UNIDAD III

Programación Concurrente

Profesor Miguel Cantillana

INS240 – Lenguajes de Programación
Ingeniería en Computación e Informática
Semestre 2017-1

Conceptos de Programación Concurrente

Introducción

Conceptos Fundamentales

Definición: Se habla de concurrencia cuando ocurren varios sucesos de manera contemporánea.

En base a esto, la concurrencia en computación está asociada a la “ejecución” de varios procesos que coexisten temporalmente.

Programación Concurrente

Para definirla correctamente, debemos diferencias entre programa y proceso.

Programa: Conjunto de sentencias/instrucciones que se ejecutan secuencialmente. Se asemeja al concepto de clase dentro de la POO. Es por tanto un concepto estático.

Proceso: Básicamente, se puede definir como un programa en ejecución. Líneas de código en ejecución de manera dinámica. Se asemeja al concepto de objeto en POO.

Concurrencia

La concurrencia aparece cuando dos o más procesos son contemporáneos. Un caso particular es el paralelismo (programación paralela).

Concurrencia (ii)

Los procesos pueden “competir” o colaborar entre sí por los recursos del sistema. Por tanto, existen tareas de colaboración y sincronización.

La programación concurrente se encarga del estudio de las nociones de ejecución concurrente, así como sus problemas de comunicación y sincronización.

¿Cuales son sus beneficios?

Velocidad de ejecución. Al subdividir un programa en procesos, éstos se pueden “repartir” entre procesadores o gestionar en un único procesador según importancia.
Solución a problemas de esta naturaleza. Existen algunos problemas cuya solución es más fácil utilizando esta metodología.
- Sistemas de control: Captura de datos, análisis y actuación (p.ej. sistemas de tiempo real).
- Tecnologías web: Servidores web que son capaces de atender varias peticiones concurrentemente, servidores de chat, email, etc.
- Aplicaciones basabas en GUI: El usuario hace varias peticiones a la aplicación gráfica (p.ej. Navegador web).

¿Cuales son sus beneficios?

Conceptos

El concepto fundamental de la programación concurrente es la noción de Proceso.
Proceso: Cálculo secuencial con su propio flujo de control.
La concurrencia en software implica la existencia de diversos flujos de control en un mismo programa colaborando para resolver un problema.

Procesos vs. Hilos

En el contexto del Sistema Operativo, un Proceso es una instancia de un Programa que está siendo ejecutado en el ordenador.

Proceso = Código de programa + Datos + Recursos

Un S.O. admite concurrencia si es capaz de manejar diversos procesos simultáneamente.
En el contexto de un Programa concurrente, un Hilo (Thread) es cada uno de los flujos secuenciales de control independientes especificados en el programa.

Procesos Secuenciales

Un proceso tradicional, correspondiente a un programa
secuencial, es un proceso que posee un único hilo de control.

Procesos Concurrentes

Un programa concurrente da lugar, durante su ejecución, a un proceso con varios hilos de ejecución.

Concurrencia Software vs. Paralelismo Hardware

La concurrencia software es un concepto lógico, no implica la existencia de paralelismo en el hardware:

Las operaciones hardware ocurren en paralelo si ocurren al mismo tiempo.
Las operaciones (software) en un programa son concurrentes si pueden ejecutarse en paralelo, aunque no necesariamente deben ejecutarse así.

Tipos de concurrencia

Concurrencia Física: Existe más de un procesador y varias unidades (hilos) de un mismo programa se ejecutan realmente de forma simultánea.
Concurrencia Lógica: Asumir la existencia de varios procesadores, aunque no existan físicamente. El implementador de tareas del lenguaje se encargará de “mapear” la concurrencia lógica sobre el hardware realmente disponible.
La concurrencia lógica es más general, pues el diseño del programa no está condicionado por los recursos de computación disponibles.

Arquitecturas Multiprocesador: Revisión histórica

Años 50: Primeras máquinas con varios procesadores
- Un procesador de propósito general y varios procesadores para controlar la E/S.
- Permitían ejecutar un programa mientras se realizaba E o S para otros programas.
- No se puede hablar de ejecución concurrente de programas
Años 60 (inicio): Primeras multiproc. reales
- El programador de tareas del SO distribuía programas entre los procesadores a partir de una cola de trabajos.
- Permitían concurrencia a nivel de programas.

Arquitecturas Multiprocesador (2)

Años 60 (mitad): Ordenadores con hardware específico
múltiple:
- Estas unidades ejecutan instrucciones procedentes de un único flujo de instrucciones (programa).
- Los compiladores determinaban qué instrucciones podían ejecutarse concurrentemente.

Arquitecturas Multiprocesador: Categorías

SIMD (Single Instruction Múltiple Data):
- Pueden ejecutar simultáneamente la misma instrucción sobre diferentes conjuntos de datos.
- Cada procesador tiene su propia memoria local.
- Hay un procesador que controla el trabajo del resto.
- Como se ejecuta la misma instrucción no es preciso ningún tipo de sincronización entre tareas.
- Máquinas típicas: los procesadores vectoriales
  - Específicas para trabajar con datos almacenados en arrays.
  - Aplicación en cálculo científico.

SIMD

Arquitecturas Multiprocesador: Categorías (2)

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)
- Cada procesador ejecuta su propio flujo de instrucciones.
- Es preciso poder sincronizar tareas.
- Dos tipos de configuración:
  - Memoria compartida.
  - Memoria distribuida.
- Hay que sincronizar el acceso a los datos.
- Soportan concurrencia a nivel de hilos dentro del programa.

MIMD

Concurrencia en un Programa

Desde el punto de vista de la programación, interesa la

concurrencia lógica que puede existir en el interior de un programa.

Un Lenguaje de Programación será concurrente si posee las estructuras necesarias para definir y manejar diferentes tareas (hilos de ejecución) dentro de un programa. Ejemplos: Java, Ada
El compilador y el SO serán los responsables de “mapear” la concurrencia lógica del programa sobre el hardware disponible.

Sincronización de tareas

La Sincronización es el mecanismo que controla el orden en que se ejecutan las tareas.
Tipos de Sincronización:
- Cooperación:La tarea A debe de esperar que la tarea B finalice alguna actividad para poder continuar con su ejecución.
- Competición: La tarea A necesita acceder a un dato x mientras la tarea B está accediendo al mismo. La tarea A debe de esperar a que la tarea B finalice su uso de x para poder continuar

Necesidad de Sincronización

Ejemplo de Competición:
- Sea un dato TOTAL que inicialmente tiene el valor 3
  - La tarea A realiza: TOTAL++;
  - La tarea B realiza: TOTAL *= 2;
- Cada tarea completa su operación sobre TOTAL realizando los siguientes pasos:
  - Recuperar el valor de TOTAL
  - Realizar una operación aritmética
  - Almacenar el nuevo valor de TOTAL

Sincronización para Competición

Si no existe sincronización entre las tareas A y B, se pueden dar cuatro resultados diferentes (TOTAL = 3):
- Correctos:
  - La tarea A completa su operación antes de que empiece B: Resultado final, TOTAL = 8
  - La tarea B completa su operación antes de que empiece A: Resultado final, TOTAL = 7
- Incorrectos:
  - Las tareas A y B recuperan el valor de TOTAL sin que ninguna haya llegado a almacenar el nuevo valor:
    - Resultado final, TOTAL = 6. Si la última en finalizar es B.
    - Resultado final, TOTAL = 4. Si la última en finalizar es A.