Speicherkonsistenz

Speicherkonsistenz bezeichnet die Eigenschaften eines Computersystems, wie Lese- und Schreiboperationen an gemeinsam genutztem Speicher sichtbar werden und in welcher Reihenfolge sie für verschiedene Prozesse oder Knoten erscheinen. Ziel ist Vorhersehbarkeit und Korrektheit von parallelen oder verteilten Programmen.

Kernkonzepte sind Sichtbarkeit, Ordnung und Korrektheit. Sichtbarkeit beschreibt, wann Änderungen für andere Prozessoren oder Threads sichtbar werden. Ordnung bezieht sich darauf, in welcher Reihenfolge Beobachter Operationen wahrnehmen. Korrektheitsmodelle geben formale Garantien darüber, wie Operationen erscheinen dürfen. Sequentielle Konsistenz verlangt, dass alle Prozesse die gleichen Operationen in derselben Reihenfolge sehen, erlaubt aber Optimierungen. Linearizability ist eine stärkere Eigenschaft: Operationen wirken so, als hätten sie sofort an einem realen Zeitpunkt zwischendurch stattgefunden. In der Praxis nutzen Systeme oft relaxte Modelle, die gewisse Reorderings zulassen, um Leistung zu gewinnen, während wichtige Synchronisationspunkte explizit durch Barrieren oder Synchronisationsoperationen festgelegt werden.

Hardware- und Softwareebene ergänzen sich. Cache-Kohärenzprotokolle wie MESI (Modi: Mem, Exclusive, Shared, Invalid) sorgen dafür, dass Kopien von Speicherzeilen in mehreren Caches konsistent bleiben. Barrieren, Sperren und atomare Operationen erzwingen Sichtbarkeit und Reihenfolge dort, wo es notwendig ist. Programmiersprachen definieren eigene Speicherfenster, zum Beispiel Java mit dem Java Memory Model (Happens-Before-Beziehung) und C++11 mit seinem Memory Model.

Anwendungsbereiche umfassen Mehrkernprozessoren, verteilte Systeme und Datenbanken. Unterschiede bestehen zwischen starker Konsistenz (z. B. Linearizability) und eventualer Konsistenz, die Verfügbarkeit und Latenz bevorzugt. Speicherkohärenz ist eng mit Speicherkonsistenz verbunden, ergänzt sie aber um die Kohärenz von Kopien in Cache-Systemen.