SpeicherModelle

Speichermodelle sind formale Beschreibungen der Sichtbarkeit und Ordnung von Speicheroperationen in parallelen oder verteilten Systemen. Sie legen fest, wann Writes für andere Threads sichtbar werden und in welcher Reihenfolge Reads und Writes erscheinen dürfen. Damit geben sie den Rahmen vor, in dem Multithread-Programme korrekt funktionieren, und standardisieren die zulässigen Optimierungen von Compilern und Prozessoren.

Kernkonzepte sind Sichtbarkeit (welche Änderungen wann sichtbar werden), Reihenfolge (in welcher Abfolge Operationen erscheinen), Atomicität (ob eine Operation als unteilbare Einheit betrachtet wird) und die Häufigkeit von Data Races. Die Happening-before-Beziehung beschreibt Abhängigkeiten zwischen Ereignissen, während Synchronisationsprimitive wie Locks, Barrieren oder speicherbezogene Befehle Speicherbarrieren (Fences) ermöglichen, Sichtbarkeit sicherzustellen. Cache-Kohärenz und das Zusammenspiel von Speicherhierarchie beeinflussen, wie schnell Änderungen propagiert werden.

Speichermodelle werden oft in starke und schwache Modelle unterteilt. Ein starkes Modell wie sequentielle Konsistenz fordert eine globale Reihenfolge aller Speicheroperationen. Moderne Systeme verwenden schwache Modelle, die bestimmte Umordnungen zulassen, um Leistung zu gewinnen. Betriebssystem- oder Sprachstandards spezifizieren das jeweilige Modell: Zum Beispiel Java Memory Model (JMM) und das C++-Speichermodell definieren Regeln für Mehrfachzugriffe in Softwarethreads; hardwareseitig gibt es Modelle wie die x86-Architektur (teils streng) oder ARM/Power-Modelle mit größeren erlaubten Reorderings.

Die Speichermodelle helfen bei der Beurteilung von Datenrennen und unterstützen Entwickler beim Entwurf korrekter Synchronisation. Sie bleiben zentral für Verifikation, Optimierung und Portabilität von Parallelsoftware.