Sistemas Concurrentes: conceptos fundamentales

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Sistemas Concurrentesconceptos fundamentales

• I.T. Informática de Sistemas

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Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Arquitecturas hardware
• La concurrencia en la Naturaleza

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Bibliografía

• Programación Concurrente
• J. Palma et al. Thomson, 2003
• Capítulo 1
• Concurrent Programming
• A. Burns, G. Davis. Addison-Wesley, 1993
• Capítulo 1

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Qué es la concurrencia?

• Definición de diccionario acción y efecto de
  juntarse en un mismo lugar o tiempo diferentes
  personas, sucesos o cosas.
• En Informática, se habla de concurrencia cuando
  hay unaexistencia simultánea de varios procesos
  en ejecución.
• Ojo, concurrencia existencia simultánea no
  implica ejecución simultánea.

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Paralelismo y concurrencia

• El paralelismo es un caso particular de la
  concurrencia.
• Se habla de paralelismo cuando ocurre la
  ejecución simultánea de instrucciones
• arquitecturas paralelas
• procesamiento paralelo
• algoritmos paralelos
• programación paralela

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Procesos

• Cuando hablamos de concurrencia en un sistema
  informático, nos referimos a un conjunto de
  actividades que se desarrollan de forma
  simultánea.
• Cada una de esas actividades se llama proceso.
• Cada proceso es un flujo de instrucciones que se
  pueden ejecutar en un procesador.

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Competencia y cooperación

• Los procesos de un sistema pueden tener esta
  relación con los demás
• Competidores. Compiten por la utilización de
  recursos de uso exclusivo (ej. impresoras, bases
  de datos, etc.)
• Cooperativos. Colaboran entre sí para alcanzar un
  fin común (ej. encontrar una secuencia de ADN en
  una BD)
• En ambos casos, hacen falta mecanismos de
  sincronización y comunicación.

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Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Arquitecturas hardware
• La concurrencia en la Naturaleza

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Qué es un sistema concurrente?

• Es un sistema informático en el que la
  concurrencia desempeña un papel importante.
• Ejemplos
• sistemas operativos
• sistemas de gestión de bases de datos (DBMS)
• sistemas de tiempo real
• sistemas distribuidos

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Arquitecturas hardware

• Tipos de arquitecturas hardware que soportan
  concurrencia
• Monoprocesadores ? Sistemas con un solo
  procesador
• Multiprocesadores ? Computadores con más de un
  procesador
• Sistemas distribuidos ? Computadores conectados
  entre sí por una red

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Sistemas monoprocesadores

• No hay paralelismo. Los procesos se reparten el
  procesador entrelazado (interleaving)
• Quién planifica los procesos?
• el sistema operativo
• el propio ejecutable (gracias al compilador) -gt
  runtime scheduler (RTSS)
• Todos los procesos comparten la misma memoria
• Forma natural de sincronizar y comunicar
  procesos
• Variables compartidas

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Multiprocesadores

• Más de un procesador en la misma máquina ?
  paralelismo real
• Sistemas estrechamente acoplados los
  procesadores comparten memoria y demás recursos
• Escalable hasta unas decenas de procesadores
• Comunicación mediante memoria compartida

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Sistemas distribuidos

• Múltiples procesadores conectados mediante una
  red
• Los procesadores no comparten memoria ni reloj
• Los sistemas conectados pueden ser de cualquier
  tipo
• Escalable hasta millones de procesadores (ej.
  Internet)
• Comunicación mediante mensajes

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Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Arquitecturas hardware
• La concurrencia en la Naturaleza

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Dónde se encuentra la concurrencia?

• En el hardware (la herramienta para construir
  sistemas informáticos)
• ejecución paralela de instrucciones
• funcionamiento paralelo de los periféricos
• procesadores múltiples
• sistemas distribuidos
• En la Naturaleza (los sistemas que modelamos
  cuando hacemos ingeniería informática)
• ejemplos?

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Concurrencia inherente o potencial

• Concurrencia inherente
• Hay sistemas que en los que forzosamente se dan
  actividades simultáneas.
• p.ej. GUI red de cajeros automáticos etc.
• Concurrencia potencial
• Hay sistemas o problemas que se pueden resolver
  de forma secuencial, pero en los que se puede
  aprovechar la concurrencia p.ej. para aumentar el
  rendimiento.
• P.ej. multiplicar dos matrices, ordenar un vector

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Ejercicio

• Dar un ejemplo de sistema en la Naturaleza que
  sea concurrente
• Dar dos ejemplos de sistemas que sean
  inherentemente concurrentes
• Dar dos casos de sistemas/problemas en los que
  nos beneficiaríamos de la utilización de la
  concurrencia (concurrencia potencial)

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Conclusiones

• La concurrencia está presente en la Naturaleza y
  en los sistemas informáticos.
• El hardware multiprocesador permite realizar más
  trabajo en menos tiempo.
• Como ingenieros, estas conclusiones nos invitan a
  dos grandes objetivos
• aprovechar el paralelismo existente en el
  hardware
• facilitar nuestra misión de modelar sistemas
  concurrentes

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(apéndices)

• Algunas diapositivas complementarias

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Sistemas distribuidos ventajas

• compartición de recursos dispersos
• ayuda al trabajo cooperativo de equipos humanos
• aumento de velocidad de ejecución
• escalabilidad ilimitada
• aumento de fiabilidad
• tolerancia a fallos (fault tolerance)
• alta disponibilidad (availability)

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Sistemas distribuidos complicaciones

• los sistemas no comparten memoria ni reloj
• la comunicación es más compleja
• no se puede tener un estado global instantáneo.
• dificultades en la sincronización
• red de comunicaciones no fiable
• pérdida de mensajes
• mensajes desordenados
• heterogeneidad de los nodos
• múltiples plataformas hw y sw
• diferencias en rendimiento

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Sistemas de tiempo real

• Para poder ejecutar satisfactoriamente tareas que
  han de completarse en un plazo prefijado (ej.
  sistemas de control industrial, sistemas
  multimedia)
• Dos tipos
• s.t.r. crítico para tareas que siempre deben
  cumplir los plazos de terminación. Adecuados para
  la industria. Muy simples, incompatibles con
  tiempo compartido, memoria virtual, etc.
• s.t.r. no crítico intentan cumplir los plazos,
  pero no los garantizan al 100. Adecuados para
  multimedia, etc.

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Granularidad del paralelismo

• Cuando queremos explotar el paralelismo, podemos
  hacerlo en niveles de detalle distintos
• Instrucciones de máquina
• Sentencias de un lenguaje de programación
• Módulos dentro de un programa
• Programas ejecutables completos
• Grano fino ? grano grueso

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Granularidad del paralelismo

• El programador debe saber con qué grano debe
  trabajar ante cada problema y no trabajar en
  niveles de detalle inferior.
• Ej. si trabajamos con Ada o Java, estamos en el
  nivel de módulos
• Concurrencia basada en hilos (threads)
• no deberíamos perder el tiempo buscando
  sentencias simples que se pueden ejecutar en
  paralelo ? crear un hilo nuevo para ejecutar una
  única instrucción no hace ganar tiempo, incluso
  puede tardar más.