Tema 06: Introducci

1
Tema 06Introducción a la Programación
Concurrente
UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
E S P G
MAESTRÍA EN INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA
ADMINISTRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN
Prof Alberto E. Cohaila Barrios
acohailab_at_unjbg.edu.pe, acohailab_at_hotmail.com,
acohailab_at_speedy.com.pe
2
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Programa Secuencial. Proceso
• Procesos Concurrentes. Programa y sistema
  concurrente
• Relaciones entre procesos Competencia y
  Cooperación
• Actividades entre procesos Sincronización y
  Comunicación
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

3
Qué es la concurrencia?

• El paradigma de la programación concurrente
• Paradigma
• Conjunto de teorías, estándares y métodos que
  juntos representan una forma de ver el mundo
• Concurrencia
• Acaecimiento de varios sucesos al mismo tiempo

4
Qué es la concurrencia?
Paralelismo
Solapamiento

• Los sucesos se producen en un mismo intervalo
  de tiempo (diferentes recursos)

• Los sucesos se producen en intervalos de tiempo
  superpuestos

Tiempo
Tiempo
Simultaneidad

• Los sucesos se producen en el mismo instante de
  tiempo

Tiempo
5
Qué es la concurrencia?

• El paradigma de la programación concurrente se
  ocupa de desarrollar métodos de representación de
  procesos concurrentes y herramientas para
  especificar y verificar programas concurrentes
• Lenguajes que soportan concurrencia
• Java, PascalFC, Ada, PAD, Parallel C, OCCAM

6
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Programa Secuencial. Proceso
• Procesos Concurrentes. Programa y sistema
  concurrente
• Relaciones entre procesos Competencia y
  Cooperación
• Actividades entre procesos Sincronización y
  Comunicación
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

7
Programa Secuencial. Proceso

• Programa Secuencial
• Conjunto de declaraciones de datos e
  instrucciones (o acciones) ejecutables, escrito
  en un lenguaje de programación
• Estas instrucciones deben ejecutarse una a
  continuación de otra, siguiendo una secuencia
  determinada por un algoritmo, para resolver un
  cierto problema
• Un programa en Pascal es un programa secuencial

8
Programa Secuencial. Proceso

• Proceso
• Es la ejecución de un programa secuencial en un
  sistema informático
• Pueden existir varios procesos de un mismo
  programa secuencial porque se puede ejecutar el
  mismo programa secuencial varias veces y de forma
  simultánea

9
Programa Secuencial. Proceso

• Se puede ver a dos niveles
• Nivel del Sistema Operativo
• Programa Secuencial Fichero ejecutable
• Proceso Proceso que aparece en el sistema cuando
  se ejecuta un fichero ejecutable
• Nivel de un Programa Internamente
• Programa Secuencial Fragmento de código de un
  programa
• Proceso Ejecución de las sentencias de un
  fragmento de código

10
Programa Secuencial. Proceso

• Nivel del Sistema Operativo

Programa Secuencial
Proceso (Proceso Pesado)
11
Programa Secuencial. Proceso

• Nivel de un Programa Internamente
• Programa Secuencial
• Un conjunto de sentencias y declaración de
  variables
• Normalmente es un procedimiento o función
• Proceso
• La ejecución del procedimiento o función
• En un programa Pascal internamente hay solamente
  un único proceso
• En PascalFC, puede haber varios procesos
  internamente
• Proceso ligero, Hilo de Ejecución o Thread

12
Programa Secuencial. Proceso
Sistema Operativo Programa Internamente
Programa Secuencial Un fichero ejecutable (.exe) Conjunto de sentencias (Procedimiento)
Proceso Ejecución de un .exe Tiene memoria y usa el procesador Proceso Pesado Ejecución de un procedimiento Proceso Ligero Hilo de Ejecución Thread
En este módulo nos centramos en los Programas
Internamente
13
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Programa Secuencial. Proceso
• Procesos Concurrentes. Programa y sistema
  concurrente
• Relaciones entre procesos Competencia y
  Cooperación
• Actividades entre procesos Sincronización y
  Comunicación
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

14
Procesos Concurrentes. Programa y Sistema
Concurrente

• Procesos Concurrentes
• P1 y P2 se dice que son dos procesos concurrentes
  si la primera instrucción de uno de ellos se
  ejecuta entre la primera y la última instrucción
  del otro

P1 P2
Tiempo
15
Procesos Concurrentes. Programa y Sistema
Concurrente

• Programa Concurrente
• Conjunto de varios programas secuenciales, cuyos
  procesos pueden ejecutarse concurrentemente en un
  sistema informático

16
Procesos Concurrentes. Programa y Sistema
Concurrente

• Programa Concurrente
• Nivel de Sistema Operativo
• Windows es un programa concurrente
• Linux es un programa concurrente
• MS-DOS no es un programa concurrente
• Nivel de Programa Internamente
• Un programa en Pascal no es un programa
  concurrente
• Un programa en PascalFC es un programa concurrente

17
Procesos Concurrentes. Programa y Sistema
Concurrente

• Sistema Concurrente
• Sistema Informático (HWSW) en el que es posible
  ejecutar varios procesos concurrentemente

18
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Programa Secuencial. Proceso
• Procesos Concurrentes. Programa y sistema
  concurrente
• Relaciones entre procesos Competencia y
  Cooperación
• Actividades entre procesos Sincronización y
  Comunicación
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

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Relaciones entre procesos Competencia y
Cooperación

• Sin relación entre procesos (Independencia)
• No existe ninguna relación entre los procesos (No
  es interesante)
• Con relación entre procesos (Interacción)
• Competencia
• Varios procesos deben compartir recursos comunes
  del sistema (procesador, memoria, disco,
  impresoras,) por lo que compiten entre ellos
  para conseguirlo
• Cooperación
• Varios procesos deben trabajar sobre distintas
  partes de un problema para resolverlo
  conjuntamente

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Relaciones entre procesos Competencia y
Cooperación

• Competencia
• Webcam
• Por ejemplo el acceso a una web-cam es un recurso
  de uso exclusivo por un único programa
• El primer programa que use la cámara la controla
  hasta que decida dejar de usarla
• Cooperación
• Envío de fichero por mail
• Por ejemplo el OpenOffice genera un fichero en
  disco que debe leerse posteriormente por el
  lector de correo para ser enviado
• Los procesos colaboran por medio de ficheros

21
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Programa Secuencial. Proceso
• Procesos Concurrentes. Programa y sistema
  concurrente
• Relaciones entre procesos Competencia y
  Cooperación
• Actividades entre procesos Sincronización y
  Comunicación
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

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Actividades entre procesos Sincronización y
Comunicación

• La competencia y la cooperación son relaciones de
  interacción entre procesos
• Se llevan a cabo a través de las siguientes
  actividades
• Comunicación
• Sincronización
• Sincronización condicional
• Exclusión mutua

23
Actividades entre procesos Sincronización y
Comunicación

• Comunicación
• Es el intercambio de información entre procesos
• Habitualmente cuando dos procesos cooperan entre
  sí se intercambian información
• Por ejemplo cuando un proceso quiere imprimir,
  envía la información al proceso encargado de la
  impresora

24
Actividades entre procesos Sincronización y
Comunicación

• Sincronización
• La sincronización impone restricciones a la
  ejecución de las sentencias de los procesos
• Sincronización Condicional
• Uno o más procesos deben esperar a que se cumpla
  cierta condición antes de continuar con su
  ejecución
• Otro proceso es el que establece esa condición
• Por ejemplo para enviar un fichero por mail, el
  proceso que tiene que enviar el fichero se tiene
  que esperar hasta que éste haya sido generado por
  el OpenOffice

25
Actividades entre procesos Sincronización y
Comunicación

• Sincronización
• La sincronización impone restricciones a la
  ejecución de las sentencias de los procesos
• Exclusión Mutua
• Varios procesos compiten por un recurso común de
  acceso exclusivo
• Sólo uno de los procesos puede estar accediendo
  al recurso a la vez y los demás tienen que
  esperar
• Por ejemplo en el caso de la webcam, sólo un
  proceso puede acceder a la cámara a la vez

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Interacción entre procesos Sincronización y
Comunicación
Relaciones entre procesos
Actividades entre procesos
Hay diferentes tipos
Sincronización Condicional
Se lleva a cabo mediante
Competencia
Sincronización
Exclusión Mutua
A veces necesita
Cooperación
Comunicación
27
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Arquitecturas físicas
• Asignación de Procesos a Procesadores
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

28
Dónde se usa la concurrencia?

• Arquitecturas de Sistemas Concurrentes
• En este módulo no vamos a entrar en detalles de
  implementación
• Pero vamos a dar una visión general de las
  diferentes arquitecturas de sistemas concurrentes

29
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Arquitecturas físicas
• Asignación de Procesos a Procesadores
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

30
Arquitecturas Físicas

• Sistemas monoprocesador
• Sistemas con un único procesador
• Los PCs de sobremesa habituales hace pocos años

31
Arquitecturas Físicas

• Sistemas multiprocesador muy acoplados
• Varios procesadores en la misma máquina
• Usado en servidores

Memoria Local
Procesador
Procesador
Procesador
Bus
Memoria Común
Memoria Común
Entrada/Salida
32
Arquitecturas Físicas

• Sistemas multiprocesador muy acoplados
• Actualmente se están integrando varios
  procesadores en un único chip
• A los procesadores internos se les denomina cores
  o núcleos de ejecución
• Al chip se le denomina procesador
• Todos los PCs actuales tienen esta arquitectura

Procesador
Core
Core
Bus
Memoria
Entrada/Salida
33
Arquitecturas Físicas

• Sistemas multiprocesador poco acoplados
• Redes de Ordenadores (Granjas de Ordenadores,
  LAN, Internet)
• Sistemas Distribuidos

Servidor Web
PC
Móvil
Consola
Red
34
Arquitecturas Físicas

• Modelos de Concurrencia
• Memoria compartida
• Los procesos pueden acceder a una memoria común
• Existen variables compartidas que varios procesos
  pueden leer y escribir
• Paso de mensajes
• Los procesos se intercambian mensajes entre sí
• Un proceso envía mensaje y otro proceso lo recibe

35
Arquitecturas Físicas
Modelos de Concurrencia Modelos de Concurrencia
Arquitecturas de Sistemas Concurrentes Paso de Mensajes Memoria Compartida
Monoprocesador v v
Multiprocesador Muy Acoplado v v
Multiprocesador Poco Acoplado (Red) v X
36
Arquitecturas Físicas

• Vamos a centrarnos en el modelo de concurrencia
  de memoria compartida
• El modelo de concurrencia de paso de mensajes se
  estudia en asignaturas de sistemas distribuidos
  (aplicaciones en red)

37
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Arquitecturas físicas
• Asignación de Procesos a Procesadores
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

38
Asignación de Procesos a Procesadores

• Un procesador sólo puede ejecutar un proceso a la
  vez
• Qué ocurre si hay que ejecutar más procesos que
  los procesadores disponibles?

39
Asignación de Procesos a Procesadores

• Multiproceso
• Cada proceso se ejecuta en su propio procesador
  en un sistema de memoria compartida

Proc1
Proc2
Proc3
Procesador3
Procesador1
Procesador2
Bus
Memoria Común
Entrada/Salida
40
Asignación de Procesos a Procesadores

• Procesamiento Distribuido
• Cada proceso se ejecuta en su propio procesador
  dentro de cada máquina de una red (Programa
  distribuido)

Proc1
Proc2
Proc3
Máquina 3
Máquina 1
Máquina 2
Red
Router
Impresora
41
Asignación de Procesos a Procesadores

• Paralelismo Real
• Se obtiene cuando hay un procesador por cada
  proceso
• Se consigue un aumento de la velocidad de
  ejecución del programa con respecto a la
  ejecución secuencial

Proc1
Proc2
t
Ejecución Secuencial
Proc1
Proc2
t
Paralelismo Real
42
Asignación de Procesos a Procesadores

• Multiprogramación
• Varios procesos se ejecutan en el mismo
  procesador
• Cada proceso se ejecuta durante un tiempo y luego
  pasa a ejecutarse el siguiente proceso
  (Compartición de tiempo)

Proc2
Proc3
Proc1
Procesador
Bus
Entrada/Salida
Memoria
43
Asignación de Procesos a Procesadores

• Paralelismo Simulado (Pseudoparalelismo)
• Se obtiene cuando varios procesos comparten el
  mismo procesador
• El usuario percibe una sensación de paralelismo
  real
• No se consigue un aumento de la velocidad de
  ejecución del programa con respecto a la
  ejecución secuencial

Proc1
Proc2
t
Ejecución Secuencial
Proc1
Proc2
t
Paralelismo Simulado
44
Asignación de Procesos a Procesadores

• Asignación de Procesos a Procesadores

• Cada procesador ejecuta un proceso
• Multiproceso
• Procesamiento Distribuido

Paralelismo Real Aumenta la velocidad de
ejecución
Paralelismo Simulado No aumenta la velocidad de
ejecución

• Cada procesador ejecuta varios procesos
• Multiprogramación

En un sistema informático lo más habitual es que
se use la Multiprogramación aunque disponga de
varios procesadores, porque en la mayoría de las
ocasiones hay más procesos que procesadores
45
Asignación de Procesos a Procesadores

• Multiproceso
• Aumenta la velocidad de ejecución
• Multiprogramación
• No aumenta la velocidad de ejecución
• Incluso puede disminuir debido a que el reparto
  del procesador implica un coste adicional

Para qué sirve entonces la multiprogramación?
46
Asignación de Procesos a Procesadores

• Ventajas de la Multiprogramación
• Dar un servicio interactivo a varios usuarios
  simultáneamente
• Servidor Web
• Atiende a varios cientos de usuarios a la vez
• Messenger o Pidgin
• Permite conversaciones simultáneas
• Pestañas Firefox o Internet Explorer
• Permite descargar simultáneamente varias páginas
  (cada una en una pestaña) mientras navegamos

47
Asignación de Procesos a Procesadores

• Ventajas de la Multiprogramación
• Ciertos tipos de aplicaciones se implementan de
  manera natural con programación concurrente
• Aplicaciones gráficas
• El programa realiza un proceso en segundo plano y
  también permite seguir trabajando
• Eclipse compila en segundo plano
• Intercambio entre pares P2P (Emule)
• Se realizan descargas simultáneas de múltiples
  usuarios para completar el mismo fichero

48
Asignación de Procesos a Procesadores
Proceso Bloqueado

• Ventajas de la Multiprogramación
• Aprovecha mejor el procesador en procesos que se
  quedan esperando
• Un proceso se puede bloquear a la espera de un
  dato del disco duro (entrada/salida)
• Con Multiprogramación se puede aprovechar el
  procesador mientras los procesos esperan

Proc1
Proc2
Ejecución Secuencial
Proc1
Proc2
Paralelismo Simulado
49
Asignación de Procesos a Procesadores

• Ventajas de la Multiprogramación
• Los sistemas operativos actuales usan la
  multiprogramación para ejecutar varios procesos
  simultáneamente
• Permite
• Tener varios programas abiertos
• Imprimir o copiar ficheros mientras se navega,
  etc

50
Asignación de Procesos a Procesadores

• Conclusión La multiprogramación tiene ventajas
• Aplicaciones para varios usuarios
• Aplicaciones que realizan varias tareas a la vez
• Sistemas operativos con muchas aplicaciones
• Aprovechamiento del procesador cuando los
  procesos necesitan esperar

51
Asignación de Procesos a Procesadores

• Hay muchas arquitecturas diferentes en las que se
  puede ejecutar un programa concurrente
• Para hacer programas concurrentes no vamos a
  pensar en si existe multiproceso o existe
  multiprogramación
• Usamos simplificaciones o abstracciones que nos
  ayudan a centrarnos en los procesos y sus
  relaciones, y nos evitan pensar en la
  arquitectura del sistema

52
Asignación de Procesos a Procesadores
1ª Abstracción de la Programación Concurrente Se
considera que cada proceso se ejecuta en su
propio procesador

• Esta abstracción permite tener en cuenta
  únicamente las interacciones entre los procesos
  derivadas de sus relaciones de competencia y
  cooperación
• No nos tenemos que preocupar de si hay
  paralelismo real o paralelismo simulado

53
Asignación de Procesos a Procesadores
2ª Abstracción de la Programación Concurrente Se
ignoran las velocidades relativas de cada
proceso, lo que posibilita considerar sólo las
secuencias de instrucciones que se ejecutan

• Tenemos que pensar lo que ocurriría con nuestro
  programa si el procesador de cada proceso tuviese
  una velocidad igual
• También tenemos que pensar que pasaría si un
  procesador fuese muy lento y otro procesados
  fuese muy rápido
• Pensar en todas las posibles situaciones permite
  que nuestros programas concurrentes funcionen
  correctamente en cualquier tipo de arquitectura y
  sistema

54
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• PascalFC
• El orden de las instrucciones
• Instrucciones atómicas
• Intercalación
• Indeterminismo
• Conclusiones

55
PascalFC

• Para estudiar el desarrollo de programas
  concurrentes vamos a usar PascalFC
• Es un lenguaje de programación basado en una
  simplificación de Pascal
• Está orientado a la enseñanza de la concurrencia
• Desarrollado por Alan Burns and Geoff Davies en
  la Universidad de York

http//www-users.cs.york.ac.uk/burns/pf.html
PascalFC está incluido en EclipseGavab http//www.
gavab.es/eclipse
56
PascalFC

• Para hacer un programa concurrente hay que hacer
  dos cosas
• A) Crear un código que podrá ser ejecutado
  concurrentemente con otros códigos (crear el
  programa secuencial)
• B) Iniciar la ejecución de ese código (crear el
  proceso)

57
PascalFC
prog.pas
Programa Secuencial
program prog process type pr1(parreal)
begin ... end process type
pr2(parreal) begin ... end var
... begin ... end.

• Se crea con las palabras reservadas process type
• La sintaxis es igual a la de un procedimiento en
  Pascal
• Puede recibir parámetros, declarar variables
  locales
• En PascalFC lo llamaremos tipo de proceso

58
PascalFC
prog.pas
program prog process type pr1(parreal)
begin ... end process type
pr2(parreal) begin ... end var
vPr1pr1 vAPr2,vBPr2pr2 begin cobegin
vPr1(5.0) vAPr2(7.8) vBPr2(7.5)
coend end.
Creación de un proceso

• Hay que declarar una variable con el tipo del
  proceso
• Se hace la llamada con el nombre de la variable
  entre cobegin coend
• Se ejecutan concurrentemente todos los procesos
• Es posible crear varios procesos del mismo tipo
  de proceso

59
PascalFC

• cobegin coend
• Ejecuta de forma concurrente las llamadas a los
  procesos entre ellas
• No importan el orden en el fichero
• Se crea un proceso por llamada
• Termina cuando han terminado todos los procesos

60
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• PascalFC
• El orden de las instrucciones
• Instrucciones atómicas
• Intercalación
• Indeterminismo
• Conclusiones

61
El orden de las instrucciones

• En un programa secuencial, todas las
  instrucciones están ordenadas
• Está claro el orden en el que se van ejecutando
  las instrucciones y la forma en la que van
  cambiando los valores de las variables
• En la programación concurrente, diferentes
  ejecuciones del mismo programa pueden ejecutar
  las sentencias en orden diferente

62
El orden de las instrucciones
program maxmin procedure min(var
min,n1,n2real) begin if n1 lt n2 then
minn1 else minn2 end procedure
max(var max,n1,n2real) begin if n1 gt n2
then maxn1 else maxn2 end var
n1,n2,nmax,nminreal begin n13 n25
(I0) min(nmin,n1,n2) (I1)
max(nmax,n1,n2) (I2) writeln(nmax,nmin)
(I3) end.
Programación Secuencial Orden Total
I0
I1
I2
I3
Diagrama de Precedencia
La Relación de Precedencia (-gt) entre las
instrucciones define una relación de orden
I0 -gt I1 -gt I2 -gt I3
63
El orden de las instrucciones
Programación Secuencial Orden Total
I0
I1
I2
I3
Diagrama de Precedencia

• Existe determinismo
• Al ejecutar el programa con los mismos datos de
  entrada se obtienen los mismos resultados
• Hay veces que no es necesario que una sentencia
  sea ejecutada antes que otra, se podrían ejecutar
  en cualquier orden Cómo lo podríamos especificar
  en el código?

64
El orden de las instrucciones
program maxmincon process type min(var
min,n1,n2real) begin if n1ltn2 then minn1
else minn2 end process type max(var
max,n1,n2real) begin if n1gtn2 then maxn1
else maxn2 end var n1,n2,nmax,nminreal
pMaxmax, pMinmin begin n13 n25
(I0) cobegin pMin(nmin,n1,n2) (I1)
pMax(nmax,n1,n2) (I2) coend
writeln(nmax,nmin) (I3) end.
Programación Concurrente Orden Parcial
I0
I3
Diagrama de Precedencia
I0-gtI1, I0gtI2, I1-gtI3,I2-gtI3 I1 I2
65
El orden de las instrucciones
Diagrama de Precedencia

• No existe determinismo
• No se restringe el orden de ejecución de I1 e I2.
  Podrían ejecutarse en cualquier ordena o de forma
  concurrentemente

I1 I2
66
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• PascalFC
• El orden de las instrucciones
• Instrucciones atómicas
• Intercalación
• Indeterminismo
• Conclusiones

67
Instrucciones atómicas
Recordatorio
1ª Abstracción de la Programación Concurrente Se
considera que cada proceso se ejecuta en su
propio procesador
2ª Abstracción de la Programación Concurrente Se
ignoran las velocidades relativas de cada
proceso, lo que posibilita considerar sólo las
secuencias de instrucciones que se ejecutan
68
Instrucciones atómicas

• La 1ª y 2ª abstracción nos permiten olvidarnos de
  detalles como el número de procesadores y su
  velocidad
• Nos permiten pensar en la secuencia de
  instrucciones que ejecuta cada proceso
• Exactamente qué instrucciones ejecuta un proceso?

69
Instrucciones atómicas

• Una instrucción atómica es aquella cuya ejecución
  es indivisible
• O se ejecuta completamente o no se ejecuta, nunca
  se queda a medias
• Durante la ejecución de una sentencia atómica,
  otros procesos no pueden interferir en su
  ejecución

70
Instrucciones atómicas

• Las instrucciones atómicas se usan mucho
  aplicaciones empresariales
• Ejemplo Reserva de vuelo con escala
• Un viajero quiere ir de Madrid a Los Ángeles
• Tiene que hacer escala en New York
• Se debe reservar el billete Madrid-New York y
  también de New York-Los Ángeles
• La reserva no se puede quedar a medias,
  reservando sólo un trayecto
• O se reservan ambos trayectos o no se reserva
  ninguno

71
Instrucciones atómicas

• En programación concurrente, es muy importante
  conocer las instrucciones atómicas que ejecuta el
  procesador
• Esas instrucciones atómicas serán las que se
  ejecuten completamente sin interferencias de
  otros procesos
• Pero hay que tener en cuenta que si una sentencia
  en PascalFC se ejecuta como varias sentencias
  atómicas, es posible que otros procesos
  interfieran con ella

72
Instrucciones atómicas
Sentencia PascalFC
Incrementar una variable en 1
xx1
Corresponde a las intrucciones atómicas
Instrucciones Atómicas
LOAD R,x ADD R,1 STR R,x

• Carga la variable x en el registro R del
  procesador
• Suma 1 al registro R del procesador
• Guarda el valor del registro R en la variable x

73
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• PascalFC
• El orden de las instrucciones
• Instrucciones atómicas
• Intercalación
• Indeterminismo
• Conclusiones

74
Intercalación (Interleaving)

• La 1ª y 2ª abstracción nos permiten pensar en la
  secuencia de instrucciones que ejecuta cada
  proceso en su procesador
• Pero es bastante complicado pensar en la
  ejecución en paralelo de múltiples secuencias de
  instrucciones (una por cada proceso)
• Lo que se hace para estudiar el comportamiento de
  un programa concurrente es considerar que todas
  las sentencias de todos los procesos se
  intercalan en una única secuencia

75
Intercalación (Interleaving)
3ª Abstracción de la Programación Concurrente Se
considera que las secuencias de ejecución de las
acciones atómicas de todos los procesos se
intercalan en una única secuencia

• No hay solapamientos
• La ejecución de dos instrucciones atómicas en
  paralelo tiene los mismos resultados que una
  después de otra

76
Intercalación (Interleaving)

• No hay que estudiar una única intercalación de
  instrucciones
• Todas las intercalaciones son posibles
• Hay que estudiar lo que ocurre en todas las
  posibles intercalaciones de instrucciones
  atómicas para comprender el comportamiento del
  programa en cualquier ejecución

77
Intercalación (Interleaving)

• Multiprogramación
• Realmente las instrucciones se ejecutan de forma
  intercalada
• Multiproceso
• Si dos instrucciones compiten por un mismo
  recurso, el hardware las secuencializa
• Si dos instrucciones no compiten, son
  independientes, el resultado es el mismo en
  paralelo que secuencializado

78
Intercalación (Interleaving)

• Todas las abstracciones se pueden resumir en sólo
  una
• Esta abstracción nos permite estudiar el
  comportamiento de los programas concurrentes

Abstracción de la Programación Concurrente Es el
estudio de las secuencias de ejecución
intercalada de las instrucciones atómicas de los
procesos secuenciales (Ben-Ari, 1990)
79
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• PascalFC
• El orden de las instrucciones
• Instrucciones atómicas
• Intercalación
• Indeterminismo
• Conclusiones

80
Indeterminismo

• Al ejecutar un programa concurrente, se
  ejecutarán las sentencias con una intercalación
  determinada y se obtendrá un resultado
• Puesto que todas las intercalaciones de
  instrucciones atómicas son posibles, un mismo
  programa puede obtener resultados diferentes en
  diferentes ejecuciones
• Cuando un mismo programa obtiene resultados
  diferentes dependiendo de la ejecución concreta,
  se dice que es indeterminista

81
Indeterminismo
Instrucciones atómicas del tipo de proceso inc
program incdec process type inc(var
xinteger) begin xx1 end process
type dec(var xinteger) begin xx-1 end var
xinteger pIncinc pDecdec begin x0
cobegin pInc(x)
pDec(x) coend writeln(x) end.
LOAD R,x ADD R,1 STR R,x
Instrucciones atómicas del tipo de proceso dec
LOAD R2,x SUB R2,1 STR R2,x
82
Indeterminismo

• Una posible intercalación de instrucciones

inc dec x R R2
1 LOAD R2,x 0 0
2 LOAD R,x 0 0 0
3 SUB R2,1 0 0 -1
4 ADD R,1 0 1 -1
5 STR R2,x -1 1 -1
6 STR R,x 1 1 -1
Resultado Final 1
83
Indeterminismo

• Otra posible intercalación de instrucciones

inc dec x R R2
1 LOAD R2,x 0 0
2 LOAD R,x 0 0 0
3 ADD R,1 0 1 0
4 SUB R2,1 0 1 -1
5 STR R,x 1 1 -1
6 STR R2,x -1 1 -1
Resultado Final -1
84
Indeterminismo
Como se deben considerar todas las posibles
intercalaciones, también hay que considerar que
un proceso se ejecute completamente antes que el
otro

• Otra más

inc dec x R R2
1 LOAD R2,x 0 0
2 SUB R2,1 0 -1
3 STR R2,x -1 -1
4 LOAD R,x -1 -1 -1
5 ADD R,1 -1 0 -1
6 STR R,x 0 0 -1
Resultado Final 0
85
Indeterminismo

• Se han encontrado tres intercalaciones posibles
  de las instrucciones atómicas de un programa
  concurrente en las que se obtiene un resultado
  diferente
• Hay 20 posibles intercalaciones
• En sólo 2 de ellas se obtiene un 0
• En 9 intercalaciones se obtiene un 1
• En 9 intercalaciones se obtiene un -1

86
Introducción a la Concurrencia

• Qué es la concurrencia?
• Dónde se usa la concurrencia?
• Cómo se usa la concurrencia?
• Conclusiones

87
Conclusiones

• Ventajas de la Concurrencia
• Aumento de la eficiencia Aprovechamiento de
  procesador o procesadores
• Hay tipos de programas que necesitan llevar a
  cabo varias tareas de forma concurrente y por
  tanto es obligatoria la concurrencia
• La posibilidad te tener tareas en primer plano
  y tareas en segundo plano
• Tareas en primer plano Interfaz de usuario
• Tareas en segundo plano Antivirus, impresión,

88
Conclusiones

• Ventajas de la Concurrencia
• La tendencia actual para aumentar la potencia de
  cómputo de los sistemas informáticos consiste en
  la creación de procesadores con varios cores o
  núcleos
• Sólo las aplicaciones concurrentes, que dividan
  las tareas que se deben realizar en varios
  procesos podrán aprovechar la potencia de calculo
  de los nuevos sistemas
• Esto implica que aplicaciones que actualmente
  están desarrolladas de forma secuencial, sin
  concurrencia, deberán actualizarse para
  aprovechar la potencia de calculo

Apple Mac Pro. 8 cores
89
Conclusiones

• Desventajas de la Concurrencia
• Desarrollar programas concurrentes es más difícil
  que desarrollar programas secuenciales
• Son más difíciles de programar
• Es más difícil comprobar que su funcionamiento es
  el correcto, porque hay que considerar todas las
  posibles intercalaciones
• Que una ejecución sea correcta con unos datos de
  entrada no implica que todas las ejecuciones sean
  correctas con esos mismos datos (como ocurre con
  los programas secuenciales).
• Hay intercalaciones problemáticas que pueden
  aparecer sólo en raras ocasiones

90
Conclusiones

• Indeterminismo
• Cuando se implementa un programa concurrente se
  necesita controlar el indeterminismo
• No obstante, hay veces que permitiendo cierto
  indeterminismo se consiguen programas más
  eficientes
• Ejemplo En la descarga de ficheros del eMule,
  cada usuario puede descargarse cualquier
  fragmento de otro usuario, sin importar cual de
  ellos. Restringir e imponer un orden podría
  reducir el rendimiento de la aplicación

91
Bibliografía Básica

• Yela, A. Arroyo, F. Fernandez, L. Teoría y
  Práctica del Módulo de Programación Concurrente
  de la Asignatura de Programación II. Departamento
  de Publicaciones de la E.U.I. de la Universidad
  Politécnica de Madrid, 1997
• Palma, J.T. y otros. Programación Concurrente.
  Editorial Thomson, 2006