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WS 2003/04 24.11.2003 1
Ausschluss-Synchronisation zusammengesetzter Objekte
Seminar Objektorientierte
Programmiersprachen
Sofoklis Papadopoulos
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte (herausgenommen)5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung• Nebenläufige OO-Programmmierung begann in späten 60er Jahre mit Simula
• erreichte 30 Jahre später durch JAVA einen ersten Höhepunkt
• Beide Sprachen übernahmen Konzept des „passiven“ -oder „threads-plus-objects“- Modell der Neben-läufigkeit:
– Threads haben keinen klaren Zustand – Objekte sind solange passiv, bis sie durch Threads animiert werden
• Aktionen der Threads synchronisieren, um Interferenzen (Störungen) zu vermeiden
• Frühe „threads-plus-objects“-Sprachen (z.B. Smalltalk) verwendeten Semaphore • Bei Modula-3 und Java basiert Synchronisation zwischen Threads direkt auf
- Objekten, die Threads teilen- Methoden, die Mechanismus besitzen um andere Methoden auszuschließen
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung
• Nebenläufige OO-Programme zu entwickeln ist schwierige & aufwendige Aufgabe
• Korrekte Programme müssen Koordination zwischen multiplen Threads, die auf (zusammengesetzte) Objekte zugreifen, korrekt durchführen
• Effiziente Programme müssen Ausgewogenheit zwischen Komplexität und Kosten der Koordinationsmechanismen auf der einen Seite und steigender Performance, möglich durch Nebenläufigkeit, auf der anderen Seite ausbalancieren
???
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung
• Das Problem hierbei: Wie kann man Ausschlußbedingungen für System zusammengesetzter Objekte designen, die gleichzeitig:
– Interferenzen der Threads vorbeugen
– Nebenläufigkeit im System maximieren
– Die Unkosten, die dabei anfallen minimieren
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung
• Programmierer, der Nebenläufiges System implementiert, hat folgende Möglichkeiten:
– Einprozessorzugriff des Systems
– Maximale Nebenläufigkeit auf alle Komponenten des Systems ermöglichen, mit Locks auf einzelnen Objek-ten, falls nötig
– Ausschlußschema gesamte System entwickeln, dass individuelle Locks benutzt , um Nebenläufigkeitsan-forderungen der Komponenten zu erfüllen und dabei einen hohen Grad an Nebenläufigkeit realisiert
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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1. Einleitung
• Einprozessorzugriff des Systems (single threading):– Keine Interferenzen zwischen Komponenten des Systems– Geringe Kosten (ein Lock)– Eliminiert aber Nebenläufigkeit des Systems
• Maximaler Nebenläufigkeitszugriff:– Erhöht # Threads im Programm– Erfordert hohen Grad an Sperrsynchronisation, um Interferenzen zu
vermeiden– Mit dementsprechend hohen Kosten
• Ausschlußschema für das gesamte System:– Liefert vernünftigen Grad an Nebenläufigkeit– Vermeidet Interferenzen– Minimiert Implementierungskosten
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra
• Wissenschaftliche Arbeit von:
– James Noble– David Holmes– John Potter
• aus dem Jahre 2000
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. AusschlußalgebraLösung des Design-Problems: Die Ausschlußalgebra
Anforderungen
• Einfaches Modell zur Modellierung von Ausschlußbedingungen
• Ausschlußanforderungen bei zusammengesetzten Objekten
• Betrachtet werden Methoden und ihre Ausschlußbedingungen (zusammengesetzter Objekte)
• Beschreibt welche Methoden nebenläufig ausgeführt werden können & welche nicht
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra
• basierend auf diesen Anforderungen bestimmt die Algebra wie explizit die Ausschlußbedingung dem zusammenge-setzten Objekt beigefügt wird
• Ausschlußbedingungen können innerhalb von zusammen-gesetzten Objekten aufwärts bzw. abwärts entwickelt werden
• Entfernen von redundanter Sperrsynchronisation
• Demonstrieren, dass das potentielle Schema wirklich alle Ausschlußanforderungen eines jeden Objektes erfüllt
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra
• Kalkulationen, werden auf einem abstrakten Level gehalten
• Nutzen beim Design von Nichtsequentiellen OO-Systemen
• Programmierer können Alternativen ausloten & könnenZuversicht in ihr Design gewinnen
• Erlaubt die Anforderungen und Bedingungen von Container-Objekten (Nebenläufigkeit) und ihrer Kompo-nenten auszudrücken
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra• Synchronisation von Threads hat verschiedene Aspekte
- ausschlußbedingt Threads werden ausgeschlossen, falls andere Threads
auf das gleiche Objekt schon zugreifen
- statusbedingt: Zugriffe, werden solange das Objekt nicht im „korrekten“ Zu- stand ist verzögert
- koordinationsbedingt:
kontrollieren multipler Methodenaufrufe durch versch. Objekte
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2. Ausschlußalgebra• Die Ausschlußalgebra:
– Modelliert methodenbasierten Ausschluß zwischen Objekten
– man betrachtet die Bedingungen unter denen Methoden durch Objekte entweder ausgeführt werden oder nicht ausgeführt werden
– Annahme: multiple Nachrichten können gleichzeitig von multiplen Threads gesendet werden
– Es werden nur Methoden betrachtet, die innerhalb des Objekt benutzt werden (nicht der Status des Objektes)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke
• Modellierung von Methodenausschluß durch Mengen von Ausschlußpaaren (oder äquivalente Ausschlußmatrix)
Complex Number Class:Class Complex {
private long re;private long im;public long a() {return re;}public long b() {return im;}public void c(long re_, im_) {re = re_; im = im_;}
}
• Menge von Methodennamen: {a,b,c}• Menge von Ausschlußpaaren: {(a,c),(b,c),(c,c)}
a b c a x b x c x x x
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke
• Menge von Methodennamen: {a,b,c} Namen der Methoden• Menge von Ausschlußpaaren: {(a,c),(b,c),(c,c)}
– (a,c) bedeutet, wenn Methode a innerhalb des Objektes ausge-führt wird, dann muß die Methode c solange ausgeschlossen werden, bis a seine Ausführung komplettiert hat
– (b,c) dementsprechend die gleiche Bedeutung
– (c,c) hat die Bedeutung des gegenseitigen Ausschlusses c schließt sich selber aus, falls c im Thread ausgeführt wird,
darf ein anderer Thread zur gleichen Zeit c nicht auf demselben Objekt ausführen
– Ausschlußrelation und Matrix = symmetrisch, d.h. falls a b ausschließt, dann muß b auch a ausschließen
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke
• Ausschlußausdrücke liefern kürzere Beschreibung vonAuschlußbedingungen als Ausschlußpaare
• Ausdrücke basieren auf 3 Operatoren:– Konjunktion „e | e“ – Ausschluß „e X e“– Gegenseitigen Ausschluß „ e “
– e1 X e2 sagt aus, dass Methoden benannt in e1 Methoden in e2 ausschließen (gilt auch andersherum)
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2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke
• Bei Gültigkeit dieser Operatoren drückt der Ausdruck (a | b) X c (dasselbe wie die Matrix von vorhin ausdrückt) folgendes aus:
Paare Namen a { } {a} (a | b) { } {a,b} c {(c,c)} {c} (a | b) X c {(a,b),(b,c),(c,c)} {a,b,c}
• Namen eines Ausdrucks, sind Namen der Methoden benutzt in die-sem Ausdruck
• Paare, ist die Menge der Ausschlußpaare, die durch die Ausschluß-operatoren beschrieben werden
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke
• Manche Ausdrücke wie a | b besitzen keine Paare aber haben dafür einen oder mehrere Namen (in diesem Fall {a,b})
• Der Konjunktions-Operator ist („|“): idempotent, assoziativ und kommutativ
• Der Ausschluß-Operator ist („X“): assoziativ, kommutativ und X hat höhere Priorität als |
• Beide Binär-Operatoren haben eine Identität „0“, d.h. keine Namen und Paare
• Syntaktische Abkürzung für e1 | e2 | … | e1 ist e1e2…e1
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation
• Mit den Operatoren lassen sich Sperrsynchronisationspolicen be-schreiben, z.B.:
- einfache Sperr-Policy, um die Ausführung von Methoden (m1m2…mN) zu kontrollieren
- eine Methode kann die Sperre halten und Methode ausführen
- also jede Nachricht gebunden an die Sperre ist selbstaus- schließend und schließt jede andere Nachricht aus
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation
• Solch eine Sperre kann so definiert werden:
LOCK(m1m2…mN) = (m1 X m1) X (m2 X m2) X…X (mN X mN)
• Besitzt folgende Menge von Ausschlußpaaren:
{(mi,mj) | i,j ∈ 1..N}
kürzere Schreibweise LOCK(m1m2…mN) = m1m2…mN
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation
• Erweiterung zur Lese/Schreibe-Menge jede Anzahl an Lese-Methoden kann ausgeführt werden, aber nur eine Schreibe-Meth.
• READ-WRITE-SET(r1r2..rN,w1w2..wM) = (r1| r2|…| rN) X (w1 X w1) X (w2 X w2) X…X (wM X wM)
• Man nutzt die abkürzende Schreibweise: READ-WRITE-SET(r1r2...rN,w1w2..wM) = r1r2…rN X w1w2…wM
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.2 Sperrsynchronisation
• Algebra kann verschiedene Möglichkeiten von Lese/Schreibe- Mengen illustrieren
• z.B. zwei Lese/Schreibe-Mengen, die dieselbe Menge an Schreibern teilen ( ≙ mit einer einzigen Menge Schreibern und alle
Lesemeth.) r1 X w1 | r2 X w1 ≡ (rwset) r1 X w1 | w1 X w1 | r2 X w1 | w1 X w1 ≡ (idem) r1 X w1 | w1 X w1 | r2 X w1 ≡ (rwset) r1r2 X w1• Eine Lese/Schreibe-Menge effizienter zu implementieren, obwohl
vielleicht zwei einzelne Ausdrücke einfacher zu spezifizieren
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken
• Verfeinerung von Ausschlußausdrücken unterliegt der Semantik der Ausschlußpaare
• Ein Ausschlußausdruck e wird durch einen anderen Ausschluß-ausdruck f verfeinert, falls die Werte (Namen und Paare) von e eine Untermenge der Werte von f ist
• Wir schreiben dann: e ⊑ f
• z.B.: a X b ⊑ a X b X c , da die Namen und Paare des ersten Ausdrucks ({a,b} und {(a,b),(b,a)}) Untermengen der Namen und Paare des zweiten Ausdrucks ({a,b,c} und {(a,b),(b,a),
(a,c),(c,a),(b,c),(c,b)}) ist
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken
• Beispiel, Verschmelzen von Sperren: Sperren während Laufzeit teuer, jede Sperre im Programm benötigt
Datenstrukturen, die diese Funktion unterstützen. Kosten zur Aus-führung viel Zeit, wenn ein Thread sie anfordert.
-Objekt, dass zwei private long Integer-Variablen v1 und v2 enthält und mittels zwei Lese-Methoden (r1 und r2) zugreifbar und werden durch zwei Schreibe-Methoden (w1 und w2) aktualisiert
-Ausschlußanforderungen: r1 X w1 | r2 X w2
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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2. Ausschlußalgebra 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken
• Beispiel:
r1 X w1 | r2 X w2 ⊑ (|) (r1 | r2) X w1 | (r1 | r2) X w2 ⊑ (X) (r1 | r2) X (w1 X w2) | (r1 | r2) X (w1 | w2) ≡ (idem) (r1 | r2) X (w1 X w2) ≡ r1r2 X w1 w2
• resultierender Ausschlußausdruck beschreibt alle Ausschluß-paare des Originalausdrucks, aber schließt noch andere Paare mit ein hier: (w1,w2), (r1,w2) und (r2,w1)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition
• Ausschlußausdrücke bis jetzt Ausschluß eines einzigen, einfachen Objekts
• Aber in Realität bestehen die meisten OO-Systeme aus mehr als einem Objekt
• Objekt-Komposition (zusammengestzte Objekte) kann eine bessere Kontrolle über Objekte und ihre Ausschlußanforderungen liefern
• Als auch die Funktionalität größerer Systeme bewahren
• Wie können Objekte und zusammengesetzte Objekte in der Algebra explizit behandelt werden ?
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten
• Modellierung von Systemen mit multiplen Objekten
• Objekte beschrieben in „☾“ -und „☽“-Klammern
• Objekte können folgende Definitionen enthalten:
– req: e = zeigt die Ausschlußbedingung an, die vom Objekt ge-fordert wird
– Ein anderer Ausschlußausdruck e, der die aktuell implemen-tierte Ausschlußbedingung angibt
– Mögliche interne Komponenten
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten
• Beispiel: zwei einfache unabhängige Objekte a und b
• a = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…)
m X n ☽ b = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…) mn ☽• Gesamtausdruck des einfachen Systems mit 2 Objekten: (a.m X a.n) | b.m b.n
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten
• Ein Ausschlußausdruck gilt für das Objekt, dass es beinhaltet
• Ein Ausdruck für ein Objekt, ist unabhängig vom Ausdruck eines anderen Objektes
• Kombinierter Ausdruck von verschiedenen Objekten wird durch das „joinen“ der einzelnen individuellen Ausdrücke mit „|“-Opera-tor
• Haben die Methoden der Objekte gleiche Namen, dann Methoden-namen durch prefixing mit Objektnamen definieren (renaming)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt)
• Objekte können selber wieder aus Objekten bestehen, die wieder-um auch Methoden und Ausschlußausdrücke enthalten können
• z.B. 2 unabhängigen Objekte a und b (voriger Abschnitt) könnten zu einem umschließenden Container-Objekt umdefiniert werden:
c = ☾ a = ☾ m = (body of method m…) n = (body of method n…) m X n ☽ b = ☾ m = (…) n = (…) mn ☽ y = (a.n;b.n) z = (a.m;b.m ☽
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt)
• Die Algebra benutzt ein restriktives Modell der Objektkomposition
• Struktur der Komposition ist fix und die Komponentenobjekte sind nur über ihren direkt umschließenden Container sichtbar und
zugreifbar
• In der Praxis bei jeder Implementation der Komposition muß Container-Objekt die Komponenten privat speichern und exportiert
keine Referenzen an Komponenten anderer Objekte
• (Obwohl restriktiv soll es sich nah an Programmierstilen, wie Balloon Types, Confined Types und Flexible Alias Protection halten)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.2 Objektkomposition (zusammenges. Objekt)
• Eine Implementation der Algebra folgend könnte in der Praxis flex-ibler sein
• Ausdrücke eher Spezifikationen als finale Beschreibung der Impl.
• Objekte könnten ausgetauscht werde, vorausgesetzt sie erfüllen die passende Spezifikation
• fixe Struktur unterstützt Analyse und Modellierung z.B. die Aufrufer einer Methode bestimmen
• Container-Methode kann nur Methoden seiner direkten Komponen-ten aufrufen und Komponenten-Methoden können nur vom um-schließenden Container aufgerufen werden
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten
• Ausschlußanforderungen, Verhalten und Invarianten einiger Obj. können in unabhängige Untermengen partitioniert werden
• In solchen Fällen sinnvoll, wenn man das Original-Objekt in eine Komposition aufteilt
• Jede Untermenge ist separate Komponente, die von einem Con-tainer umschlossen
• Container ruft eigene Methoden der passenden Komponenten auf Objekt-Splitten Gegenteil von Sperren-Verschmelzung -Splitten teilt Objekte um Nebenläufigkeit zu erhöhen -Verschmelzung kombiniert Objekte um Nebenl. zu reduzieren
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten
• Original-Objekt:
☾ a = (body of method a…) r1 = (body of method r1…) r2 = (…) w = (…) a = (…) a | r1 r2 X w ☽
a | r1 r2 X
w =
• Aufgesplittetes Objekt: ☾ c_a = ☾ a = (body of method a…) a ☽ c_rw = ☾ r1 = (body of method r1…) r2 = (body of method r2…) w = (…) r1r2 X w ☽ a = (c_a.a) r1 = (c_rw.r1) r2 = (c_rw.r2) w = (c_rw.w) ☽ c_a.a | c_rw.r1 c_rw.r2 X c_rw.w
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.3 Splitten von Objekten
• Ausschlußanforderungen splitten sich in 2 unabhängige Teilaus-drücke auf in a und r1r2 X w (Original-Objekt)
• Sind unabhängig, da sie keine gemeinsamen Namen besitzen
• In dieser Komposition Container-Methoden unsynchronisiert (haben keine Ausschlußbedingungen)
• Ausschlußbedingungen für gesamte Komposition berechenbar solange Komponentenseparat sind, keine Namen gemein haben und das Container-Objekt keinen Ausschluß definiert a | r1 r2 X w = c_a.a | c_rw.r1 c_rw.r2 X c_rw.w
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Abwärtskomposition erlaubt einem Container-Objekt seinen inter-nen Komponenten Ausschlußbedingungen bereitzustellen
• Kann die Implementation eines zusammengestzten Objektes optim.
• da Komponenten keine expliziten Ausschlußbedingungen benöt. wenn Container- Ausschlußbedingungen sichern, dass die Kom-
ponenten-Anforderungen getroffen werden
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Beispiel: ZusammengesetztesObjekt mit unsynch.Methoden c = ☾ o1 = ☾ x = (…)☽ o2 = ☾ y = (…) ☽
a = (o1.x) b = (o1.x; o2.y) a X b ☽
• Mit der Algebra kann man den effektiven Ausdruck einer Komponente bestimmen
• Durch inspizieren der aufrufenden Methoden (callers)
• Container kapselt die Komponenten -somit einzige Methode die Komponen
tenmethoden aufzurufen durch Containermethoden
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Regel für die Abwärtskomposition:
Für eine Komponentenmethode o.m1, die andere Komponentenme- thode o.m2 ausschließt, müssen alle Methoden ihres umschließen den Containers c, die o.m1 aufrufen, alle Methoden des umschlie- ßenden Containers, die o.m2 aufrufen, ausschließen.
callers(o.m1) X callers(o.m2) ⊑ c
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Eine Komponente erhält einen o^downward-Ausschluß seines um- schließenden Containers, wenn:
o^downward [callers(o.m1) / m1, callers(o.m2) / m2, … , callers(o.mN) / mN] ⊑ c, wobei callers (o.mi) die Konjunktion („|“) aller Container-Methoden, die o.mi der Komponente o aufrufen und e [T1 / t1,…,TN / tN] ist e mit Ti substituiert an Stelle von ti
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Diese Definition fordert nicht, weder von Komponenten noch vom Container das sie Single-Threaded sind
• Bedingungen, die es erlauben Multi-Threads auszuführen werden ebenfalls von dieser Def. Unterstützt (z.B. Lese/Schreibe-Mengen)
• Auch Selbstausschluß wird gesichert (z.B, wenn Komponente o.mi sich selbst ausschließt, dann müssen alle Aufrufer von o.mi sich ebenfalls selbst ausschließen)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
c = ☾ o1 = ☾ x = (…)☽ o2 = ☾ y = (…) ☽
a = (o1.x) b = (o1.x; o2.y) a X b ☽
• y [callers(o2.y) / y] ≡ (callers) y [b / y] ≡ (subst) b ⊑ (intro) a X b
• x [callers(o1.x) / x] ≡ (callers) x [ab / x] ≡ (subst) a | b ⊑ (intro) a X b
• x [callers(x) / x] ≡ (callers) x [ab / x] ≡ (subst) ab ⋢ a X b
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.4 Abwärtskomposition
• Löschen redundanter Ausschlußbedingungen:• cache = ☾ ram = ☾ (req: get X put); get put☽ disk = ☾ (req: get X put); get put☽ get‘ = (ram.get; disk.get) put‘ = (ram.put; disk.put) get‘put‘ ☽ Manche Synchronisation ist redundant• disk[callers(disk.get) / get‘, callers(disk.put) / put‘] ≡ get X put[get‘ / get, put‘ / put] ≡ get‘ X put‘ ⊑ get‘ put‘• cache-Container Objekt-Ausschluß kann sicher zu get‘ X put‘
reduziert werden, da Unterkomponentenanforderungen ge-troffen
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Sperrsynchronisation 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
• Aufwärtskomposition erlaubt Container von den Ausschlußbedingungen seiner internen Komponenten zu profitieren
• Beispiel C++-Version der Complex Number-Class: class RWComplex{
private: long re; long im; ReadWriteLock rw; public: long a() {Guard guard(rw.readLock); return re;} long b() {Guard guard(rw.readLock); return im;} void c(long re_, long im_){ Guard guard(rw.writeLock); re = re_; im = im_;}
Benutzt Aufwärtskomposition um Lese/Schreibe Sperrsynchronisation zu ermöglichen
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
• Vorteil von Aufwärtskomposition, dass Container seine Methoden ausführt, während er die Sperrsynchronisation an seine internen
Komponenten deligiert
• Kein Vergleich zu Standard Methodenaufruf, da Container-Methode Irgendwie eine Sperre der Komponente anfordern muß, sie solange hält, bis die Methode komplett ausgeführt wurde, um sie dann frei-
zugeben
• In der Algebra modelliert mittels Wächter-Methoden (guarded methods)
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
• Eine Wächter-Methode beginnt mit einer Serie von Wächtern, ge-folgt von einem „“ und einem Methoden-Block
• Eine Wächter-Methode kann nur dann ausgeführt werden, wenn alle seine Wächter simultan ausgeführt werden dürfen
• Beispiel: m = (o1.a, o2.b … body of method m) • o1.a und o2.b simultane Ausführung zulässig, dann m ausführen
• Similar zur C++-Funktion: public void m(){ Guard guard(o1.a); Guard guard(o2.b); //…….Block von m }
Ausschlußsynchronisation zusammengsetzter Objekte
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
public void m(){ Guard guard(o1.a); Guard guard(o2.b); //…….Block von m }
• Wächter Modellieren „schützende“ Methodenaufrufe mit spezifi- zierter Sperrsynchronisation (keine statusbedingte Synchroni-
sation) co = ☾ l1 = ☾ r X w☽ l2 = ☾ e ☽ a = (l1.r …body of method a) b = (l1.w…body of method b) c = (l1.w,l2.e …body of method c) d = (l2.e …body of method d) ☽
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
• Gegeben: eine Wächter-Methode o1.g1,…,oN.gN auf die Ausschlußbedingungen des Containers schließen, gege-
ben durch jede Methode oi.gi
• Nicht immer einfach, da Ausschlußbedingungen mehr als eine Me-thode betreffen können
• Eine Container-Methode oi.gi sollte jede andere Container-Methode oi.gj ausschließen, falls die oi-te Komponente Methhode oi.gj
ausschließt
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
• Ausschlußbedingungen beigesteuert von Komponente co_i-up
• co_i-up = oi [guards(oi.g1) / m1,…,gurads(oi.gN / mN], wobei guards(oi.gj) sind Container-Methoden, die
Wächter Methode gj der oi-ten Komponente besitzen
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3. Objektkomposition 3.5 Aufwärtskomposition
co =☾ l1 = ☾ r X w☽ l2 = ☾ e ☽ a = (l1.r …body of
method a) b = (l1.w…body of method
b) c = (l1.w,l2.e …body of
method c) d = (l2.e …body of
method d)
☽
• Gesamter Ausschlußausdr. ist
l1[guards(l1.r) /r,guards(l1.w) /w] ≡ (grds)
r X w[a/r,bc/w] ≡ (sub)
a X bc• Sichert, dass a und bc eine Lese/ Schreibe-Menge a X bc darstellen l2[guards(l2.e) /e] ≡ (grds) e[cd/e] ≡ (sub) cd• Sichert, dass c und d sich gegen-
seitig ausschließen und eine Schreibe-Menge dartsellen
Konj. der Ausschlüsse (a X bc) | cd
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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4. Aktive Objekte
• Sind Objekte, die eigene Threads besitzen
• Falls Komponente aktiv, dann ruft sie eigenen internen Thread
• In der Algebra ein „∗“ vor Definition eines aktiven Objektes setzen
• Ausschlußbed. eines aktiven Objektes werden auf Threads intern und auf Threads extern angewendet
• Alle Mechanismen der Algebra können auf aktive Threads ange-wendet werden, außer Abwärtskomposition
• ?
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4. Aktive Objekte
• Bei Abwärtskomposition, nehmen wir an, dass Threads eine in-terne Komponente nur durch ihren dazugehörigen umschließenden Container ansprechen dürfen !!!!
• Und müssen somit die Ausschlußbedingungen des Containers treffen
• Gleichzeitig gibt es keine Einschränkung bei der Aufwärtskompo-sition, da Wächter-Methoden keine Voraussetzungen an ihren umschließenden Container stellen
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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5. Vererbung• Vererbung wird in der Algebra dadurch dargestellt, dass Kombina-tion
der Ausschlußausdrücke von Klassen und ihrer Super-Klassen JAVA-CLASS (u,s) = u | s , u = unsynchr. & s =
synchr. • Erweiterung der Basisdefinition durch Vererbung JAVA-CLASS-I (u,v,s,t) = (u | v‘) | (s X t‘) where v‘ = v [u‘ / u, s‘ / s] t‘ = t [u‘ / u, s‘ / s ]
• Lokale Definitionen u = unsynchr. & s = synchr. plus geerbte Me- thoden v (unsynchr.) & t (synchr.)
• Substitution sichert, dass überschriebene Methodennamen mit „‘“ benannt werden
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5. Vererbung• Similar zu super in Java oder Smalltalk, oder prefixing Basis-
klassenmethoden mit dem Basisklassenname in C++
• Resultierende Klasse besitzt alle, lokale wie auch geerbte Metho-den mit den überschriebenen veerbten Methoden neu benannt
• diese Formulierung impliziert nicht Verfeinerung, da Vererbung den Status der Methoden verändern kann , z.B.: JAVA-CLASS(aby, cdz, 0, 0) ≡ aby | cdz JAVA-CLASS-I(aez, cfy, aby, cdz) ≡ (aez | a‘by‘) | (cfy X c‘dz‘) ≡ !!! Siehe y
und z aa‘bey‘z | cc‘dfyz‘• aby | cdz ⋢ aa‘bey‘z | cc‘dfyz‘
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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6. Deadlock• Algebra konzentriert sich auf Sicherheitsaspekt (Threads stören
sich nie gegenseitig) und vernachlässigt Lebendigkeit (ein Thread mindestens schreitet immer fort in seiner Ausführung)
• Verfeinerung fordert, dass jeder Ausdruck egal in welchem Kon-text verstärkt wird, obwohl dieses zum Deadlock führen kann
• Sicherheit ist ein lokaler Aspekt, während Lebendigkeit ein globa-ler Aspekt ist bei der Untersuchung der Objektkomposition und dem System in das es eingebettet ist
• Deswegen müssen die beiden Punkte individuell analysiert werden (Sicherheit = lokale Analyse und Lebendigkeit = globale Analyse)
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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7. Praktische Anwendungen 7.1 Design-Notation
• Benutzt bei Modellieren von Auschlußbedingungen in existier-enden oder geplanten Software-Designs
• In drei Phasen:
– Modellieren der Basis der Unter-Komponenten-Struktur des Systems
– Modellieren der verkürzten Ausschlußanforderungen jeder Kompo-nente
– Verteilung der Sperrsynchronisation auf die Zusammengesetzte Struk-tur
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Gliederung1. Einleitung2. Ausschlußalgebra 2.1 Ausschlußpaare, Ausschlußausdrücke 2.2 Nebenläufigkeitskontrolle 2.3 Verfeinerung von Ausschlußausdrücken3. Objektkomposition
3.1 Erweiterung der Algebra mit Objekten3.2 Objektkomposition (zusammengesetztes Objekt)3.3 Splitten von Objekten 3.4 Abwärtskomposition3.5 Aufwärtskomposition
4. Aktive Objekte5. Vererbung6. Deadlock7. Praktische Anwendungen
7.1 Design-Notation7.2 Tool Support7.3 Programmiersprachenunterstützung und Optimierung
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7. Praktische Anwendungen 7.2 Tool Support
• Experimente mit Prototyp, der Kalkulationen der Ausdrücke über-nimmt
• Erlaubt Benutzer Ausschlußausdrücke zu manipulieren, Verfein-erungen vorzunehmen und sie zu verifizieren
• Werkzeug kann Ausschluß innerhalb der Komposition analysieren
• Kann effektive totale Ausschlußanforderung berechnen
• Wird erweitert um den Prozess visualisiert darzustellen
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Zusammenfassung
• Ausschlußalgebra beschreibt die Ausschlußbedingungen in zusammengesetzten Objekten
• Durch Upwards-und Downwards-Komposition besteht Möglichkeit für Programmierer mit ihrem Design zu experimentieren, es zu verifizieren und es ggf. zu optimieren trotz evtl. sehr hohen Grad an Multithreading im Design
• Durch abstrakte Beschreibung des Designs kann die Ausschlußalgebra als Notation während der gesamten Software-Entwicklungsphase benutzt werden
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papadopo@inf.fu-berlin.de
Danke für‘s Zuhören
einen schönen Abend…
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