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# Prozesssynchronisation
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## Warum überhaupt Synchronisation?
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- mehrere Prozesse arbeiten in einem System koordiniert und in einer bestimmten Reihenfolge/zeitlichen Abfolge
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- Multitasking- /Multiprozessor-System
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- mehrere Prozesse gleichzeitig / parallel
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- Prozesse interagieren miteinander
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- Zugriff auf gemeinsame Ressourcen
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- Warten auf Operationen (_Wait and Signal_)
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- Kritischer Abschnitt (_Critical Section_)
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- Rennbedingungen (_Race Conditions_)
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- Mutex (_Mutex Lock_)
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- Semaphore
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- Deadlocks und Ressourcenkonflikte
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- Interprozesskommunikation (_IPC_)
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## Signale
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- dienen als Mechanismus für die Kommunikation
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- zwischen Prozessen
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- zwischen Betriebssystem und Prozessen
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- Signal ist eine Benachrichtigung and ein Prozess, dass Ereignis aufgetreten ist
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### Zweck
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- Behandlung von Ausnahmen
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- Kommunikation von Ereignissen
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- Steuerung von Prozessen
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- Ermöglicht
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- Implementierung von asynchronen Benachrichtigungen
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- Behandlung von außergewöhnlichen Ereignissen
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### Beispiel
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Terminalbefehl **- man signal**
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### Signalhandler
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- Funktion/Codeabschnitt, welcher _onSignal_ ausgeführt wird
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#### Was passiert beim Aufruf eines Signalhandlers
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- Prozess wird bei Eintreffen eines Signals angehalten
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- Prozesszustand wird gesichert
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- Signalhandler wird aufgerufen
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- darf beliebige Systemaufrufe veranlassen (_sollte sie aber nicht_)
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- Bei Beendigung des Signalhandlers
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- Prozess läuft weiter wo er unterbrochen wurde
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## Warten
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### Aktives Warten (Polling)
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- Prozess prüft ob Bedingung erfüllt ist
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- _bspw. in Schleifenstrukturen_
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```c++
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while (!Bedingung){
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//aktives Warten
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}
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```
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### Passives Warten
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- Prozess wird in Wartezustand versetzt
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- wird reaktiviert, wenn Bedingung erfüllt wurde
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- währenddessen können andere Prozesse auf der CPU laufen
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```c++
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wait_for_condition(); //Prozess geht in Wartezustand
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//Irgendwann Reaktivierung
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resume_execution();
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```
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## Sperren
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- Koordiniert Zugriff auf gemeinsame Ressourcen durch mehrere Prozesse oder Threads
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- Nur ein Prozess/Thread gleichzeitig
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- Dateninkonsistenzen oder Rennbedingungen werden vermieden
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## Mutex (Mutual Exclusion)
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- Sperre, welche exklusiven Zugriff auf Ressource steuert
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- Prozess sperrt/entsperrt vor/nach Zugriff auf Ressource
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### Nutzung
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- Dateizugriffe
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- Netzwerkkommunikation
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- Zugriff auf gemeinsam genutzte Datenstrukturen
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- Hardware
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## Semaphores
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- Ähnlich wie Mutex, nur zusätzlich mit Kommunikation durch [Signale](#signale)
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## Mutex vs Semaphore
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Befehle mit [POSIX API](06_prozessstruktur.md#posix-api)
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### Mutex
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- **pthread_mutex_t** _Datentyp für Mutex_
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- **pthread_mutex_init** _Erzeugen eines Mutexobjekts_
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- **pthread_mutex_unlock** _Entsperren_
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- **pthread_mutex_lock** _Sperren_
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- **pthread_mutex_trylock** _Versuchendes Sperren_
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- **pthread_mutex_destroy** _Löschen des Mutexobjekts_
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### Semaphore
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- **sem_t** _Datentyp für Semaphor_
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- **sem_init** _Initialisieren eines Semaphors (notwendig)_
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- **sem_post** _up Operation: Semaphor um 1 erhöhen_
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- **sem_wait** _down Operation: Semaphor um 1 vermindern oder blockieren_
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- **sem_trywait** _wie sem_wait, aber Aufruf kehrt zurück, falls sem_wait blockieren würde_
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- **sem_timedwait** _wie sem_wait, aber mit time-out, falls blockiert_
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- **sem_getvalue** _Wert des Semaphors auslesen_
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- **sem_destroy** _Löschen eines Semaphors_
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### Was nimmt man jetzt?
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> Hängt von Anforderungen und Charakteristiken des spezifischen Anwendungsfalls ab
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> Es ist wichtig, Synchronisationsmechanismen sorgfältig zu verwenden,
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> um sicherzustellen, dass kritische Abschnitte effizient und sicher koordiniert werden
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- **Praktisches Anwendungsbeispiel: Siehe Praktikum 4**
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- Postverteilungszentrum bestückt Verteiler der Post
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- Konfliktsituationen:
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- wer wird jetzt grad bestückt?
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- wie viele kann man gleichzeitig bedienen?
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- Wann ist ein Verteiler voll?
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- Welcher Postbote darf zuerst an den Briefkasten dran?
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- Mutex - Briefkasten freigegeben / gesperrt
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- Muss geklingelt werden (bspw. Einschreiben)
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- Semaphore - weil es muss benachrichtigt werden
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## Deadlock
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(Stillstand / Blockade) ist eine Situation, bei der zwei oder mehr Prozesse auf unbestimmte Weise blockiert sind, weil sie auf die Freigabe von Ressourcen warten
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### Entstehungsbedingungen von Deadlocks
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- **Gegenseitiger Ausschluss**
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- Mindestens eine Ressource muss exklusiv für immer nur einen Prozess sein
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- **Warte-Zustand**
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- Prozess hält eine Ressource und wartet bis er die nächste kriegt
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- **Nicht-Preemption**
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- Ressourcen können nicht zwangsweise (_sondern nur freiwillig_) von Prozess/Thread entzogen werden
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- **Zyklus in den Wartebeziehungen**
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- Kette von Prozessen/Threads
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- P1 wartet auf Ressource von P2, P2 auf P3, ..., PN auf P1
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### Erkennung von Deadlocks
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_Betriebsmittelgraf_ (Ressource Allocation Graph)
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- Modelliert _Zuteilung und Freigabe_ von Ressourcen zwischen Prozessen
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- Falls es mehrere Instanzen einer Ressource gibt
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- **matrizen-basiertes Verfahren**
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- Ressourcenvektor
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- Belegungsmatrix
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- Anforderungsmatrix
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- Ressourcenrestvektor
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#### Beispiel Erkennung von Deadlocks
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### Livelock
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- Form der Blockierung von 2 oder mehr Prozessen, welche aber ständig zwischen mehreren Zuständen wechseln und ihnen nicht entkommen können
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- Bspw.:
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- 2 Personen kommen sich auf dem Gang entgegen und weichen die ganze Zeit in die gleiche Richtung aus
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- Deadlock:
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- Personen stehen gegenüber und warten bis der andere beiseite geht, was nicht passiert
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