Programación secuencial vs programación concurrente

Presentación del tema: "Programación secuencial vs programación concurrente"— Transcripción de la presentación:

1 Programación secuencial vs programación concurrente
Java, Ada, Posix Pascal, C, Fortran , Cobol Concurrentes Secuenciales único hilo de control varios hilos de control Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

2 Concurrencia Son la notación y las técnicas de programación que expresan el paralelismo potencial. Un programa concurrente es un conjunto de procesos autónomos que se ejecutan en paralelo. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

3 Procesos concurrentes
El trabajar con procesos concurrentes añade complejidad a la tarea de programar. ¿Cuáles son entonces los beneficios que aporta la programación concurrente? Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

4 Beneficios de la programación concurrente
Mejor aprovechamiento de la CPU. Velocidad de ejecución. Solución de problemas de naturaleza concurrente: Sistemas de control Tecnologías web Aplicaciones basadas en interfaces de usuarios Simulación SGDB Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

5 Proceso Es una instancia de ejecución de un programa.
Tiene un ciclo de vida, es decir pasa por distintos estados. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

6 Ciclo de vida de un proceso
No existente No existente nacido listo terminado ejecución Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

7 Finalización de un proceso
Finaliza la ejecución de su cuerpo. Ejecución de alguna sentencia de auto finalización. Condición de error sin tratar. Aborto por medio de la intervención de otro proceso. Nunca: procesos que se ejecutan en bloques que no terminan. Cuando ya no son necesarios. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

8 Programa concurrente Es un conjunto de procesos secuenciales autónomos que se ejecutan en paralelo Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

9 Implementación de un conjunto de procesos
Multiplexar sus ejecuciones en un único procesador (multiprogramación). Multiplexar sus ejecuciones en un sistema multiprocesador con acceso a memoria compartida (multiprocesamiento). Multiplexar sus ejecuciones en diversos procesadores que no comparten memoria (sistema distribuido). Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

10 Ejecución de un programa concurrente
Los procesos deben ser creados, distribuidos en los procesadores y finalizados. Estas actividades la realiza el núcleo de ejecución conocido como Run Time System Support (RTSS). Se encarga de la creación, terminación y multiplexado de los procesos Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

11 Run Time System Support
Estructura software programada como parte de la aplicación (Modula-2). Sistema software generado junto al código objeto del programa por el compilador (Ada y Java). Estructura hardware microcodificada en el procesador. Es más eficiente (Occam2). Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

12 ¿Quién provee los mecanismos de concurrencia?
Sistema operativo (SO de Tiempo real) Lenguaje ( lenguaje que proporciona mecanismos para concurrencia) Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

13 Ejecución de los procesos
Todos los SO tiene formas de crear procesos. Cada proceso se ejecuta en su propia máquina virtual. Los SO modernos permiten crear hilos (procesos ligeros) dentro de la misma máquina virtual. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

14 Ventajas si el lenguaje proporciona los mecanismos de concurrencia
Programas más legibles. Programas más portables. Si el sistema es embebido puede que no tenga un SO residente. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

15 Ventajas si el SO proporciona la concurrencia
El modelo de concurrencia es el mismo para todos los lenguajes. Puede no ser fácil implementar el modelo de concurrencia sobre algún modelo de SO. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

16 Programación concurrente
Los lenguajes concurrentes tiene elementos para: Crear procesos Sincronizar procesos Comunicar procesos Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

17 Comportamiento de procesos
Independientes: no se sincronizan ni comunican (son muy raros). Cooperativos: se comunican y sincronizan sus actividades. Competitivos: compiten por recursos del sistema. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

18 Sincronizar y Comunicar
Sincronizar: Satisfacer las restricciones en el enlazado de las acciones de los distintos procesos. Comunicar: pasar información de un proceso a otro. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

19 Modelo de concurrencia
Estructura: nro de procesos fijo o variable. Nivel: paralelismo soportado. Granularidad: muchos o pocos procesos. Inicialización: paso de parámetros, o comunicación explícita después de su ejecución Finalización: término, error, aborto, nunca, suicidio, no son necesarios Representación: proceso responsable de la creación (padre/hijo) y proceso afectado por su finalización (guardián/dependiente). Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

20 Sincronizar y Comunicar
Variables compartidas: objetos a los que puede acceder más de un proceso Paso de mensajes: intercambio explícito de datos entre dos procesos mediante el paso de un mensaje mediante alguna forma que brinda el SO o el propio lenguaje. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

21 Sincronización y comunicación basada en variables compartidas
Son objetos a los que puede acceder más de un proceso. La comunicación se logra accediendo a dichas variables cuando sea necesario. Problemas cuando se quiere por ejemplo actualizar el valor de una variable compartida: X=x+1 Esto no es una operación indivisible Cargar en un registro el valor de X Icrementar el valor Almacenar el valor Trae problemas Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

22 Variables compartidas
Considere dos procesos que actualizan una variable compartida, X, mediante la sentencia: X:= X+1 Carga el valor de X en algún registro. Incrementa el valor en el registro en 1. Almacena el valor del registro de nuevo en X. Como ninguna de las tres operaciones es indivisible, dos procesos que actualicen la variable simultáneamente generarían un entrelazamiento que podría producir un resultado incorrecto. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

23 Variables compartidas
Las partes de un proceso que tienen acceso a las variables compartidas han de ejecutarse indivisiblemente unas respecto a las otras. Estas partes se denominan secciones críticas. La protección requerida se conoce como exclusión mutua. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

24 Variables compartidas
Sección crítica: secuencia de instrucciones que debe ejecutarse sin perder el control, y afecta variables compartidas. Si un proceso está ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar ejecutando código de su sección crítica. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

25 El problema de la sección crítica(SC)
Intenta sistematizar el estudio de la sincronización. Sean n procesos que tienen datos compartidos. Cada proceso tiene un segmento de código llamado SC en el cual se accede a los datos compartidos. Se pretende que cuando un proceso está en su sección crítica, ningún otro esté en su SC. Sección de entrada Sección crítica Sección de salida Sección siguientes Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

26 Sincronizaciones necesarias en la programación concurrente
Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que sólo un proceso está haciendo algo en un instante determinado. Sincronización para proteger una sección crítica. Es necesario si dos procesos comparten variables. Sincronización condicionada: necesaria cuando un proceso necesita realizar alguna acción, sólo después que se haya cumplido una condición. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

27 Sincronización de condición
Utilización de buferes: productor / consumidor Son aquellos problemas en los que existe un conjunto de procesos que producen información que otros procesos consumen, siendo diferentes las velocidades de producción y consumo de la información. Este desajuste en las velocidades, hace necesario que se establezca una sincronización entre los procesos de manera que la información no se pierda ni se duplique, consumiéndose en el orden en que es producida. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

28 Variables compartidas
Semáforos. Monitores tipos protegidos. Métodos sincronizados. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

29 Semáforos Los introdujo Dikstra en 1968. Permiten resolver la mayoría de los problemas de sincronización entre procesos y forman parte del diseño de muchos sistemas operativos y de lenguajes de programación concurrentes. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

30 Semáforos Es una estructura de datos: con una variable tipo entera.
una cola de procesos en espera. typedef semaforo { int contador; cola: lista de procesos; } Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

31 Semáforos down(S) sleep(S) wait(S) Espera(S)
Mientras S sea cero suspende el proceso y lo ingresa a la cola asociada. Decrementa el contador. up(S) wakeup(S) notify() Signal(S) Incrementa el contador. Si el resultado es positivo despierta a un proceso que se encuentra en la cola (y le permite completar su down). Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

32 Semáforos public final class Semaforo { String nombre; int s;
// constructor public synchronized void down() { while (s == 0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) {} } s--; public synchronized void up() { s++; notify(); Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

33 Sincronización de condición con semáforos
var S : semaforo (inicialmente en 0) process p1 wait(S); //espera hasta que S=1 end p1; process p2 signal(S); end p2; El uso de wait y signal se da en dos procesos por separado. En uno se ejecuta wait y en el otro signal. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

34 Características de los semáforos
Los semáforos tienen algunas características que pueden generar incovenientes: las variables compartidas son globales a todos los procesos. las acciones que acceden y modifican dichas variables están diseminadas por los procesos. para poder decir algo del estado de las variables compartidas, es necesario mirar todo el código. la adición de un nuevo proceso puede requerir verificar que el uso de las variables compartidas es el adecuado. Programas poco escalables Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

35 Críticas a los semaforos
Si el semáforo se ubicó en un lugar erróneo falla No se garantiza la exclusión mutua Posible solución : monitores Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

36 Monitores Es un conjunto de procedimientos que proporciona el acceso con exclusión mutua a un recurso o conjunto de recursos (datos o dispositivos) compartidos por un grupo de procesos. Los procedimientos van encapsulados dentro de un módulo que tiene la propiedad especial de que sólo un proceso puede estar activo cada vez para ejecutar un procedimiento del monitor. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

37 Características de un monitor
Es un TAD: uso independiente de la implementación. el usuario no conoce la implementación. nada se sabe del orden en que se van a invocar acciones del monitor. por lo que necesita una correcta especificación. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

38 Funcionamiento de un monitor
Respecto a la sincronización: la exclusión mutua se asegura por definición: por lo tanto, sólo un proceso puede estar ejecutando acciones de un monitor en un momento dado. aunque varios procesos pueden en ese momento ejecutar acciones que nada tengan que ver con el monitor. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

39 Funcionamiento de un monitor
la sincronización condicionada: cada proceso puede requerir una sincronización distinta, por lo que hay que programar cada caso. para ello, se usarán las variables “condición”: se usan para hacer esperar a un proceso hasta que determinada condición sobre el estado del monitor se “anuncie” también para despertar a un proceso que estaba esperando por su causa Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

40 Monitores Existe necesidad de sincronización de condición.
Se maneja con dos operadores que se llaman wait y signal. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

41 Monitores Un wait siempre bloquea y se ubica en una cola asociada a esa variable de condición. Cuando un proceso bloqueado libera su bloqueo permitirá ingresar a otro proceso. Cuando un proceso ejecuta una operación signal, liberará un proceso bloqueado. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

42 Críticas a monitores Solución elegante a problemas de exclusión mutua.
No soluciona bien las sincronizaciones de variables de condición. Sólo lo implementan muy pocos lenguajes (Mesa, Pascal Concurrente y Modula-1) Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

43 Métodos sincronizados
Es el concepto de monitor implementado en el paradigma de Orientación a Objetos Se utilizan en lenguajes como Java, que tiene la concurrencia totalmente integrada. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

44 Métodos sincronizados
Los métodos se califican con el modificador synchronized. Puede existir también synchronized a nivel de bloque. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

45 Sincronizacion y comunicación basada en mensajes
El envío de mensajes se usa tanto para sincronizar como para comunicar. Se necesita un proceso emisor y uno receptor. Información para intercambiar. Operaciones básicas son: Enviar (mensaje) (, dest) Recibir (mensaje) (, fuente) Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

46 Paso de mensajes Se debe establecer un enlace entre receptor y emisor:
Modelo de sincronización. Cómo nombrar los procesos. Estructura del mensaje. Confiabilidad Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

47 Modelo de sincronización
Sincronización implícita: un proceso no puede recibir un mensaje antes que el emisor lo haya emitido. El receptor puede leer una variable que no haya sido escrita por el emisor. Un proceso que ejecuta una recepción de mensaje incondicional cuando no existe ningún mensaje, permanecerá suspendido hasta que llegue el mensaje. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

48 Modelo de sincronización de procesos
Operación envía (send): Asíncrona: el emisor continua trabajando sin saber si el mensaje llegó o no (o se envió completamente o no). Síncrona: el emisor continua trabajando sólo cuando se recibió el mensaje (o cuando se envió completamente). Invocación remota: el emisor continúa sólo cuando se recibió una respuesta desde el receptor. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

49 Primitivas con o sin bloqueo
send síncrono o con bloqueo: mientras se envía el mensaje, el proceso emisor se bloquea (la instrucción siguiente se ejecuta una vez que el mensaje se haya enviado en su totalidad). send asíncrono o sin bloqueo: ¿Cuándo vuelve a estar disponible el búffer? Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

50 Primitivas con o sin bloqueo
send con bloqueo (CPU inactivo durante la transmisión de los mensajes). send sin bloqueo, con copia (se desperdicia el tiempo del CPU para la copia adicional). send sin bloqueo, con interrupción (dificulta la programación). Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

51 Nombrado de procesos Simetría: Dirección:
simétrico: si el emisor y el receptor se nombran entre sí envía <msj> <proceso> espera <msj> <proceso> asimétrico: acepta mensajes de cualquier proceso espera <msj> Dirección: nombrado directo: envía <msj> <proceso> nombrado indirecto: envía <msj> <buzón> Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

52 Nombrado de procesos Una dirección se refiere a un proceso específico (primitiva sin almacenamiento en buffers). Una dirección se refiere a un buzón - mailbox - (primitiva con almacenamiento en buffers) Una llamada a receive elimina un mensaje del buzón o se bloquea. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

53 Estructura del mensaje
Idealmente: cualquier objeto. Cada lenguaje ha impuesto sus restricciones. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

54 Primitivas confiables vs. no confiables
Los mensajes se pueden perder. Si send es no confiable el sistema no garantiza la entrega (se deja en manos de los usuarios). Se puede exigir al sistema del receptor enviar un acuse de recibo (acknowledgement). Se puede utilizar la respuesta del servidor como acuse de recibo. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

55 Primitivas confiables vs. no confiables
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56 Acciones atómicas Hasta aquí la comunicación entre dos procesos se expresó como una comunicación simple. No siempre ocurre así: Ej: extracción por cajero automático Necesito que todos vean un estado consistente del sistema. Estado: valores de las variables en un momento dado de tiempo. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

57 Traspaso de fondos de una cuenta bancaria a otra:
Acciones atómicas Traspaso de fondos de una cuenta bancaria a otra: Proceso de pedido de transferencia Proceso de autenticación de cliente Proceso de autenticación de cuenta a la que se transfiere Proceso de debito Proceso de Acreditación Acción atómica Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

58 Acciones atómicas Una acción es atómica si los procesos que la realizan no saben de la existencia de ningún otro proceso activo, y ningún otro proceso activo tiene constancia de las actividades de los procesos durante el tiempo en el que están realizando la acción. Una acción es atómica si los procesos que la realizan no se comunican con otros procesos mientras se está realizando la acción. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

59 Acciones atómicas Una acción es atómica si los procesos que la realizan no pueden detectar ningún cambio de estado salvo aquellos realizados por ellos mismos, y si no revelan sus cambios de estado hasta que la acción se haya completado. Las acciones son atómicas si, en lo que respecta a otros procesos, pueden ser consideradas indivisibles e instantáneas, de forma que los efectos sobre el sistema sean como si estuvieran entrelazadas y no en concurrencia. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

60 Acciones atómicas de dos fases
Primer fase Petición de recursos Segunda fase Liberación de recursos Si se liberan recursos antes que la acción atómica finalice puede existir problemas con la recuperación de un fallo. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

61 Control de recursos Tienen injerencia los procesos competitivos.
Aunque no se comuniquen entre ellos, pueden comunicarse para coordinar el acceso a recursos. Muy pocos recursos admiten el acceso concurrente de procesos. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

62 Control de recursos Cuando varios procesos que compiten necesiten recursos el modo de operación es el siguiente: Petición del recurso Utilización Liberación Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

63 Petición de recursos Un recurso se puede solicitar con:
Acceso compartido: se puede utilizar concurrentemente por más de un proceso. Acceso exclusivo: acceso en cada instante a un único proceso. Algunos se pueden utilizar en cualquier modo Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

64 Petición de recursos Si un proceso pide acceso compartido mientras otro lo está usando en forma exclusiva, entonces debe esperar. Si se estaba usando en forma compartida puede seguir. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

65 Petición de recursos Como los procesos pueden bloquearse al solicitar recursos, no deben pedirlos hasta que lo necesiten. Una vez asignados deben liberarse tan pronto como sea posible, una vez que la acción que se quería realizar con el recurso haya finalizado Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

66 Interbloqueo ( deadlock, abrazo mortal)
Dos procesos forman un interbloqueo cuando cada uno mantiene un recurso mientras que espera el recurso mantenido por el otro. Interbloqueo activo Dos procesos forman un interbloqueo activo si cada uno se ejecuta, pero ninguno es capaz de avanzar. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

67 Interbloqueo Condiciones necesarias
Exclusión mutua. Espera circular. No desalojo. Mantenimiento y espera. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino

68 Inanición Varios procesos están intentando continuamente conseguir acceso exclusivo al mismo recurso. Si la política con que se asignan no es justa, puede que un proceso no acceda nunca al recurso. Vivacidad (liveness): Si se supone que algo puede ocurrir, en algún momento ocurrirá. Informática III 2009 Ing. Estela D'Agostino