Concurrencia - Clase I by Nicolás Perez

CONCURRENCIA - INTRODUCCIÓN

nykolaiperez — 2024-02-06 15:36:21 UTC

1) ¿Qué es? - ¿Dónde está?

nykolaiperez — 2024-02-06 15:36:41 UTC

La concurrencia en general básicamente es la capacidad de ejecutar o de realizar múltiples actividades al mismo tiempo en forma simultánea.

Concurrencia "Natural"

nykolaiperez — 2024-02-06 15:37:47 UTC

Una solución de forma concurrente va a ser mucho más sencilla de pensarla o hacerla de forma secuencial, para entenderla y luego poder pensar la concurrencia.

2) ¿Pará que la necesitamos en la programación?

nykolaiperez — 2024-02-06 15:37:59 UTC

No usar más ciclos de reloj, dejar de secuencializar. Ilustrar mejor los hechos naturales. No bloquear recursos. Distribuir sistemas.

¿Cuáles son sus objetivos?

nykolaiperez — 2024-02-06 15:38:49 UTC

Ajustar el modelo de arquitectura de hardware y software.
Incrementar la performance

3) ¿Cómo pueden funcionar los procesos?

nykolaiperez — 2024-02-06 15:39:34 UTC

PROCESO: programa secuencial (un único flujo de control
que ejecuta una instrucción y cuando esta finaliza ejecuta la
siguiente). Estos procesos van a cooperar y competir por recursos (Monitor, teclado, impresora, etc)

Competencia

nykolaiperez — 2024-02-06 15:41:20 UTC

Cuando dos o más procesos necesitan de un mismo recurso.

Deadlock

nykolaiperez — 2024-02-06 15:41:37 UTC

Es una situación en la que dos o más procesos o hilos quedan bloqueados indefinidamente porque cada uno está esperando que el otro libere un recurso que necesita.

Inanición

nykolaiperez — 2024-02-06 15:41:46 UTC

La inanición ocurre cuando un proceso o hilo no puede obtener acceso a los recursos que necesita para ejecutarse, ya sea de manera intermitente o de forma permanente, debido a la prioridad dada a otros procesos.

Secuencial vs Concurrente vs Paralelo

nykolaiperez — 2024-02-06 15:42:57 UTC

Secuencial:

La ejecución sigue una secuencia lineal de instrucciones.

Cada instrucción se ejecuta una después de la otra, en orden.

Un solo flujo de control de ejecución.

Concurrente:

Ejecución de múltiples tareas que avanzan simultáneamente.

Pueden compartir recursos y coexistir en el tiempo.

Cada tarea tiene su propio flujo de control de ejecución.

Paralelo:

Ejecución simultánea de múltiples tareas en diferentes núcleos de CPU o unidades de procesamiento.

Aprovecha la capacidad de sistemas con múltiples núcleos.

Cada tarea tiene su propio hilo de ejecución y se ejecuta de manera independiente.

Obse I: Concurrecia

nykolaiperez — 2024-02-06 15:43:46 UTC

Concepto de software no restringido a una arquitectura particular de hardware ni a un número determinado de procesadores.

5) ¿Qué es un programa concurrente?

nykolaiperez — 2024-02-06 15:44:39 UTC

Un programa concurrente especifica dos o más programas secuenciales que pueden ejecutarse concurrentemente en el tiempo como tareas o procesos.

Procesos vs Hilos

nykolaiperez — 2024-02-06 15:45:36 UTC

Un proceso o tarea es un elemento concurrente abstracto que puede ejecutarse simultáneamente con otros procesos o tareas, si el hardware lo permite.

Comunicación entre procesos

nykolaiperez — 2024-02-06 15:46:25 UTC

Dificilmente una tarea cooperativa se pueda llevar adelante sin comunicación, en todos los aspectos.

Memoria compartida

nykolaiperez — 2024-02-06 15:46:38 UTC

Los procesos intercambian información sobre la memoria compartida o actúan coordinadamente sobre datos residentes en ella. No pueden operar en simultaneo.

Pasaje de Mensajes

nykolaiperez — 2024-02-06 15:46:48 UTC

Es necesario establecer un canal (lógico o físico) para transmitir información entre procesos. También el lenguaje debe proveer un protocolo adecuado. Para que la comunicación sea efectiva los procesos deben “saber”
cuándo tienen mensajes para leer y cuando deben trasmitir
mensajes.

Semáforos

nykolaiperez — 2024-02-06 15:47:27 UTC

Son un mecanismo de sincronización y control de acceso que se utiliza en programación concurrente para evitar condiciones de carrera y garantizar la exclusión mutua. Pueden ser binarios o de Contador.

Sincronización

nykolaiperez — 2024-02-06 15:48:07 UTC

Los procesos se SINCRONIZAN por exclusión mutua en el acceso a secciones críticas de código para no ejecutar simultáneamente, y por condición.

Exclusión mutua

nykolaiperez — 2024-02-06 15:48:34 UTC

Asegurar que sólo un proceso tenga acceso a un recurso compartido en un instante de tiempo. Si el programa tiene secciones críticas que pueden compartir más de un proceso, evita que dos o más procesos puedan encontrarse
en la misma sección crítica al mismo tiempo.

Condición

nykolaiperez — 2024-02-06 15:48:47 UTC

Permite bloquear la ejecución de un proceso hasta que se cumpla una condición dada. Ejemplo de los dos mecanismos de sincronización en un problema de utilización de un área de memoria compartida (buffer limitado con productores y consumidores)

Interferencia

nykolaiperez — 2024-02-06 15:49:40 UTC

Ocurre cuando dos o más hilos acceden y modifican un recurso compartido al mismo tiempo, lo que puede dar lugar a resultados inesperados y comportamientos no deterministas.

Prioridad

nykolaiperez — 2024-02-06 15:50:05 UTC

Un proceso que tiene mayor prioridad puede causar la
suspensión (pre-emption) de otro proceso concurrente.

Granularidad

nykolaiperez — 2024-02-06 15:50:15 UTC

Se refiere al tamaño o nivel de detalle de las tareas o unidades de trabajo que se ejecutan de manera concurrente en un sistema. En otras palabras, se trata de la medida de la cantidad de trabajo que se realiza como una unidad atómica independiente. La elección de la granularidad puede tener un impacto significativo en el rendimiento y la eficiencia de la ejecución concurrente. Fina vs Gruesa

4) Admnistración de recursos

nykolaiperez — 2024-02-06 15:58:55 UTC

Esto incluye la asignación de recursos compartidos, métodos de acceso a los recursos, bloqueo y liberación de recursos, seguridad y consistencia.

Equilibrio de acceso (fairness)

nykolaiperez — 2024-02-06 15:59:53 UTC

Una propiedad deseable en sistemas concurrentes es el equilibrio en el acceso a recursos compartidos por todos los procesos.

Overloading

nykolaiperez — 2024-02-06 16:00:38 UTC

A un proceso se le asigna recursos que implican más trabajo que el de otro.

Deadlock

nykolaiperez — 2024-02-06 16:01:38 UTC

Recursos reusables serialmente: los procesos comparten recursos que pueden usar con exclusión mutua.
Adquisición incremental: los procesos mantienen los recursos que poseen mientras esperar adquirir recursos adicionales.
No-preemption: una vez que son adquiridos por un proceso, los recursos no pueden quitarse de manera forzada sino que sólo son liberados voluntariamente.
Espera cíclica: existe una cadena circular (ciclo) de procesos tal que cada uno tiene un recurso que su sucesor en el ciclo está esperando adquirir.

6) ¿Cuándo un lenguaje es Concurrente?

nykolaiperez — 2024-02-06 16:02:27 UTC

Requerimientos de un lenguaje de programación concurrente:
Indicar las tareas o procesos que pueden ejecutarse concurrentemente.
Mecanismos de sincronización.
Mecanismos de comunicación entre los procesos.

Problemas

nykolaiperez — 2024-02-06 16:02:58 UTC

Los procesos no son independientes y comparten recursos.

Los procesos iniciados en un programa concurrente pueden no estar vivos LIVENESS.

No es deterministico. Dificil el debug.

Más tiempo de desarrollo.

Posible reducción de performance por el OVERHEAD

Obs II: Concurrencia - Paralelismo

nykolaiperez — 2024-02-06 16:04:05 UTC

La Concurrencia es un concepto de software (propiedad del
programa)La Programación Paralela se asocia con la ejecución concurrente en múltiples procesadores que pueden tener memoria compartida, y con un objetivo de incrementar performance (propiedad de la máquina). La Programación Distribuida es un “caso” de concurrencia con
múltiples procesadores y sin memoria compartida.

7) Concurrencia de hardware

nykolaiperez — 2024-02-06 18:04:57 UTC

Esto implica el uso de técnicas y características de hardware diseñadas para permitir la ejecución concurrente de instrucciones y procesos.

Límites

nykolaiperez — 2024-02-06 18:05:21 UTC

Máquinas monoprocesador ya no pueden mejorar.

Más procesadores por chip para mayor potencia de cómputo.

Multicores → Cluster de multicores → Consumo.

Uso eficiente

nykolaiperez — 2024-02-06 18:05:40 UTC

Programación concurrente y paralela.

Niveles de memoria

nykolaiperez — 2024-02-06 18:06:17 UTC

Jerarquía de memoria. ¿Consistencia?

Diferencias de tamaño y tiempo de acceso.

Localidad temporal y espacial de los datos.

Distintas maquinas

nykolaiperez — 2024-02-06 18:06:57 UTC

Memoria compartida

nykolaiperez — 2024-02-06 18:07:06 UTC

Interacción modificando datos en la memoria compartida.

Memoria distribuida

nykolaiperez — 2024-02-06 18:07:14 UTC

Procesadores conectados por una red.

Memoria local (no hay problemas de consistencia).

Interacción es sólo por pasaje de mensajes.

UMA - NUMA

nykolaiperez — 2024-02-06 18:12:45 UTC

Esquemas UMA con bus o crossbar switch (SMP, multiprocesadores simétricos).

Problemas de sincronización y consistencia.

Esquemas NUMA para mayor número de procesadores distribuidos

8) Historia

nykolaiperez — 2024-02-06 18:15:48 UTC

Inicio de la Computación:
- En los primeros días de la informática, las computadoras eran sistemas uniprocesador que ejecutaban una única tarea a la vez. La concurrencia no era un concepto relevante en este contexto.
Multiprogramación:
- Con la introducción de la multiprogramación en la década de 1960, las computadoras comenzaron a ejecutar múltiples programas en paralelo. Sin embargo, estos programas no se ejecutaban simultáneamente en el nivel de instrucciones individuales, sino que se alternaban rápidamente.
Multiprocesadores:
- A medida que la tecnología avanzaba, surgieron los sistemas multiprocesadores a finales de la década de 1960 y principios de la década de 1970. Estos sistemas tenían la capacidad de ejecutar múltiples tareas simultáneamente, distribuyendo la carga de trabajo entre varios procesadores.
Desarrollo de Técnicas de Sincronización:
- En la década de 1970, se comenzaron a desarrollar técnicas de sincronización más avanzadas para gestionar la concurrencia, incluyendo la introducción de semáforos y mutex.
Desarrollo de Modelos de Concurrencia:
- A medida que los sistemas se volvían más complejos, se desarrollaron modelos de concurrencia para ayudar a entender y gestionar la ejecución concurrente. Modelos como el modelo de actores y el modelo de memoria transaccional surgieron para abordar aspectos específicos de la concurrencia.
Avances en Hardware:
- A lo largo de las décadas de 1980, 1990 y 2000, los avances en la tecnología de hardware llevaron al desarrollo de sistemas con múltiples núcleos de procesador. Esto permitió una mayor concurrencia a nivel de hardware con la ejecución simultánea de múltiples hilos.
Programación Concurrente y Paralela:
- La programación concurrente y paralela se volvió más común con el auge de sistemas con múltiples núcleos y la necesidad de aprovechar al máximo los recursos disponibles. Lenguajes de programación modernos, como Java y Python, incluyen bibliotecas y constructores para facilitar la programación concurrente.
Desarrollo de Tecnologías como Hyper-Threading:
- Tecnologías como Hyper-Threading, introducidas por Intel, permiten que un solo núcleo de procesador ejecute múltiples hilos de manera simultánea, mejorando la eficiencia de la ejecución.

Cooperación

nykolaiperez — 2024-02-06 18:54:53 UTC

Los procesos se combinan para la tarea. Sincronización fundamental.

Inanición

nykolaiperez — 2024-02-07 00:54:55 UTC

No logra acceder a los recursos compartidos

Conceptos

nykolaiperez — 2024-02-13 21:17:26 UTC