Sistemas Concurrentes: caractersticas de los programas concurrentes

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Sistemas Concurrentescaracterísticas de los
programas concurrentes

• I.T. Informática de Sistemas

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Contenidos

• Modelo abstracto del sistema concurrente
• No determinismo de la concurrencia
• Acciones atómicas
• Verificación de programas concurrentes
• Propiedades de seguridad y progreso (safety,
  liveness)

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Bibliografía

• Principles of Concurrent and Distributed
  Programming
• M. Ben-Ari. Prentice Hall, 1990
• Capítulos 1 y 2
• 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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Modelo de ejecuciónprocesadores virtuales

• Supondremos que nuestro programa concurrente
  consiste en un conjunto de procesos secuenciales
  que se ejecutan en paralelo, cada uno de ellos
  corriendo sobre un procesador virtual.
• No podemos presuponer nada sobre las velocidades
  relativas de los procesadores virtuales, ni sobre
  el ritmo de ejecución de las instrucciones.

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Historias / secuencias de ejecución

• Una historia o la secuencia de ejecución es una
  secuencia temporal de acciones que ocurren
  durante la ejecución de un programa.
• Un programa concurrente puede tener múltiples
  historias de ejecución (y todas ellas pueden ser
  correctas)
• a ? b ? c
• c ? a ? b
• ...

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Orden de ejecución de las instrucciones

• La programación secuencial define un orden total
  de las instrucciones.
• Dadas dos instrucciones A y B, sabemos que
  siempre A se ejecuta antes que B, o B se ejecuta
  antes que A.
• Un programa concurrente define un orden parcial
  de ejecución.
• Existen parejas de instrucciones A y B sobre las
  que no podemos afirmar ninguna dependencia.

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No determinismo

• Un programa secuencial es determinista
• Si se le presenta el mismo conjunto de datos de
  entrada, siempre producirá la misma salida.
• Sólo hay una historia correcta de ejecución
• Un programa concurrente esno determinista
• Un mismo conjunto de datos de entrada puede
  producir diferentes datos de salida, según el
  orden de ejecución de los procesos.
• Puede haber muchas historias correctas de
  ejecución.

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No determinismo ejemplo

• x,y integer 0
• cobegin
• x 5
• if x 0 then
• y 1
• else
• y 2
• end if
• x x 1
• coend
• Cuáles son los valores finales de x,y?

a
b
c
d
e
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No determinismo

• El no determinismo es una propiedad inherente a
  la concurrencia.
• A causa del no determinismo, es más difícil
  analizar y verificar un algoritmo concurrente.
• Ojo, que existan varias posibilidades de salida
  NO significa necesariamente que un programa
  concurrente sea incorrecto.

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No determinismo ejemplo

• Saldo_Cuenta Money 2000.0
• cobegin
• -- un proceso hace un ingreso
• Saldo_Cuenta Saldo_Cuenta 1000.0
• -- un proceso hace un reintegro
• Saldo_Cuenta Saldo_Cuenta 1000.0
• coend
• Cuál es el valor final de Saldo_Cuenta?
• Cuál debería ser?

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Acciones atómicas (1)

• Por culpa del no determinismo, la ejecución del
  programa puede ser incorrecta, inesperada y
  sorprendente.
• Surge la necesidad de imponer que ciertas piezas
  de código se ejecuten de forma atómica
  (indivisible).

el resultado podría ser x65538!!
cobegin x 2 x 65536 coend
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Acciones atómicas (2)

• En el análisis de algoritmos concurrentes, se
  permite declarar que una sentencia se ejecuta de
  forma atómica.
• cobegin ltxx1gt ltxx2gt coend
• Así se facilita el análisis y verificación de
  estos algoritmos.
• En algunos lenguajes (Java) se garantiza la
  ejecución atómica de las sentencias simples.

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Verificación de programas secuenciales

• En el análisis de algoritmos secuenciales,
  utilizamos estos conceptos
• Precondiciones ? predicados que deberían ser
  ciertos antes de ejecutar el algoritmo
• Postcondiciones ? predicados que deben ser
  ciertos si se cumplen las precondiciones y el
  algoritmo finaliza correctamente
• Invariantes ? en general, predicados que deben
  mantenerse ciertos dentro de una clase, un bucle,
  etc.

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Verificación de programas secuenciales

• Cuándo un programa (secuencial) se considera
  correcto?
• Totalmente correcto. Dadas unas precondiciones
  correctas, el programa termina y se cumplen las
  postcondiciones.
• Parcialmente correcto. Dadas unas precondiciones
  correctas, si el programa termina se cumplen las
  postcondiciones previstas.

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Peculiaridades de los programas concurrentes

• Los programas concurrentes pueden no terminar
  nunca y al mismo tiempo ser correctos.
• Ej. un módulo de sistema operativo (gestor de
  cola de impresión)
• Un pr.c. puede tener múltiples historias de
  ejecución.
• Cuando se dice que un pr.c. es correcto, se
  entiende que se refiere a todas sus posibles
  secuencias de ejecución.

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Seguridad y progreso(safety and liveness)

• Dos tipos de propiedades útiles en los sistemas
  concurrentes
• Propiedades de seguridad (safety)
• Un invariante que debe ser cierto siempre
• ejs. exclusión mutua, no interbloqueo
• Propiedades de progreso (liveness)
• una propiedad que se cumplirá con toda seguridad
  en algún momento futuro
• ejs. propiedades de justicia (fairness), no
  inanición

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Ejemplos de justicia (fairness)

• Justicia débil. Si un proceso realiza
  continuamente una petición, terminará siendo
  atendido.
• Justicia fuerte. Si un proceso realiza una
  petición con frecuencia infinita, terminará
  siendo atendido.
• Espera lineal. Si un proceso realiza una
  petición, ningún otro proceso puede ser atendido
  dos veces antes que él.
• Espera FIFO. Si un proceso realiza una petición,
  será atendido antes que cualquier otra solicitud
  posterior.

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Análisis de algoritmos concurrentes

• Usar invariantes y lógica proposicional
• Usar métodos inductivos
• Usar historias de ejecución (a-gtb)
• Usar predicados posicionales at(I), in(I),
  after(I)
• Usar lógica temporal
• ...