Synchronisationsmechanismen

Synchronisationsmechanismen sind Mittel zur Koordination von Abläufen in Systemen mit mehreren konkurrierenden Einheiten, etwa Threads, Prozessen oder Knoten in verteilten Systemen. Sie dienen dem Schutz gemeinsamer Ressourcen, der Reihenfolge von Ereignissen und der Einhaltung von Abhängigkeiten, um Inkonsistenzen und Race Conditions zu vermeiden.

Die Mechanismen lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: zeitliche Synchronisation (Sequenzierung von Ereignissen) und gegenseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion). Typische Primitives umfassen Mutexe (locks) und Spinlocks zum Schutz kritischer Abschnitte, Semaphore (binär oder zählend) zur Steuerung zulässiger Zugriffe, Monitore und bedingte Variablen für wartende und wache Zustände sowie Leser-Schreiber-Locks für spezifische Lese-/Schreibzugriffe. Nicht-blockierende bzw. wait-free Strukturen wie Compare-and-Swap, Fetch-and-Add und andere atomare Operationen ermöglichen Synchronisation ohne Blocking.

In verteilten Systemen kommen auch Protokolle zur Konsensbildung und Synchronisation zwischen Knoten hinzu, etwa Paxos oder Raft, sowie Barrieren und Rendezvous-Mechanismen für kollektive Schritte. Wichtige Konzepte der Speichersynchronisation umfassen Speichermodelle, Speicherbarrieren (Fences) und Atomic-Operationen, die das Sichtbarkeits- und Reihenfolgeverhalten von Operationen festlegen.

Typische Problemfelder sind Deadlocks, Livelocks und Starvation; ihre Vermeidung erfordert sorgfältige Gestaltung von Ressourcen- und Zeitplänen, Timeout-Strategien und klare Belegungen von Sperrregeln. Die Wahl des Synchronisationsprimitivs hängt von Anforderungen an Konsistenz, Latenz, Durchsatz und Komplexität ab.

Durch geeignete Synchronisation lassen sich robuste, deterministische Abläufe auch in Mehrbenutzer- oder Multikern-Systemen sicher implementieren.