Strippen ziehen - Nebenläufigkeit in modernen Programmiersprachen

A talk in German about concurrency in modern programming languages
Mathema Campus, 2024-04-13

Kotlin kennt Coroutinen, C# und Java (virtuelle) Threads. Dart und JavaScript sind single-threaded, ermöglichen aber trotzdem eine asynchrone Programmausführung. Der Wunsch, Dinge (quasi) gleichzeitig tun zu können, ist praktisch so alt wie das Programmieren selbst. Sobald es die Hardware hergegeben hat, wurden entsprechende Konzepte ersonnen und umgesetzt. Und nein, Coroutinen wurden nicht für Kotlin erfunden. In diesem Vortrag sehen wir uns moderne Umsetzungen an. Dabei geht es nicht um die Frage, welche Sprache es besser macht, sondern zum einen um Begriffserklärungen (was bedeuten Nebenläufigkeit und Asynchronität eigentlich?), und zum anderen um die Nutzung im Code. Was gehört zur Programmiersprache, was zur (Klassen-)Bibliothek?

Transcript

1. Strippen ziehen Nebenläufigkeit in modernen Programmiersprachen
2. Dinge gleichzeitig erledigen • Gegner und Gegenstände in einem Spiel bewegen • Anfragen von entfernten Computern beantworten • Ein komplexes Problem verteilt lösen
3. Wie gleichzeitig ist gleichzeitig? • Abhängig von verwendeter Soft- und Hardware • Fähigkeiten (Architektur) des Systems • Oft nur „gefühlt gleichzeitig“
4. • Früher… • Oberflächlich betrachtet… • Fäden ziehen… oder lieber noch warten?
5. Thomas Künneth, Snapp Mobile @tkuenneth@snapp.social https://www.thomaskuenneth.de
6. • Früher… • Oberflächlich betrachtet… • Fäden ziehen… oder lieber noch warten?
7. 1980er • Ära der Home Computer • Einfach gestrickte Hardware • Maschinen sehr langsam • „Betriebssystem“ Kombination aus BASIC Interpreter und Editor
8. • Programme wurden oft in BASIC geschrieben • Einfach zu lernen • Langsam • Wer konnte, wich auf Maschinensprache aus
9. • Die meisten Mikroprozessoren führten immer genau ein Programm aus • Reaktion auf Ereignisse durch „Interrupts“ • Tastatur abfragen • Cursor blinken lassen
10. • Hauptprogramm wird unterbrochen • „Interrupt-Routine“ wird ausgeführt • Hauptprogramm wird fortgesetzt • Je nach Prozessor verschiedene Interrupt-Quellen
14. Ein Timer mit Variablen? Echt jetzt??
15. • Commodore BASIC selbst aus damaliger Sicht unkomfortabel • Manche Dialekte boten PAUSE oder DELAY an (keine Möglichkeit, während des Wartens etwas zu tun) • In BASIC (zunächst) kein Pendant zu Interuptroutinen
16. • Manche Dialekte boten Zugriff auf Systemzeit (Variablen TI oder TIME$) • Besser geeignet, weil Dauer für Hochzählen von Variablen abhängig von Geschwindigkeit des Rechners • Hat man aber noch nicht gewusst – oder ignoriert ;-)
17. • Früher… • Oberflächlich betrachtet… • Fäden ziehen… oder lieber noch warten?
24. • Aktualisierung von Bedienelementen auf der Basis von Zustand • Zustand greift auf Flows zurück • Flows werden aus Coroutinen gespeist
25. Flows sind asynchronen Datenströme, die Werte sequenziell emittieren.
26. Coroutinen werden als leichtgewichtige Threads bezeichnet. Sie verbrauchen weniger Ressourcen als Plattform-Threads und nutzen diese zur Ausführung.
27. Ein Thread ist das kleinste Stück Code, das ein Betriebssystem zur Ausführung bringen kann
33. • Aktualisierung von Bedienelementen auf der Basis von Zustand • Zustandsänderungen explizit mit setState() • Wiederholte Ausführung von Code mit Timer.periodic()
39. • Promise repräsentiert (irgendwann vorliegendes) Ergebnis eines asynchronen Aufrufs • Definition asynchroner Funktionen mit async • Warten auf Ergebnis mit await • Währenddessen kann System andere Dinge tun
40. • Kein Observable-ähnlicher Zustand in purem JavaScript/HTML • Wohl aber in Web Frameworks wie React • React macht deklarative UI-Frameworks populär • Inspiration für Flutter, SwiftUI und Jetpack Compose
41. • Früher… • Oberflächlich betrachtet… • Fäden ziehen… oder lieber noch warten?
43. • Warten auf ein Ereignis erlaubt dem System, bis zum Eintreten etwas anderes zu tun • Sinnvoll, wenn nur ein Thread für die Ausführung von Code zur Verfügung steht
44. • Im Kern sind Dart- und JavaScript-Umgebungen single-threaded • Zentrales Element in beiden Fällen event loop • Langlaufender Code verhindert Abarbeiten der event loop • Zeigt sich durch nicht reagierende Benutzeroberfläche
45. • Verfügbarkeit mehrerer Threads macht UI nicht automatisch immun • Praktisch alle UI-Frameworks der letzten 40 Jahre sind single- threaded • Ist dieser ausgelastet, steht die Anwendung
46. Markus Spiske https://unsplash.com/de/fotos/braun-weisses-schachbrett-uqeaZXZkquw
47. Nebenläufigkeit ist die Fähigkeit eines Computersystems, mehrere Aufgaben oder Teile eines Programms scheinbar gleichzeitig auszuführen. Diese Aufgaben oder Teile können in ihrer Ausführung zeitlich überlappen. Sie müssen nicht einzeln, in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden.
48. Asynchrone Programmierung erlaubt, Aufgaben auszuführen, ohne den Hauptausführungsfluss eines Programms zu blockieren. Statt auf den Abschluss einer langwierigen Operation zu warten, kann das Programm mit anderen Aufgaben fortfahren. Es wird benachrichtigt, wenn das Ergebnis der lang laufenden Operation verfügbar ist.
49. In der ereignisorientierten Programmierung wird der Ablauf des Programms in erster Linie durch Ereignisse bestimmt. Ereignisse können beispielsweise Benutzereingaben, Alarme / Timer oder Ergebnisse von Netzwerkoperationen sein.
50. Unter reaktiver Programmierung wird die Verarbeitung von kontinuierlichen und asynchronen Datenströmen verstanden. Datenströme transportieren Ereignisse, Zustandsänderungen, Fehler, sowie beliebige andere Arten von Informationen.
51. • Unterstützung dieser Paradigmen üblicherweise durch Bibliotheken • Programmiersprachen selbst nur wenige Schlüsselwörter (async, suspend)
57. Vielen Dank! Thomas Künneth, Snapp Mobile @tkuenneth@snapp.social https://www.thomaskuenneth.de