Sistemas Concurrentes: la programacin concurrente

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Sistemas Concurrentesla programación concurrente

• I.T. Informática de Sistemas

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Contenidos

• Cómo generar concurrencia en el sistema
• Programación concurrente
• Lenguaje concurrente
• La sentencia concurrente
• Beneficios de la programación concurrente
• Grafos de precedencia
• Sincronización y comunicación

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Bibliografía

• Programación Concurrente
• J. Palma et al. Thomson, 2003
• Capítulo 1
• Principles of Concurrent and Distributed
  Programming
• M. Ben-Ari. Prentice Hall, 1990
• Capítulo 1

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Cómo se puede generar concurrencia dentro del
computador?

• De forma manual
• Trabajar directamente sobre el hardware
• Usar llamadas al sistema o bibliotecas de
  software (ejs. PVM, pthreads)
• Expresarla en un lenguaje de alto nivel
• De forma automática
• El sistema operativo se encarga automáticamente
  (ej. multiprogramación)
• El compilador detecta la concurrencia implícita
  en nuestros programas secuenciales

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Se puede detectar automáticamente la
concurrencia?

• Sí, en algunos casos.
• Ej. condiciones de Bernstein (1966).
• Formalismo para deducir si dos instrucciones se
  pueden ejecutar concurrentemente.

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Condiciones de Bernstein (1)

• Sean
• IS. Un conjunto de instrucciones i1,i2 ,... in
• R(IS) a1,a2,...an Conjunto de lectura de IS.
  Son todas las variables que se leen al ejecutarse
  IS.
• W(IS) b1,b2,...bn Conjunto de escritura de
  IS. Son todas las variables que se modifican al
  ejecutarse IS.

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Condiciones de Bernstein (2)

• Para que dos juegos de instrucciones A y B se
  puedan ejecutar concurrentemente, se tiene que
  cumplir necesariamente
• R(A) n W(B) Ø
• W(A) n R(B) Ø
• W(A) n W(B) Ø
• Intuición Si A utiliza una variable, B no puede
  escribir en esa variable (si queremos que A y B
  sean concurrentes).

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Condiciones de Bernstein (y 3)

• Realizando un análisis sobre el código
  secuencial, se pueden descubrir automáticamente
  porciones de código que se pueden ejecutar en
  paralelo.
• El compilador podría traducir esas porciones a
  llamadas a hilos o procesos.
• En código máquina, un procesador segmentado (ej.
  Pentium gt2) detectan instrucciones independientes
  y las ejecutan en paralelo.

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pero sigue haciendo falta un programador

• El análisis automático del código para detectar
  concurrencia tiene un ámbito muy limitado (sobre
  todo, en el nivel de código máquina).
• Sigue siendo imprescindible que el programador
  detecte y especifique qué módulos de código desea
  ejecutar concurrentemente. ? programación
  concurrente

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Programación concurrente definición

• Conjunto de técnicas y notaciones para expresar
  el paralelismo potencial de una
  aplicación,tratando los problemas de
  sincronización y comunicación entre procesos.
• La programación concurrente, en sentido amplio,
  NO trata de la implementación del paralelismo en
  el hardware.

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Lenguajes de alto nivel

• Los LAN permiten programar en un nivel más
  cercano al ámbito del problema (problem domain)
  por medio de la abstracción.
• Además, los lenguajes y el S.O. proporcionan
  herramientas para usar con más comodidad los
  recursos del hardware.

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Lenguajes de alto nivel

• A lo largo de la historia, se han inventado
  abstracciones en los LAN que han resultado muy
  útiles para la comunidad informática
• abstracción de expresiones (FORTRAN...)
• abstracción del flujo de control programación
  estructurada secuencial (Algol...)
• abstracción de la lógica y el álgebra (Lisp,
  Prolog...)
• abstracción de datos (Algol, Pascal...)
• modelado de objetos (Smalltalk, C...)

• abstracción de la concurrencia?

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Lenguajes concurrentes

• Aquellos que incorporan características que
  permiten expresar la concurrencia directamente,
  sin recurrir a servicios del s.o., bibliotecas,
  etc.
• Incluyen mecanismos de sincronización y
  comunicación entre procesos.
• Ejemplos Ada, Java, SR, Occam, PARLOG...

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Cómo expresar la concurrencia en un lenguaje de
programación?

• Sentencia concurrente
• cobegin
• P Q R
• coend
• Sentencia concurrente múltiple
• forall i1 to 1000 do
• P(i)
• Tuberías (unix)
• unzip fichero.c.zip grep include a2ps lpr

• Instrucciones vectoriales
• type vector is
• array(1..10) of int
• var a,b,c vector
• a bc 2a
• Objetos que representan procesos
• task A is begin P end
• task B is begin Q end
• task C is begin R end

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Programación paralela

• Cuando estamos especialmente interesados en
  escribir código para ser utilizado en un sistema
  multiprocesador, hablamos de programación
  paralela o algoritmos paralelos.
• Es un caso particular de la programación
  concurrente en el que prima la ejecución paralela.

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La sentencia concurrente

• cobegin
• A
• B
• C
• coend
• begin
• X
• cobegin
• A
• B
• C
• coend
• Y
• end

• A, B y C se pueden ejecutar concurrentemente.
• La sentencia concurrente finaliza cuando todas
  sus sentencias interiores finalizan
• El ejemplo de arriba finaliza cuando A, B y C han
  terminado.
• En el ejemplo de abajo
• A, B y C no pueden empezar hasta que X ha
  terminado por completo.
• Y sólo se empieza a ejecutar cuando A, B y C han
  terminado.

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Sentencia concurrente múltiple

• Para poder lanzar un número elevado o
  indeterminado de acciones de forma concurrente.
• Sintaxis similar al bucle for pero no es un
  bucle, no es iterativa!!
• forall i in 1..100
• S (i)
• end
• Lanza concurrentemente S(1), S(2) S(100)

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Ejercicio

• Usando la sentencia concurrente, diseñar
  algoritmos concurrentes para
• multiplicar dos matrices
• sumar una lista de N números (2 métodos)
• ordenar un vector
• obtener los números primos entre 2 y N
• tratando de obtener la máxima concurrencia

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La gran pregunta es necesaria la programación
concurrente?

• No basta con la programación secuencial de toda
  la vida?
• Puede la prog. sec. modelar bien un sistema
  concurrente?
• Puede la prog. sec. aprovechar la concurrencia
  existente en el hardware?

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Un ejemplo ejecutivo cíclico

• Implementar un sistema que debe monitorizar
  periódicamente varios sensores (ej. presión
  arterial, respiración, pulso)
• Los periodos de monitorización son distintos
• Algoritmo para cada sensor
• loop
• delay Periodo_Del_Sensor(i)
• Monitoriza_Sensor(i)
• end loop
• Comparar una implementación secuencial con una
  implementación con sentencia concurrentecuál
  resulta más sencilla?

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Beneficios de la programación concurrente

• Aprovechar el hardware multiprocesador
• Aumentar la productividad de la CPU
• Facilitar la implementación de sistemas donde la
  concurrencia sea un elemento importante
• Sistemas de control en tiempo real
• Interfaces gráficas de usuario
• Sistemas operativos
• Gestores de bases de datos

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Grafos de precedencia

• Muestra gráficamente la relación de precedencia
  entre un grupo de sentencias.
• A precede a B significa que ninguna instrucción
  de B puede ejecutarse hasta que A haya terminado
  por completo.

A
A precede a B A precede a C B y C preceden a D E
no depende de nadie
B
C
E
D
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Grafos de precedencia propiedades

• Propiedades del grafo
• Grafo dirigido
• Nunca hay ciclos
• Propiedades de la relación de precedencia
• Transitiva si A precede a B y B precede a C ? A
  precede a C
• Antisimétrica si A precede a B ? B no precede a
  A
• Ojo un grafo de precedencia NO define una
  relación de orden total
• puede haber parejas de sentencias que no tengan
  ninguna relación de precedencia ? sentencias que
  se pueden ejecutar concurrentemente entre sí.

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Una sentencia concurrente define un grafo de
precedencia

• begin
• A
• cobegin
• B
• begin
• C
• D
• end
• E
• coend
• F
• end

A
C
B
E
D
F
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Limitaciones de la sentencia concurrente

• Hay grafos de precedencia que no se pueden
  expresar usando sólo la sentencia concurrente.

A
B
D
C
F
E
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Sincronización y comunicación

• En ocasiones es necesario detener a un proceso
  hasta que se produzca un determinado evento o se
  den ciertas condiciones ? sincronización
• La sentencia concurrente ofrece ciertas
  capacidades de sincronización, pero muy limitadas
  (ej. grafo de precedencia anterior)
• Los procesos concurrentes tendrán necesidad de
  comunicarse información.
• Los lenguajes concurrentes deben proporcionar
  mecanismos de sincronización y comunicación.

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Mecanismos clásicos de sincronización

• Mecanismos de señalización
• Semáforos
• Cerrojos y variables condición
• Señales, eventos
• Retardos temporales
• Recursos compartidos
• Regiones críticas
• Monitores
• Objetos protegidos

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Mecanismos clásicos de comunicación

• Comunicación directa (memoria compartida)
• Canales
• Buzones
• Llamada a procedimiento remoto (RPC)
• etc.