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Projektplan: "Magical & Safe" Concurrency-Modell

Datum: 21. September 2025, 12:07

Motivation

Unser Interpreter besitzt ein solides Fundament für die single-threaded Ausführung. Moderne, datenintensive Anwendungen erfordern jedoch eine robuste und einfach zu handhabende Nebenläufigkeit. Traditionelle Locking-Mechanismen (TCriticalSection, Mutexe) sind komplex, extrem fehleranfällig (Race Conditions, Deadlocks) und skalieren schlecht. Ziel ist es, ein modernes Concurrency-Modell direkt in den Sprachkern zu integrieren, das diese Probleme per Design vermeidet.

Ziel

Wir erweitern die Sprache um ein Nebenläufigkeits-Modell, das drei Kernziele verfolgt:

1. Sicherheit (Safe): Es muss für den Programmierer unmöglich sein, durch konkurrierende Schreibzugriffe auf geteilten Zustand eine Race Condition zu erzeugen. Die Sprache garantiert die Atomarität von Zustandsänderungen.

2. "Magie" (Magical): Die Sicherheitsmechanismen sollen für den Programmierer transparent sein. Er schreibt weiterhin einfachen, sequenziellen Code mit def und assign. Der Compiler/Binder kümmert sich automatisch um die notwendigen Schutzmaßnahmen, ohne dass der Programmierer explizite Synchronisierungs-Primitive wie swap! oder atom verwenden muss.

3. Performance: Der durch die Sicherheitsmechanismen entstehende Overhead darf nur dort anfallen, wo er zwingend notwendig ist – also nur bei Zuständen, die tatsächlich geteilt und verändert werden.

Geplante Umsetzung & Architektur

Um diese Ziele zu erreichen, führen wir eine klare semantische Trennung zwischen unveränderlichen Werten und veränderlichen Identitäten ein und implementieren die "Magie" im Binder.

1. Das Fundament: Unveränderliche Datenstrukturen (Values) Der Grundpfeiler für sichere Nebenläufigkeit ist, dass Werte (Values) per Definition unveränderlich (immutable) sind. Wenn Daten einmal erzeugt wurden, können sie sich niemals ändern.

• Todo: Implementierung einer Kernbibliothek von persistenten, unveränderlichen Datenstrukturen (insbesondere Vektoren und Maps), die "Structural Sharing" für effiziente "Updates" nutzen. Bestehende Series müssen entweder durch diese ersetzt oder angepasst werden.

2. Veränderliche Identitäten (Refs) Der veränderliche Zustand wird über Identitäten (Referenzen) verwaltet. Eine Identität ist ein stabiler "Container", dessen enthaltener Wert atomar ausgetauscht werden kann. Dies entspricht exakt dem atom-Konzept von Clojure.

• Todo: Implementierung einer generischen TAtom<T>-Klasse in Delphi. Die Swap-Methode dieser Klasse wird lock-frei mittels einer TInterlocked.CompareExchange-Retry-Schleife implementiert, um maximale Performance und Skalierbarkeit zu gewährleisten.

3. Die "Magie": Automatische Promotion im Binder Hier wird der "magische" Aspekt umgesetzt. Der TAstBinder wird um eine intelligente Zustandsanalyse erweitert.

• Logik:

  1. Standardmäßig wird jede Variable als einfacher, performanter Wert im Scope-Speicher behandelt.
  2. Der Binder analysiert die Verwendung von Variablen in untergeordneten Scopes (Closures).
  3. Sobald der Binder einen Schreibzugriff (assign) auf eine Upvalue (eine Variable aus einem äußeren Scope) entdeckt, wird diese Variable im äußeren Scope automatisch "promotet": Ihr Speicherplatz wird von einem einfachen Wert zu einer Instanz der sicheren TAtom<T>-Klasse umgewandelt.
  4. Alle nachfolgenden Lese- und Schreibzugriffe auf diese Variable (sowohl im äußeren als auch in allen inneren Scopes) werden vom Binder automatisch in sichere Aufrufe auf dem TAtom umgeschrieben.

• Todo: Erweiterung des TAstBinder um die Logik zur Erkennung von Upvalue-Schreibzugriffen, zur automatischen Promotion von Variablen und zur Umschreibung der entsprechenden AST-Zugriffsknoten.

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Nächste Schritte (Todo-Liste)

• Kernbibliothek für persistente, unveränderliche Datenstrukturen (Vector, Map) entwerfen und implementieren.
• Lock-freie TAtom<T>-Klasse als primäres Concurrency-Primitiv implementieren.
• TAstBinder um die "automatische Promotions"-Logik für Upvalues erweitern.
• Multi-threaded Unit-Tests schreiben, um die Korrektheit und Sicherheit des neuen Modells unter Last zu verifizieren.