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GRABS Übungsaufgaben Ressourcen und Nebenläufigkeit Grundbegriffe

Grundbegriffe

In der Vorlesung wurden Grundbegriffe wie Threads und Parallelität behandelt. Die folgenden Fragen beschäftigen sich mit diesen Konzepten und sollen die wesentliche Unterschiede festigen.

a)

Level 1: Wissen

Wie unterscheidet sich ein federgewichtigter Prozess (Fiber) von einem leichtgewichtigen Prozess (Thread)?

Lösung

Fiber:

  • Benutzer-Level-Thread → nicht sichtbar für das Betriebssystem
  • Anwendung muss Scheduling übernehmen
  • Fiber nutzt Ressourcen, die der Prozess zur Verfügung stellt
  • Vorteil: Kontextumschaltung ohne Wechsel in den Kernel Mode

Thread:

  • Betriebssystem-Level-Thread → sichtbar für das Betriebssystem
  • Scheduling wird vom Betriebssystem übernommen
  • kooperierende Threads teilen sich einen Adressraum (code + data + bss + Heap, Stack ausgenommen wegen des eigenen Kontrollflusses jedes Threads)
  • Vorteil: komplexe und synchrone Aufgaben können ausgelagert und wiederverwendet werden
  • Nachteil: Wechsel zwischen Threads erfordert Kontextwechsel

b)

Level 2: Verstehen

Was ist der Unterschied zwischen Threads (wie Sie in der Vorlesung vorgestellt wurden) und Simultaneous Multithreading (bei Intel auch bekannt als Hyper-Threading)? Identifizieren Sie für Ihre Antwort zuerst die wesentlichen Punkte von Simultaneous Multithreading aus dem folgenden Text1.

1

Übersetzt von https://www.intel.com/content/www/us/en/gaming/resources/hyper-threading.html (zuletzt aufgerufen: 10. Juni 2026).

„Die Intel® Hyper-Threading-Technologie ist eine Hardware-Innovation, die es ermöglicht, mehr als einen Thread auf jedem Kern laufen zu lassen. Mehr Threads bedeuten, dass mehr Arbeit parallel erledigt werden kann.

Wie funktioniert Hyper-Threading?
Wenn die Intel® Hyper-Threading-Technik aktiv ist, stellt die CPU zwei Ausführungskontexte pro physischem Kern zur Verfügung. Das bedeutet, dass ein physischer Kern jetzt wie zwei “logische Kerne” arbeitet, die verschiedene Software-Threads verarbeiten können. Zwei logische Kerne können Aufgaben effizienter abarbeiten als ein herkömmlicher Single-Threading-Kern. Die Intel® Hyper-Threading-Technik verbessert den CPU-Durchsatz, indem sie die Leerlaufzeit nutzt, in der der Kern auf die Fertigstellung anderer Aufgaben wartet.“

Lösung
  • Simultaneous Multithreading:
    • Optimierung, die es ermöglicht, dass dieselbe funktionale Einheiten eines Prozessor durch zwei Ausführungen (z. B. Prozesse) gleichzeitig genutzt werden kann
    • Ziel: Leerlaufzeit eines Kerns reduzieren, indem eine zweite Ausführung die unterschiedlichen Stufen der Pipeline bei einem Leerlauf nutzt
  • Unterschiede zum Software-Thread:
    • Optimierung durch Hardware-Design statt durch Software-Kapselung
    • nebenläufige Ausführung aus Performanzgründen, nicht aus funktionalen Gründen

c)

Level 1: Wissen

Grenzen Sie die Begriffe Nebenläufigkeit und Parallelität im Kontext von Prozessen voneinander ab.

Lösung

Parallelität:

  • zwei Prozesse werden zur selben Zeit ausgeführt
  • Beispiel: Prozessor besitzt mindestens zwei Kerne und führt auf beiden zur selben Zeit den jeweils anderen Prozess aus

Nebenläufigkeit:

  • mindestens zwei Prozesse können im Betriebssystem ausgeführt werden
  • jedoch nicht zwangsweise parallel
  • Beispiel: zwei Prozesse auf demselben Kern, Prozess A wird durch Interrupt unterbrochen, Prozess B wird ausgeführt → Prozesse laufen nebeneinander, aber nicht parallel

d)

Level 1: Wissen

Was ist der Unterschied zwischen einem Deadlock und einem Livelock?

Lösung

Deadlock:

  • zwei oder mehr Prozesse und Ressourcen
  • jeder Prozess hält mindestens eine und wartet auf mindestens eine weitere Ressource (Zustand Blocked)
  • zirkuläre Wartebeziehung
  • exklusiv genutzte Ressourcen
  • keine Möglichkeit zur Unterbrechung

Livelock:

  • zwei oder mehr Prozesse und Ressourcen
  • ein oder mehrere Prozesse können ausgeführt werden (Zustand READY)
  • aber: kein Prozess kann im logischen Programmverlauf fortschreiten

Lernziele

In dieser Aufgabe …

  • festigen die Studierenden wichtige Grundbegriffe.
  • grenzen die Studierenden verwandte Konzepte voneinander ab.
  • erschließen sich die Studierenden den technischen Hintergrund von Herstellerangaben.