Multithreading-Testings
• Muster der Multithreading-Anwendungsarchitektur im Zusammenhang mit Testing und Debugging (Übersicht)

Erweitertes Thread-Management

• Abhängige Threads (Saga-Muster)
• Vermeidung von Datenkonkurrenz
• Kontrolliertes Anhalten und Unterbrechen von Threads
• Unterbrechung blockierender Aufrufe
• Fehlerbehandlung bei Unterbrechungen
• Aufgabendiebstahl
• Unterbrechen von Aufgaben während des Applikationsabschlusses

Multithreading-Designmuster

• Arten und Verwendungszwecke von Multithreading-Mustern
• Anwendungsbereich der Muster
• Thread-Pool
• Active-Object-Muster
• Sichere multithreading-fähige Queue
• Producer-Consumer-Muster
• Monitor-Muster
• Multithreading-Sicherheit der GoF-Muster