Synchronisationsstruktur

Synchronisationsstruktur bezeichnet in der Informatik eine Struktur oder ein Muster zur Koordination des gleichzeitigen Ablaufs mehrerer Prozesse oder Threads. Sie dient dazu, den Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen zu regeln, die Reihenfolge von Operationen festzulegen und Sichtbarkeits- bzw. Konsistenzprobleme zu vermeiden.

Es handelt sich nicht um eine einzelne Technik, sondern um eine Klasse von Konstrukten und Regeln, die zusammenwirken, um Race Conditions zu verhindern und deterministische Abläufe zu ermöglichen. Typische Bestandteile sind Synchronisationsprimitive wie Mutexe, Semaphoren, Barrieren und Bedingungsvariablen sowie Muster wie Monitore, Leser-Schreiber-Locks oder lock-free Algorithmen.

Beispiele: Der Schutz eines gemeinsam genutzten Zählers durch einen Mutex verhindert inkrementelle Inkonsistenzen. Eine Producer-Consumer-Architektur kann Semaphoren verwenden, um die Pufferkapazität zu kontrollieren. Eine Barriere synchronisiert mehrere Threads, wenn sie einen bestimmten Punkt erreicht haben. Leser-Schreiber-Locks ermöglichen gleichzeitigen Lesezugriff, während Schreibzugriffe exklusiv erfolgen.

Wichtige Designüberlegungen sind Leistungs- und Skalierbarkeitsaspekte, Vermeidung von Deadlocks oder Livelocks, Fairness gegenüber Threads, sowie die Einhaltung des Speichermodells, das die Sichtbarkeit von Schreiboperationen garantiert. In verteilten Systemen kommen ähnliche Konzepte zum Einsatz, oft ergänzt durch Verteilungsprotokolle, Messaging- und Synchronisationsdienste.

Die Wahl der Synchronisationsstruktur beeinflusst Architektur, Fehlertoleranz und Portabilität einer Anwendung. In Programmiersprachen und Bibliotheken finden sich entsprechende Konstrukte, etwa Klassen oder Funktionen für Mutexe, Barrieren oder Warte- und Benachrichtigungsmechanismen.

Siehe auch: Nebenläufigkeit, Synchronisation, Mutex, Semaphore, Barriere, Monitore, Lock-Free-Programmierung.