Mehrthread-Programmierung in C++ Schulung

Herausforderungen und Probleme bei der Nebenläufigkeit

• Hardwarebedingte Beschränkungen von Plattformen - Hardware-Threads, Pipes, Cache-Kohärenz
• Grundlegende Konzepte der Multithreading-Programmierung (Korrektheit多线程代码, Liveness, Starvation, Deadlock, Race Condition, Atomizität, Konsistenzmodelle, Flynns Taxonomie)
• In C++ verfügbare Mechanismen zur Implementierung von Multithreading und Multiprocessing
• Standardbibliotheks-Implementierungen – von C++14 bis zur Gegenwart (C++2a)
• Verfügbare Boost-Bibliothek – Unterschiede zur Standardbibliothek

Prozesse und Threads

• Multiprocessing versus Multithreading-Anwendungen
• Betriebssystem und Threads (kurzer Überblick verfügbarer Implementierungen)
• Synchronisationsmechanismen für Prozesse und Threads
• Strukturelle Implementierung von Synchronisation
• Spezifika der Multithreading-Implementierung im objektorientierten Ansatz (Rolle des RAII-Musters)

Speichermodell in C++

• Objekte und Speicherorte
• Ausführung von Operationen sowie deren Erzwingung
• Beziehungen: Synchronisation, Vorausgehen, Ordnung der Operationen zugunsten atomarer Aktionen, Release-Sequenzen
• Memory Barriers
• Atomare Operationen

Thread-Management in C++14 und neueren Standards

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

Gegenseitiger Ausschluss und kritische Abschnitte

• Einfache Regeln des gegenseitigen Ausschlusses
• Konzepte (Arten) verfügbarer Sperrobjekte
• Schnelle Einführung in die C++14-Zeitverwaltung (chrono-Bibliothek)
• std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex-Klassen und Ableitungen
• RAII-Muster bei der Handhabung von Sperren (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Abhängige und verzögerte Sperren (std::lock)
• Eigentum und Miteigentum an Sperren und Threads
• Leser-Schreiber-Problem
• Einmalinitialisierung
• Thread-lokaler (privater) Speicher (ang. std::thread_local)

Sperren und Thread-Synchronisation

• Operationen an Semaphoren
• Rekursive Sperren
• Sperren mit definierter Sperrtiefe
• EntscheidungsvARIABLEN und Zusammenarbeit mit Sperre
• Implementierung aktiver und passiver Barriers (ang. Idle Waits, Busy Waits)
• Wiederaufnahme der Thread-Ausführung
• Kommunikation zwischen Threads (Aktor-Modell und CSP-Modell)

Asynchrone Aufgaben

• Asynchrone Ereignisse und deren Handhabung
• Futures (ang. future)
• Promises (ang. promise)
• Prepared Tasks (ang. packaged_task)

Atomare Datentypen

• Standard-atomare Datentypen
• Universelle atomare Flagge (std::atomic_flag)
• Template "std::atomic<T>" und seine Spezialisierungen
• Hilfsfunktionen (freie Funktionen) für std::atomic-Typen

Spezifika der Mehrthread-API-Entwicklung

• Strukturdesign unter Verwendung von Sperren - grob- und fein-granulare Locks
• Nebenläufigkeitsleistungsfähigkeit – Schätzungs- und Messmethoden
• Datenaufteilung (Particioning)
• Skalierbarkeit von Lösungen
• Fehlerbehandlung und Ausnahmesituationen in der Architektur

Testing und Debugging von Mehrthread-Anwendungen

• Code-Reviews hinsichtlich Multithreading-Operationen
• Besonderheiten beim Testen von Multithreading-Anwendungen
• Unit Tests
• Ausweitung der Wahrscheinlichkeit von Fehlerzuständen für Tests
• Formale Methoden im Testing von Mehrthread-Anwendungen
• Mehrfacharchitektur-Patterns und Testing & Debugging (Übersicht)

Fortschrittliches Thread-Management

• Ausgelagerte Threads (Sage-Pattern)
• Vermeidung von Datenzugriffskonkurrenz
• Kontrolliertes Stoppen und Unterbrechen eines Threads
• Unterbrechung blockierender Aufrufe
• Interrupt-Handhabung
• Task Diebstahl
• Thread Interrupt beim Beenden der Applikation

Mehrthread-Design-Patterns

• Arten und Verwendungszwecke von Mehrthread-Patterns
• Anwendungsbereich der Pattern
• Thread Pool (ang. Thread Pool)
• Active Object Pattern (ang. Active Object)
• Sichere Multi-Thread Queue (ang. Thread Safe Queue)
• Producer Consumer Pattern (ang. Producer Consumer)
• Monitor-Pattern (ang. Monitor)
• Mehrthreadsicherheit der GoF-Patterns