Rinnakkaisuus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Rinnakkaisuus (engl. concurrency, parallelism) tarkoittaa tietotekniikassa ongelman ratkaisemista siten, että sen osaongelmat ratkaistaan joko näennäisesti tai aidosti yhtä aikaa rinnakkaisissa laskennoissa.[1] Laskennat voidaan suorittaa myös monessa tietokoneessa, jolloin yleensä käytetään termiä hajautettu järjestelmä.

Perinteisesti prosessi (engl. process) on tarkoittanut yhtä ajossa olevaa ohjelmaa. Rinnakkaisuus on tällöin sitä, että järjestelmässä on useita prosesseja ajossa yhtä aikaa. Näillä prosesseilla ei tarvitse olla mitään yhteistä, ja kukin niistä voi ratkaista omaa laskentaansa. Toisaalta prosessit voivat myös kommunikoida keskenään, jolloin niiden välille syntyy riippuvuuksia ja suoritettava laskenta on ainakin jossain määrin yhteinen. Käyttöjärjestelmän tehtävänä on suojata prosessit toisiltaan, tarjota niille mekanismeja keskinäiseen kommunikointiin ja päättää, mikä prosessi milloinkin on ajovuorossa (skedulointi, engl. scheduling eli vuoronnus).

Saman prosessin sisällä olevia rinnakkaisia itsenäisesti vuoronnettavia ohjelman osia kutsutaan yleensä säikeiksi (engl. thread), mutta myös termejä tehtävä (engl. task) ja kevytprosessi (engl. light-weight process) käytetään jonkin verran. Säie eroaa prosessista siten, että säikeellä ei ole omia resursseja kuten muistia, auki olevia tiedostoja ja niin edelleen, vaan se käyttää sen prosessin resursseja, johon se kuuluu. Säikeet ovat nykyään suosittu tapa toteuttaa laskennan rinnakkaisuutta yhden koneen sisällä, jos käyttöjärjestelmä tukee säikeitä.

Jos tietokoneessa on vain yksi suoritin, voi ainoastaan yksi prosessi (tai yksi säie) kerrallaan olla ajossa. Muut prosessit joutuvat odottamaan vuoroaan. Tämä ei aina aiheuta todellista hidastumista, sillä useimmat prosessit pyytävät välillä oheislaitteilta palvelupyyntöjä, joita ne joutuvat odottamaan. Odotuksen aikana voidaan hyvin suorittaa toista prosessia.

Mikäli tietokoneessa on useita suorittimia, voi ajossa olla niin monta prosessia (tai säiettä) kuin on suorittimiakin. Yleensä järjestelmän teho ei kuitenkaan kasva lineaarisesti suorittimien määrän myötä, sillä suorittimet häiritsevät hieman toisiaan käsitellessään yhteistä fyysistä muistia tai ajaessaan käyttöjärjestelmän ytimen koodia.

Rinnakkaisissa järjestelmissä tulee aina vastaan kilpailutilanne (engl. race condition), vaikka ohjelmat eivät muuten olisi sidoksissa toisiinsa. Tämä tarkoittaa sitä, että ne tarvitsevat edetäkseen samoja resursseja kuten muistia, levytilaa ja suoritinaikaa. Mikäli ohjelmat käyttävät yhteistä muistia (saman prosessin säikeet tai käyttöjärjestelmältä pyydetty yhteinen muistialue), ohjelmat voivat päivittää yhtä aikaa samaa muuttujaa tai tietorakennetta, mikä yleensä johtaa virheeseen. Tämän takia käyttöjärjestelmä tarjoaa mekanismin poissulkemiseen (engl. mutual exclusion), mikä tarkoittaa sitä, että vain yksi säie tai prosessi voi kerrallaan käsitellä yhteisiä muuttujia. Yhteisiä muuttujia käsittelevää ohjelman osaa kutsutaan kriittiseksi alueeksi (engl. critical section).

Poissulkemisen varjopuolia on se, että väärin tehty ohjelma voi lukkiutua (engl. deadlock). Lukkiutumistilanteessa prosessit odottavat tosiaan, eikä yksikään niistä pääse etenemään. Hieman samankaltainen on tilanne, jossa ainakin yksi prosessi jatkuvasti jää ilman suoritinaikaa, vaikka varsinaista lukkiutumista ei esiinnykään – järjestelmä siis ainakin osittain toimii kuten pitääkin. Tilannetta kutsutaan nälkiintymiseksi tai nääntymiseksi (engl. starvation).

Rinnakkaiset ohjelmat voivat joutua myös odottamaan toisiaan. Tällöin tarvitaan synkronointia (engl. synchronization), jotta voidaan varmistua, etteivät prosessit etene liian nopeasti toisiin prosesseihin nähden.

Testauksen kannalta rinnakkaisohjelmien perusongelma on ajoituksen muuttuminen ajokerrasta toiseen. Ajoituksen muuttuminen aiheuttaa sen, että sama ohjelma voidaan ajaa läpi hyvin monella eri tapaa, ja testausvaiheessa on mahdotonta saada aikaan kaikkia näitä mahdollisia laskentoja. Pienikin muutos ympäristössä voi muuttaa olennaisesti ajoitusta ja jokin piilevä virhe tulee näkyviin. Tätä voi kuvata myös tilaräjähdyksenä: Perinteinen ohjelma suoritetaan sarjallisesti mahdollisten kontrollirakenteiden ohjaamana, mutta kuitenkin siten, että ohjelmalla on yksi ohjelmalaskuri, joka määrää laskennan sen hetkisen tilan yhdessä muistin sisällön kanssa. Rinnakkaisessa järjestelmässä ohjelmalaskureita on useita, eivätkä kaikki ohjelmat suorita samaa ohjelmakoodia. Laskennan tila on siis ohjelmalaskureiden ja muistin sisällön määräämä, jolloin mahdollisia tiloja on moninkertainen määrä sarjalliseen ohjelmaan verrattuna.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Ilkka Haikala ja Hannu-Matti Järvinen: Käyttöjärjestelmät (luku 3). Talentum 2003. ISBN 951-762-837-4