Prozesse und Threads: Arbeit aufteilen

Ein Prozess ist ein laufendes Programm mit eigenem Speicher. Ein Thread ist ein Ablauf innerhalb eines Prozesses, der den Speicher mit den anderen Threads teilt. Wer Arbeit aufteilt, lässt mehrere von ihnen gleichzeitig laufen.

Eine Bank prüft vier Millionen Buchungen. Sie schneidet die Liste in Stücke, gibt jedes Stück einer Recheneinheit und fügt die Teilergebnisse am Ende zusammen.

Zwei Prozesse sehen die Daten des anderen nicht. Sie müssen sich Ergebnisse schicken. Zwei Threads eines Prozesses greifen auf dieselben Daten zu und können sich dabei stören.

In Python laufen Threads bei reiner Rechenarbeit nicht gleichzeitig. Darum teilt das Lab die Arbeit auf Prozesse auf.

Ein Stück ist ein zusammenhängender Teil der Daten. Jede Recheneinheit bekommt eines und rechnet allein damit. So braucht sie keine andere.

Die Tabelle zeigt die Zahlen 1 bis 40, geschnitten in vier Stücke zu je zehn. Jedes Stück hat eine Teilsumme.

# Die Zahlen 1 bis 40 in vier Stuecke zu je zehn Zahlen.
daten = list(range(1, 41))
stuecke = []
for start in range(0, 40, 10):
    stuecke.append(daten[start:start + 10])

teilsummen = []
for stueck in stuecke:
    teilsummen.append(sum(stueck))
print("Teilsummen:", teilsummen)
print("Zusammengefuehrt:", sum(teilsummen))
print("In einem Stueck:", sum(daten))
# Aendern Sie die Stuecke auf je 5 Zahlen: range(0, 40, 5) und start + 5.

Das Skript chunks.py schneidet dieselben Zahlen und lässt einen Pool aus zwei Prozessen die vier Teilsummen berechnen. Die Ergebnisse kommen in der Reihenfolge der Stücke zurück, auch wenn ein Prozess früher fertig ist.

Die Ausgabe ist englisch: „chunk“ heißt Stück, „partial sum“ Teilsumme. Die Zahlen sind dieselben wie oben.

docker exec jupyter python3 steps/chunks.py

Zehn Elemente in drei Stücke: Zehn geteilt durch drei ist 3 Rest 1. Jedes Stück bekommt 3, und der Rest von 1 geht an das erste Stück.

So sind die Stücke höchstens um ein Element verschieden groß, und keine Recheneinheit wartet lange auf die anderen.

# Zwei Stuecke ungleicher Groesse.
stuecke = [[2, 2, 2], [10]]

mittel_a = sum(stuecke[0]) / len(stuecke[0])
mittel_b = sum(stuecke[1]) / len(stuecke[1])
alles = 0
anzahl = 0
for stueck in stuecke:
    alles = alles + sum(stueck)
    anzahl = anzahl + len(stueck)
print("Mittel der Mittelwerte:", (mittel_a + mittel_b) / 2)
print("Richtiger Mittelwert:", alles / anzahl)
# Ersetzen Sie [10] durch [10, 10, 10] und starten Sie erneut.

Welche Teilergebnisse müssten Sie zurückschicken, um den größten Wert zu finden? Und welche, um den Mittelwert zu bilden?

Schreiben Sie auf, was ein Stück zurückgibt, und wie das Zusammenführen daraus das Gesamtergebnis macht.