Einführung in die Multithreading-Programmierung

Die neue Generation von Mehrkern-Prozessoren zwingt Programmierer zum Umdenken. Um die Hardware auszureizen, muss der Code mit mehreren Threads arbeiten. Der Artikel gibt eine Einführung in die Konzepte und Werkzeuge der Multithreading-Programmierung.

Was bedeutet Multithreading-Code? Kurz gesagt: Die Hardware erledigt mehrere Aufgaben gleichzeitig. Ein Bearbeitungsstrang (thread) ist ein Objekt des Betriebssystems, das Befehle oder einen Code ausführt. Ein normales sequenzielles Programm besteht aus nur einem Thread. Er führt die Hauptfunktion des Programms aus. Bei mehreren Threads wird Code simultan abgewickelt.

Beispielsweise kann ein Programm eine Liste von zu addierenden Zahlen in zwei Hälften aufteilen. Jede Hälfte wird simultan aufaddiert. Anschließend lassen sich die beiden Resultate zu einem Endergebnis zusammenfügen. Dies wird erreicht, indem der Entwickler separate Threads zur Berechnung jeweils einer Hälfte der Liste erstellt.

Der Vorteil von Multithreading ist seine Geschwindigkeit. Wenn zwei Threads je eine Hälfte der Liste addieren, ist das Programm doppelt so schnell fertig. Das gilt zumindest für Computer, die zwei Threads gleichzeitig ausführen können, etwa dank Dual-Core-Prozessoren. Auf Computern mit nur einem Prozessor gibt das Betriebssystem vor, mehrere Threads gleichzeitig auszuführen, indem es regelmäßig zwischen den unterschiedlichen Threads wechselt (time-splicing).

Auch wenn es nicht besonders einleuchtend erscheint, dass das Ausführen von Code mit mehreren Threads auf einem einzelnen Prozessor die Geschwindigkeit steigert, so ist dies doch der Schlüssel für reaktionsfreudige Programme, die mit Ein- und Ausgaben (I/O-Vorgängen) beschäftigt sind. Ein Bearbeitungsstrang befasst sich beispielsweise mit dem Kopieren von Dateien auf eine Festplatte, während ein anderer Thread darauf achtet, ob der Benutzer die Schaltfläche „Abbrechen“ betätigt.

Multithreading-Code kann also für enorme Geschwindigkeitssteigerungen sorgen. Doch Multithreading ist ein „scharfes“ Werkzeug, das mit Vorsicht gehandhabt werden sollte. Das Schreiben von Multithreading-Code ist nicht einfach. Alles Mögliche kann schiefgehen, und Fehler sind manchmal fast unmöglich aufzuspüren. Vor dem Erstellen von Code mit mehreren Threads sollte der Entwickler gut überlegen, ob sich die Mühe überhaupt lohnt. In zwei Fällen erscheint es wirklich nützlich: wenn die anstehende Aufgabe von einem Parallel-Algorithmus erledigt werden kann oder wenn das Programm ohnehin zwei Vorgänge gleichzeitig ableisten muss, etwa das Kopieren von Dateien und das Überwachen der Schaltfläche „Abbrechen“.

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