Sistemas Concurrentes: programación concurrente

1. Sistemas Concurrentes:programación concurrente I.T. Informática de Sistemas Curso 2002-2003

2. Cómo implementar la concurrencia • El propio hardware • multiprocesadores (máqs. de memoria compartida) • sistemas distribuidos • Multiprogramación • No hay paralelismo. Los procesos se reparten el procesador: entrelazado (interleaving) • ¿Quién planifica los procesos? • el sistema operativo • el propio ejecutable (gracias al compilador) -> runtime scheduler (RTSS)

3. Planificadores • Nuestro programa se ejecutará de manera diferente según la política de planificación empleada. • Algunos programas funcionarán adecuadamente con un planificador, pero con otros pueden fracasar.

4. “Granularidad” del paralelismo • ¿cuáles son las acciones que se pueden ejecutar en paralelo? • instrucciones de máquina • sentencias de un lenguaje de programación • objetos concurrentes dentro de un programa • programas ejecutables completos • Grano fino --> grano grueso • Cada ‘grano’ propicia unas herramientas y técnicas de programación diferentes

5. La abstracción de la programación concurrente

6. Abstracción de la concurrencia • Nuestro programa expresa acciones concurrentes (procesos o hilos), pero éstas no tienen por qué ejecutarse en paralelo. • Cada proceso concurrente se ejecuta sobre un procesador virtual. • El compilador y el s.o. serán responsables de ejecutar nuestros procesos como consideren más oportuno.

7. Procesadores 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. • Nos deben dar igual las velocidades relativas de los procesadores virtuales.

8. Orden parcial -> no determinismo • La programación secuencial define un orden total de las instrucciones • Un programa concurrente define un orden parcial de ejecución • El orden parcial implica el no determinismo de los programas concurrentes

9. No determinismo • Un programa secuencial es determinista: • si se le presenta el mismo conjunto de datos de entrada, siempre producirá la misma salida. • Un programa concurrente es no determinista: • un mismo conjunto de datos de entrada puede producir diferentes datos de salida, según el orden de ejecución de los procesos.

10. No determinismo • El no determinismo es una propiedad inherente a la concurrencia. • Por culpa 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.

11. Acciones atómicas • Por culpa del no determinismo, la ejecución del programa puede ser incorrecta e inesperada. • Surge la conveniencia de imponer que ciertas piezas de código se ejecuten de forma atómica. ¡¡el resultado podría ser x=65538!! cobegin x := 2; x := 65536; coend;

12. Acciones atómicas (2) • En el análisis de algoritmos concurrentes, se permite declarar que una sentencia se ejecuta de forma atómica. cobegin <x:=x+1> <x:=x+2> coend • Así se facilita el análisis y verificación de estos algoritmos. • No nos incumbe (por ahora) cómo se consigue la ejecución atómica.

13. 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 secuencias de ejecución (y todas ellas pueden ser correctas) • a -> b -> c • c -> a -> b • ...

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

15. Peculiaridades de los programas concurrentes • Los programas concurrentes pueden no terminar nunca y al mismo tiempo ser correctos. • Un pr.c. puede tener múltiples secuencias de ejecución. • Cuando se dice que un pr.c. es correcto, se entiende que se refiere a todas sus posibles secuencias de ejecución.

16. Seguridad y progreso(safety and liveness) • Dos tipos de propiedades útiles en los sistemas concurrentes • Propiedades de seguridad (safety) • una propiedad que debe ser cierta siempre • ejs. exclusión mutua, no interbloqueo • Propiedades de progreso (liveness) • una propiedad que se cumplirá con toda seguridad en algún momento de la ejecución • ejs. propiedades de justicia (fairness), evitación de inanición

17. 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.

18. Análisis de algoritmos concurrentes • Usar invariantes y lógica proposicional • Usar métodos inductivos • Usar historias de ejecución (a->b) • Usar predicados posicionales: at(I), in(I), after(I) • Usar lógica temporal • ...