Parallel Computing in .NET: Multicore-Programmierung von .Net 2.0 bis 4.0
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Frankfurt am Main
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2009
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Titel: Parallel computing in .NET
Autor: Zhou, Marc André
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 11
1.1 Für wen ist dieses Buch? 11
1.2 Ziele des Buchs 12
1.3 Parallel Computing: Warum? 12
1.3.1 CPU: Umkehrung der Entwicklung 13
1.3.2 Multi-core-Prozessoren 16
1.3.3 Nutzung von Multi-core-Prozessoren 16
1.4 Grundlagen 18
1.4.1 Definition: Parallel Computing 19
1.4.2 Rechnerarchitekturen 21
1.4.3 Multithreading vs. Parallel Computing 25
1.4.4 Asynchrone Programmierung vs. Parallel Computing 26
1.4.5 Arbeitsweise 26
1.4.6 Parallele Programmiermodelle 27
1.4.7 Einteilung nach Flynn 30
1.5 Performanceindikatoren und Gesetzmäßigkeiten 31
1.5.1 Speedup 32
1.5.2 Effizienz 34
1.5.3 Amdahlsches Gesetz 35
1.5.4 Gustafson-Gesetz 37
1.5.5 Mehraufwand (Parallel Overhead) 38
1.5.6 Kritische Bereiche (Load Imbalance) 39
1.5.7 Slowdown-Effekt 40
1.5.8 Weitere wichtige Begriffe 41
1.6 Granularität 42
1.6.1 Fine-grain Parallelism 43
1.6.2 Coarse-grain Parallelism 43
2 Allgemeine Konzepte 45
2.1 Regeln für erfolgreiches Parallel Computing 45
2.1.1 Arbeitsverteilung 47
2.1.2 Zustandsverwaltung (Shared State) 52
2.1.3 Selbstblockade (Deadlock) 55
2.1.4 Starvation 59
2.1.5 Fehlerbehandlung 59
Inhaltsverzeichnis
2.2 Projektmanagement und Planung 61
2.2.1 Grad der Parallelisierung 61
2.2.2 Kostenkalkulation 62
2.2.3 Anforderungsdefinition 63
2.3 Modellierungsmöglichkeiten 64
2.3.1 (Passive) Klassen und aktive Klassen 64
2.3.2 Kommunikation 66
2.3.3 Synchronisierung 68
3 Die Basis: Threads unter .NET 71
3.1 Das Prozessmodell unter Windows 71
3.1.1 Anatomie eines Threads 74
3.1.2 Speicherzuordnung 75
3.1.3 Kontextwechsel und State Transition 78
3.2 Ein Threadobjekt erstellen 79
3.2.1 Erstellung eines Threads (kernel32.dll) 79
3.2.2 Erstellung eines Threads unter .NET 84
3.2.3 Managed Threads vs. Windows-Threads 86
3.2.4 Zustände eines Threads 89
3.3 Verwendung von .NET-Threads 91
3.3.1 Warten auf einen Thread 91
3.3.2 Steuerung von Threads 93
3.3.3 Threads beenden 94
3.3.4 Threadparameter 97
3.3.5 Background Threads vs. Foreground Threads 101
3.4 Atomare Operationen 104
3.4.1 Die Methoden der Interlocked-Klasse 108
3.5 Speichermodelle 110
3.5.1 Das Schlüsselwort volatile 111
3.5.2 VolatileWrite und VolatileRead 113
3.6 Speicherzugriff und Verwaltung 113
4 Synchronisation von Threads 117
4.1 Monitor 119
4.1.1 Hinweise zur Verwendung von Monitor 121
4.1.2 Die Monitor-Klasse richtig verwenden 122
4.1.3 Erweiterte Techniken: Pulse und Wait 124
4.1.4 Das Schlüsselwort lock 126
iniiaiiawi tcivin
4.2 Mutex 127
4.2.1 Zugriffsrechte 129
4.2.2 Mutex vs. Monitor 131
4.3 Semaphore 132
4.4 Ereignisse (Events) 135
4.4.1 ManualResetEvent 135
4.4.2 AutoResetEvent 138
4.4.3 EventWaitHandle 138
4.5 ReaderWriterLock 141
5 Erweiterte Threadtechniken 145
5.1 Warten auf Threads 145
5.2 Parameter und Ergebnisse 147
5.3 Verwendung des Threadpools 149
5.3.1 Threadpool-Varianten 150
5.3.2 Verwendung des CLR-Threadpools 151
5.3.3 Arbeitsweise des CLR-Threadpools 154
5.3.4 Lastverteilung 155
5.4 Kontrollierter Threadabbruch 158
5.4.1 Abbruch mittels Interrupt 159
5.5 Fehlerbehandlung 161
5.6 Ein Chatserver 162
5.6.1 Architektur und Funktionsweise 164
5.6.2 Der Chatserver 166
5.6.3 Serververwaltung 171
5.6.4 Chatclient 173
5.6.5 Zusammenfassung 175
6 Task Parallel Library 177
6.1 Bestandteile 179
6.1.1 Data Structures 180
6.1.2 Concurrency Runtime 181
6.1.3 Tools (Werkzeuge) 184
6.2 Das Task-Konzept 184
6.2.1 Zustände eines Tasks 185
6.2.2 Möglichkeiten der Task-Erzeugung 187
6.2.3 Optimale Ressourcennutzung 192
6.2.4 Race Conditions, Deadlocks und Ressourcen 197
6.3 Das Cancellation Framework 198
ParaUelComputteqin.NET
6.3.1 Motivation
6.3.2 Ziele
6.3.3 Funktionsweise und Architektur
6.3.4 Bestandteile
6.3.5 Verwendung
6.4 Erweiterte Task-Konzepte
6.4.1 Warten auf einen oder mehrere Tasks
6.4.2 TaskWorkflows
6.4.3 Task mit Rückgabewerten
6.5 Fehlerbehandlung
6.6 Schleifen
6.6.1 Parallel.For und Parellel.ForEach
6.6.2 Lokale Schleifenvariablen
6.6.3 Schleifenabbruch
6.6.4 Grad der Parallelität
6.6.5 Die ParalleLInvoke
6.7 Concurrent Data Structures
6.7.1 ConcurrentQueue T
6.7.2 ConcurrentStack T
6.7.3 ConcurrentBag T
6.7.4 BlockingCollection T
6.7.5 ConcurrentDictionary TKey, TValue
6.8 Sperren (Locks)
6.8.1 Barrier
6.8.2 CountdownEvent
6.8.3 ManualResetEventSlim
6.8.4 SemaphoreSlim
6.8.5 SpinWait und SpinLock
6.9 Lazy Inihalization Classes
6.9.1 System.Lazy T
6.9.2 System.Threading.ThreadLocal T
6.9.3 System.Threading.Lazylnitializer
199
202
203
205
208
211
212
213
215
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236
239
241
241
244
246
247
248
251
251
254
255
PLINQ - Parallel LINQ 259
7.1 Funktionsweise 260
7.1.1 Ausführungsmodell 261
7.1.2 MergeOptions 262
7.1.3 Partitiorüerung der Daten 263
7.1.4 With-Oprionen 267
7.1.5 Fehlerbehandlung 273
7.2 Verwendung von PLINQ 274
7.2.1 Definition von Abfragen mittels Enumerable 275
7.2.2 Abfragemethoden 276
7.2.3 Query Expressions 277
7.3 LINQ zu PLINQ: Was ist zu beachten? 278
7.3.1 PLINQ und gemeinsame Ressourcen 278
7.3.2 PLINQ und Fehlerbehandlung 281
7.3.3 PLINQ und Reihenfolge 281
7.3.4 LINQ zu PLINQ: Einige Regeln 283
7.4 Zusammenfassung 284
8 Parallel Computinq in Visual Studio 2010 285
8.1 Threadauswertung 285
8.2 Parallel Tasks 286
8.3 Parallel Stacks 289
8.4 Performanceanalyse 291
8.4.1 CPU-Nutzung 294
8.4.2 Threadansicht 295
8.4.3 Verteilung auf CPU-Kerne 297
8.5 Zusammenfassung 298
9 Concurrency and Coordination Runtime 299
9.1 Einordnung und Funktionsweise 300
9.1.1 CCRvs.Task Parallel Library und PLINQ 300
9.1.2 (Geschäfts-)Prozesse im Mittelpunkt 301
9.1.3 Datenflüsse und Kanäle 303
9.1.4 Vermeidung von Threads 304
9.2 Kernbestandteile 304
9.2.1 Ports 305
9.2.2 Arbiter 309
9.2.3 Dispatcher und DispatcherQueue 311
ParanXConvuttiaiii.NET
9.3 Abbildung von Prozessen 317
9.3.1 Bedingungen und Prozessflüsse 318
9.3.2 Auswahl 320
9.3.3 Einfache Zusammenführung (2 Ports) 322
9.3.4 Warten auf mehrere Ports 323
9.3.5 Warten auf n Daten 327
9.4 Zusammenfassung 328
10 Programmiermodelle 329
10.1 Axum 329
10.1.1 Gemeinsame Ressourcen 330
10.1.2 Sperren - Synchronisation statt parallel 332
10.1.3 Vermeidung von Seiteneffekten durch Isolation 333
10.1.4 Axum basiert auf dem Actor-Model 333
10.1.5 Verwendung von Axum 334
10.1.6 Domäne Agent Channel Port 336
10.1.7 Agent 337
10.1.8 Channel und Port 338
10.1.9 Datenflusskonzept 340
10.1.10 Request-Reply-Muster 344
10.1.11 Datendefinition für einen Channel 346
10.1.12Gemeinsame Ressourcen 348
10.1.13 Zusammenfassung 349
10.2 Software Transaction Memory 350
10.2.1 Probleme klassischer Sperrmechanismen 351
10.2.2 Deadlock 352
10.2.3 Funktionsweise 352
10.2.4 Transaktionen und Rollback-Mechanismen 354
10.2.5 Verwendung 356
10.2.6 Weitere Funktionen 359
11 Zusammenfassung 361
Stichwortverzeichnis 363 |
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