Synkronointi (ohjelmointi)
Synkronointi () tietokoneen ohjelmoinnissa tarkoittaa hallittua synkronointimekanismia rinnakkaisten ohjelmien välisen tiedon käsittelyyn.
Synkronointia tarvitaan, jotta kahden rinnakkain samanaikaisesti tapahtuvan muutoksen välillä ei synny kilpatilannetta (), jolloin ohjelmat voivat päivittää yhtä aikaa samaa muuttujaa tai tietorakennetta, mikä yleensä johtaa virheeseen. Tämän takia käyttöjärjestelmä tarjoaa mekanismeja resurssien hallittuun synkronointiin ().
Kilpatilanne voi syntyä myös yhden suorittimen järjestelmässä riippuen säikeiden ja prosessien vuoronnuksesta ("context switch") sekä laitteistokeskeytyksien käsittelystä.
Nykyisin käytettävät "lukottomat" synkronointimekanismit välttävät suuren osan aiemmin tunnetuista ongelmista. Lukottomia menetelmiä ovat atomiset operaatiot sekä Read-Copy-Update (RCU) mekanismi.
Synkronointimekanismit tai "synkronointiprimitiivit" ovat "sopimuspohjaisia" siten, että ohjelmakoodia tehtäessä on tunnistettava mitä muuttujia ei saa muokata lukituksen ollessa voimassa. Lukituksen käsittely tarvitaan sekä lukevalle että kirjoittavalle puolelle jotta molemmilla on käsitys milloin lukitus on voimassa.
Synkronointiin käytettäviä mekanismeja ovat "spinlock", "barrier", semaforit, () poissulkeminen () ja kriittinen alue (), joilla varmistetaan, että vain yksi säie tai prosessi voi kerrallaan käsitellä yhteisiä muuttujia.
Eri mekanismeilla voi olla suorituskyvyn kannalta merkitystä lukituksen "haastamisen" () kannalta.
"Spinlock" nimensä mukaisesti tarkastelee lukitusmuuttujaa kunnes se voi varata lukituksen. Tästä voi aiheutua "busy-wait" tilanne, mutta menetelmää yhä käytetään sen yksinkertaisuuden vuoksi. "Sekventiaaliset lukitukset" ("Seqlocks") ovat spinlockien variaatio, joka huomioi erikseen kirjoituksen ja lukituksen antaen kirjoitukselle korkeamman prioriteetin.
"Barrier" on esto, joka rajaa mm. kääntäjän tai suorittimen tekemän "uudelleenjärjestelyn" varmistaen että tietty ohjelmakoodi suoritetaan sitä ennen. Tähän voidaan liittää myös välimuistin tyhjentäminen keskusmuistiin (ks. välimuistin yhtenäisyys) ja muita toimintoja. Etenkin moniprosessointi voi vaatia mekanismia.
"Semafori" on kahden "suunnan" menettely, jossa lasketaan lukituksen ottaneet ja lukituksen vapauttaneet: kun lukituksen ottaneita on enemmän kuin lukituksen vapauttaneita muutoksia ei saa tehdä synkronoitavaan tietoon. Linuxin toteutus laskee sekä lukituksen ottaneet että odottajat.
"Turnstile" tai "kääntöportti" on Solaris käyttöjärjestelmän toteuttama synkronointimenetelmä.
"Poissulkeminen" on yleinen prosessien välillä käytetty synkronointi. Monet menetelmät toimivat vain säikeiden välillä nopeusedun vuoksi, mutta yleiset tietokoneresurssit kuten sarjaportti voivat vaatia varmistuksen että muiden prosessien säikeet eivät myöskään pääse käsittelemään samaa resurssia samaan aikaan. Linux toteuttaa "mutex" tyypin lisäksi "futex" poissulkemisen, joka on nopeampi mutta kernelin sisäisiin toimintoihin rajoitettu.
Poissulkeminen voi olla verrattain raskas ja hidas operaatio ja ohjelman sisäiseen synkronointiin käytetään tyypillisesti muita menetelmiä kuten kriittisiä alueita.
"Kriittinen alue" () on ohjelmalohko, joka on suoritettava sen loppuun asti ennen luovuttamista toiselle suorittajalle.
Prosessin sisäisen suorituksen synkronointiin kriittinen alue voi olla tehokkaampi vaihtoehto kuin poissulkeva "mutex".
Termiä käytetään synkronointiprimitiivin lisäksi myös synkronoinnilla suojatusta ohjelmalohkosta.
"Atomisilla operaatioilla" voidaan tehdä ohjelmointikielen (ja laitteiston) tukemana automaattisesti suojattuja (synkronoituja) tai "lukottomia" muuttujia, joilla voidaan välttää kilpatilanteita.
Muun muassa C++11 lisää ohjelmointikieleen tuen atomisille operaatioille (ISO/IEC 14882:2011). Atomisilla operaatioilla voidaan toteuttaa korkeamman tason synkronointitoimintoja.
Atomiset operaatiot voivat parantaa suorituskykyä huomattavasti verrattuna perinteisiin synkronointimenetelmiin.
Microsoft on käyttänyt atomisista toiminnoista nimitystä "lomittuvat toiminnot" ().
Atomisuutta käytetään synkronointiprimitiivien lisäksi myös muualla kuten tietokantojen ACID-periaatteessa sekä tiedostojärjestelmän toimintaperiaatteiden kuvauksissa, jotka ovat eri tason käsitteitä.
"ReaderWriterLock" on Microsoftin synkronointiprivimitiivi, joka sallii useamman lukevan säikeen mutta vaatii kirjoittavan säikeen odottavan poissulkevaa lukitusta.
"Read-Copy-Update" (RCU) mekanismi on Linuxissa käytetty skaalautuva mekanismi. RCU:n etu on äärimmäisen nopea lukeminen harvoin päivitettäville tiedoille.
RCU on immuuni "deadlock" tilanteelle ja se on lähtöisin Sequentin DYNIX/ptx ytimestä, jossa RCU:n käytöllä vähennettiin huomattavasti "deadlockin" välttämiseen tarkoitettua ohjelmakoodia. Mekanismia on käytetty myös IBM:n tutkimusalustassa K42.
Mekanismi käyttää "elävän" (luettavissa olevan) ja "kuolleen" (muokattavissa olevan) muuttujan periaatetta.
Koska menetelmä käyttää eri operaatioita "lukevalle" ja "kirjoittavalle" puolelle tähän viitataan myös "reader-writer locking" konseptina, mutta sillä korvataan Linuxissa käytettyä "read-write lock" mekanismia (rwlock).
RCU:sta on tehty esitys C++:n ISO-standardointiin liittyen.
Laitteistokeskeytyksien pysäyttäminen kriittisen alueen ajaksi on yksi reaaliaikajärjestelmien käyttämä menetelmä.
Rinnakkaiset ohjelmat voivat joutua myös odottamaan toisiaan jolloin säikeet estävät toisiaan ().
Väärin tehty ohjelma voi lukkiutua (). Lukkiutumistilanteessa prosessit odottavat tosiaan, eikä yksikään niistä pääse etenemään.
Nälkiintyminen tai nääntyminen () on tilanne, jossa ainakin yksi prosessi jatkuvasti jää ilman suoritinaikaa, vaikka varsinaista lukkiutumista ei esiinnykään – järjestelmä siis ainakin osittain toimii kuten pitääkin.
"Priority inversion" tilanne on ongelmallinen vuoronnetuissa järjestelmissä, joissa korkean prioriteetin säie voi joutua odottamaan matalan prioriteetin säiettä vapauttamaan varatun resurssin, mutta matalan prioriteetin säie ei saa riittävästi ajoaikaa.
Käytetystä synkronointimenetelmästä riippuen järjestelmä voi olla myös herkkä "busy-wait" tilanteelle, jossa suoritinaikaa käytetään paljon odotettavan lukituksen tilan tarkisteluun. Etenkin "spinlock" synkronointi voi aiheuttaa tämän tilanteen.
Itse alustakohtaisen tuen lisäksi eräissä ohjelmointikielissä on niiden standardikirjastossa toteutus alustakohtaiselle synkronointimekanismille, joka käyttää samaa rajapintaa eri alustoilla.
Esimerkiksi C++11 lisäsi codice_1 toteutuksen kielen standardikirjastoon. C11 lisäsi säikeistyksen tuen mukaan lukien synkronointituen.
Esimerkki synkronoinnin käyttötapauksesta:
Huomaa, että tämä esimerkki olettaa synkronointiprimitiivin odottavan kunnes lukitus onnistuu ja voi pysäyttää säikeen suorituksen pitkäksi aikaa.
Esimerkki demonstroi miten lukittavan arvon käsittely on oltava sekä luku- että kirjoituspuolella "sopimuskäytännön" mukaisesti.