Sistemas Concurrentes: Conceptos fundamentales

1
Sistemas ConcurrentesConceptos fundamentales

• I.T. Informática de Sistemas
• Curso 2002-2003

2
Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Programación concurrente
• Lenguaje concurrente
• Arquitectura paralela
• Sistema distribuido

3
Qué es la concurrencia?

• Definición de diccionario coincidir en el
  espacio o en el tiempo dos o más personas 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.

4
Paralelismo vs 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

5
Procesos y concurrencia

• Una forma de ver la concurrencia es como un
  conjunto de actividades que se desarrollan de
  forma simultánea.
• En informática, cada una de esas actividades se
  suele llamar proceso.

6
Dónde se encuentra la concurrencia?

• En la Naturaleza (el problema que se modela)
• ejemplos?
• En el hardware (la herramienta para solucionar el
  problema)
• ejecución paralela de instrucciones
• funcionamiento paralelo de los periféricos
• procesadores múltiples
• sistemas distribuidos

7
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

8
Concurrencia inherente o potencial

• Sistemas inherentemente concurrentes
• el entorno con el que interactúan, o el entorno
  que modelan tiene forzosamente actividades
  simultáneas
• p.ej. red de cajeros automáticos
• Sistemas potencialmente concurrentes
• no es estrictamente necesario que haya
  concurrencia, pero se puede sacar partido de ella
• p.ej. para aumentar la velocidad de ejecución

9
Ejercicio

• Dar un ejemplo de sistema en la naturaleza que
  sea concurrente
• Dar dos ejemplos de sistemas inherentemente
  concurrentes
• Dar dos casos de sistemas potencialmente
  concurrentes en los que nos beneficiaríamos de la
  utilización de la concurrencia

10
Conclusiones

• La concurrencia está presente en la Naturaleza y
  en los sistemas informáticos.
• El hardware multiprocesador permite realizar más
  trabajo en menos tiempo.
• De ahí se derivan dos grandes objetivos
• aprovechar la concurrencia existente en el
  hardware
• facilitar al programador su misión de modelar
  sistemas concurrentes

11
Técnicas para producir actividades concurrentes
en el 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

12
Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Programación concurrente
• Lenguaje concurrente
• Arquitectura paralela
• Sistema distribuido

13
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.

14
Motivación de la programación concurrente

• Aprovechar el hardware multiprocesador
• Aumentar la productividad de la CPU
• Facilitar la escritura de aplicaciones donde la
  concurrencia sea un elemento importante

15
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.

16
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?

17
Lenguajes concurrentes

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

18
Cómo expresar la concurrencia?

• Sentencia concurrente
• cobegin
• P Q R
• coend
• Sentencia concurrente múltiple
• forall i1 to 1000 do
• P(i)
• Tuberías (unix)
• grep palabra sort 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

19
Sincronización y comunicación

• Los procesos concurrentes tendrán necesidad de
  comunicarse información.
• Además, será necesario en ocasiones detener a un
  proceso hasta que se produzca un determinado
  evento o se den ciertas condiciones ?
  sincronización
• Los lenguajes concurrentes deben proporcionar
  mecanismos de sincronización y comunicación.

20
Mecanismos clásicos de sincronización

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

21
Mecanismos clásicos de comunicación

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

22
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.

23
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

24
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?

25
Contenidos

• Concurrencia y paralelismo
• Sistema concurrente
• Programación concurrente
• Lenguaje concurrente
• Arquitectura paralela
• Sistema distribuido

26
Arquitecturas paralelas

• Son sistemas informáticos con más de un
  procesador. Dos tipos
• Estrechamente acoplados
• los procesadores comparten memoria y reloj
• normalmente llamados multiprocesadores
• Débilmente acoplados
• no comparten memoria ni reloj
• sistemas distribuidos

27
Multiprocesadores

• Sistemas con más de un procesador. Pueden
  ejecutar varias instrucciones simultáneamente (en
  paralelo).
• Sistemas estrechamente acoplados los
  procesadores comparten la memoria (aunque puede
  ser más o menos difícil acceder a la memoria de
  otro procesador).
• Ventaja
• aumento de velocidad de procesamiento con bajo
  coste
• Inconveniente
• Escalable sólo hasta decenas o centenares de
  procesadores

28
Sistemas distribuidos

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

29
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)

30
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

31
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.