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Paradigmas de resolución de programas concurrentes
Cliente–servidor es el esquema dominante en las aplicaciones de procesamiento distribuido. Los servidores son procesos que esperan pedidos de servicios de múltiples clientes. Naturalmente unos y otros pueden ejecutarse en procesadores diferentes. Los mecanismos de invocación son variados (rendezvous y RPC por ejemplo). El soporte distribuido puede ser muy simple (LAN) o extendido a toda la WEB.
En los esquemas de pares que interactúan los procesos (que forman parte de un programa distribuido) resuelven partes del problema (normalmente mediante código idéntico) e intercambian mensajes para avanzar en la tarea. El esquema permite mayor grado de asincronismo que C-S.
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Procesamiento Secuencial y Concurrente.
Analizar la resolución secuencial y mono-procesador (UNA máquina) de la fabricación de un objeto compuesto por N partes o módulos.
La solución secuencial nos fuerza a establecer un estricto orden temporal. Al disponer de sólo una máquina el ensamblado final del objeto sólo se podrá realizar luego de N pasos de procesamiento o fabricación.
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Procesamiento Secuencial y Concurrente.
Ahora supongamos que tenemos N máquinas, una por componente o módulo a fabricar para ensamblar el objeto. Si no hubiera dependencia de la materia prima, cada una de las N máquinas puede trabajar al mismo tiempo===>MENOR tiempo para completar el proceso===>Paralelismo del hardware.
Dificultades: Distribución de la carga de trabajo, Necesidad de compartir recursos, Necesidad de esperarse en puntos clave, Necesidad de comunicarse, Dificultad con las fallas aisladas, Asignación de una de las N máquinas para efectuar el ensamblado final (Cual??).
Un concepto importante que surge de este ejemplo es el de Speed-Up.
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Procesamiento Secuencial y Concurrente.
Hemos visto la solución secuencial directa y la solución paralela (multiplicando el hardware) en el problema de la fabricación de un objeto (sistema) de múltiples componentes (módulos). Ahora supongamos otro enfoque: una sóla máquina le dedica una parte del tiempo a cada componente del objeto final===> Concurrencia sin paralelismo de hardware===> Menor speed-up.
Dificultades: Distribución de la carga de trabajo, Necesidad de compartir recursos, Necesidad de esperarse en puntos clave, Necesidad de comunicarse, Dificultad con las fallas de software aisladas, Necesidad de recuperar el “estado” de cada proceso al retomarlo.
La concurrencia es un concepto de software no restringido a una arquitectura particular de hardware ni a un número determinado de procesadores.
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Programa Concurrente
Un programa concurrente especifica dos o más programas secuenciales que pueden ejecutarse concurrentemente en el tiempo como tareas o procesos.
Un proceso o tarea es un elemento concurrente abstracto que puede ejecutarse simultáneamente con otros procesos o tareas, si el hardware lo permite. (recordar los TASKs de ADA).
Un programa concurrente puede tener N procesos habilitados para ejecutarse concurrentemente y un sistema concurrente puede disponer de M procesadores cada uno de los cuales puede ejecutar uno o más procesos.
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Objetivos de los sistemas concurrentes
Ajustar el modelo de arquitectura de hardware y software al problema del mundo real a resolver.
Incrementar la perfomance, mejorando los tiempos de respuesta de los sistemas de procesamiento de datos, a través de un enfoque diferente de la arquitectura física y lógica de las soluciones.
Algunas ventajas que merecen comentarse son la velocidad de ejecución que se puede alcanzar, la mejor utilización de la CPU de cada procesador, y la explotación de la concurrencia inherente a la mayoría de los problemas reales.
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Areas de estudio en Programación Concurrente
ELECCION DE LA GRANULARIDAD :
Significa optimizar (para una dada aplicación) la relación entre el número de procesadores y el tamaño de la memoria total.
MANEJO DE LOS RECURSOS:
Asignación de recursos compartidos, métodos de acceso a los recursos, bloqueo y liberación de recursos, seguridad y consistencia de los recursos.
SINCRONIZACIÓN:
Se debe asegurar el orden correcto (incluyendo el tiempo) de las acciones que los procesos ejecutan. Este orden es dinámico e interdependiente.El objetivo de la sincronización es restringir las “historias”o “threads” de un programa concurrente sólo a las permitidas.
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Sincronización en Programación Concurrente
Sincronización por exclusión mútua
Significa 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, la exclusión mútua evita que dos o más procesos puedan encontrarse en la misma sección crítica al mismo tiempo.
Sincronización por condición:
Debe permitir bloquear la ejecución de un proceso hasta que se cumpla una condición dada.
Ejemplos de los dos mecanismos de sincronización en un problema de utilización de un área de memoria compartida (buffer limitado con productores y consumidores).
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Comunicación y Prioridad en Programación Concurrente
La comunicación entre procesos concurrentes indica el modo en que se organiza y trasmiten datos entre tareas concurrentes.
Esta organización requiere especificar protocolos para controlar el progreso y corrección de la comunicación.
Los protocolos deben contemplar la posibilidad de pérdida de información.
Un proceso que tiene mayor prioridad puede causar la suspensión (pre-emption) de otro proceso concurrente. Análogamente puede tomar un recurso compartido, obligando a retirarse a otro proceso que lo tenga en un instante dado.
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Conceptos relacionados con la Programación Concurrente
Dos o más procesos pueden entrar en deadlock, si por un error en la programación concurrente ambos se quedan esperando que el otro libere un recurso compartido.La ausencia de deadlock es una propiedad necesaria en los procesos concurrentes.
Una propiedad deseable en los sistemas concurrentes es el equilibrio en el acceso a los recursos compartidos por todos los procesos (fairness).
Dos situaciones NO deseadas en los programas concurrentes son la inanición de un proceso (no logra acceder a los recursos compartidos) y el overloading de un proceso (la carga asignada excede su capacidad de procesamiento).
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Desventajas de la Programación Concurrente
En Programación Concurrente los procesos no son completamente independientes y comparten recursos. La necesidad de utilizar mecanismos de exclusión mútua y sincronización agrega complejidad a los programas ===> menor confiabilidad.
Los procesos iniciados dentro de un programa concurrente pueden NO estar “vivos”. Esta pérdida de la propiedad de liveness puede indicar deadlocks o una mala distribución de recursos.
La comunicación y sincronización produce un overhead de tiempo, inútil para el procesamiento ? Perder perfomance
Hay un no determinismo implícito en el interleaving de los procesos concurrentes. Esto significa que dos ejecuciones del mismo programa no necesariamente son idénticas ===> dificultad para la interpretación y debug.
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Problemas asociados con la Programación Concurrente
La mayor complejidad en la especificación de los procesos concurrentes significa que los lenguajes de programación tienen requerimientos adicionales. ===> mayor complejidad en los compiladores y sistemas operativos asociados.
Aumenta el tiempo de desarrollo y puesta a punto respecto de los programas secuenciales. También puede aumentar el costo de los errores ===> mayor costo de los ambientes y herramientas de Ingeniería de Software de sistemas concurrentes.
Para obtener una real mejora de perfomance, se requiere adaptar el software concurrente al hardware paralelo.
La paralelización de algoritmos secuenciales NO es un proceso directo, que resulte fácil de automatizar.
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Mecanismos de comunicación y sincronización entre procesos.
Memoria compartida:
Los procesos intercambian mensajes sobre la memoria compartida o actúan coordinadamente sobre datos residentes en ella. Lógicamente los procesos no pueden operar simultáneamente sobre la memoria compartida, lo que obligará a BLOQUEAR y LIBERAR el acceso a la memoria.
La solución más elemental será una variable de control tipo “semáforo” que habilite o no el acceso de un proceso a la memoria compartida.
Pasaje de Mensajes:
Es necesario establecer un “canal” (lógico o físico) para trasmitir información entre procesos. También el lenguaje debe proveer un protocolo adecuado.
Para que la comunicación sea efectiva los procesos deben “saber” cuando tienen mensajes para leer y cuando deben trasmitir mensajes.
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Mecanismos de comunicación y sincronización entre procesos.
Independientemente del mecanismo de comunicación / sincronización entre los procesos, los lenguajes de programación concurrente deberán proveer primitivas adecuadas para la especificación e implementación de las mismas.
De un lenguaje de programación concurrente se requiere:
Indicar las tareas o procesos que pueden ejecutarse concurrentemente.
Mecanismos de exclusión mútua.
Mecanismos de comunicación entre los procesos.
Recordar el ejemplo de ADA.
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Resumen de conceptos
La Concurrencia es un concepto de software.
La Programación Paralela se asocia con la ejecución concurrente en múltiples procesadores que pueden tener memoria compartida.
La Programación Distribuída es un “caso” de concurrencia con múltiples procesadores y sin memoria compartida.
En Programación Concurrente la organización de procesos y procesadores constituyen la arquitectura del sistema concurrente.
Especificar la concurrencia es esencialmente especificar los procesos concurrentes, su comunicación y sincronización.
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Paradigmas de resolución de programas concurrentes
Si bien el número de aplicaciones es muy grande, en general los “patrones” de resolución concurrente son pocos:
1-Paralelismo iterativo, 2-paralelismo recursivo, 3-productores y consumidores, 4-clientes y servidores, 5-pares que interactúan.
En el paralelismo iterativo un programa tiene un conjunto de procesos (posiblemente idénticos) cada uno de los cuáles tiene uno o más loops. Es decir cada proceso es un programa iterativo.
La idea es que si estos procesos cooperan para resolver un único problema (ejemplo un sistema de ecuaciones) pueden trabajar independientemente y sincronizar por memoria compartida o envío de mensajes.
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Paralelismo iterativo: multiplicación de matrices.
La solución secuencial:
double a[n,n], b[n,n], c[n,n];
for [i = 0 to n-1] {
for [j = 0 to n-1] {
# compute inner product of a[i,*] and b[*,j]
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
}
El loop interno (índice k) calcula el producto interior de la fila i de la matriz a por la columna j de la matriz b y obtiene c[i,j].
Acciones paralelas posibles…
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Multiplicación de matrices. Paralelismo por filas o columnas.
co [i = 0 to n-1] { # Calcula las filas en paralelo
for [j = 0 to n-1] {
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
}
co [j = 0 to n-1] { # Calcula las columnas en paralelo
for [i = 0 to n-1] {
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
}
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Multiplicación de matrices. Ahora con n2 procesos.
co [i = 0 to n-1, j = 0 to n-1] { # TODAS las filas y columnas
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
co [i = 0 to n-1] { # FILAS en paralelo
co [j = 0 to n-1] { # COLUMNAS en paralelo
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
}
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Multiplicación de matrices. P procesadores con N/P > 1.
Un procesador WORKER se encargará de un subconjunto de filas o columnas de la matriz resultado. El tamaño del “strip” óptimo es un problema muy interesante para balancear costo de procesamiento con costo de comunicaciones.
process worker[w = 1 to P] { # strips en paralelo
int first = (w-1) * n/P; # Primer fila del strip
int last = first + n/P – 1; # Ultima fila del strip
for [i = first to last] {
for [j = 0 to n-1] {
c[i,j] = 0.0;
for [k = 0 to n-1]
c[i,j] = c[i,j] + a[i,k]*b[k,j];
}
}
}
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Aspectos de la Programación Secuencial
Toda la Programación Secuencial se puede expresar con 3 clases de instrucciones básicas: ASIGNACIÓN, ALTERNATIVA (decisión) e ITERACION (repetición con condición).
? asignación simple: x = e,
? sentencia compuesta asignación: x = x + 1; y = y – 1; z= x+y;
? swap: v1 :=: v2
? skip Termina inmediatamente y no tiene efecto sobre ninguna variable de programa.
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Aspectos de la Programación Secuencial
? Sentencias de alternativa: IF B ? S
B expresión booleana (condición),
S una instrucción simple o compuesta
B “guarda” a S pues S no se ejecuta si B no es verdadera.
Puede existir una condición ELSE para ¬B.
En muchos casos pueden existir alternativas múltiples (CASE)
Las guardas son evaluadas en algún orden arbitrario.
Elección no determinística.
Si ninguna B es verdadera, el IF no tiene efecto
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Aspectos de la Programación Secuencial
? Sentencias de alternativa iterativa múltiple:
DO B1 ? S1
B2 ? S2
…….
Bn ? Sn
OD
Las sentencias guardadas son evaluadas y ejecutadas hasta que todas las guardas sean falsas.
(relacionar con el SELECT –ACCEPT de ADA).
La elección es no determinística si más de una guarda es verdadera.
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Aspectos de la Programación Secuencial
La repetición e iteración tienen una forma general que se puede expresar con una instrucción del tipo FOR-ALL:
FA cuantificadores =? Secuencia de Instrucciones AF
Cada cuantificador especifica un rango de valores para una variable de iteración (con un rango y una condición Such That):
variable = expr_inicial to expr_final st B
El cuerpo del for-all se ejecuta una vez por cada valor de la variable de iteración.
Si hay cláusula such-that, la variable de iteración toma sólo los valores para los que B es verdadera.
Si hay más de un cuantificador el cuerpo del fa se ejecuta para cada combinación de valores.
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Concurrencia y Sincronización
Programa concurrente ? dos o más procesos cooperantes.
Múltiples threads de control (en el mismo t ?), uno por cada proceso.
Los procesos interactúan comunicándose ? sincronización
Problema ? interferencia: un proceso toma una acción que invalida las suposiciones hechas por otro proceso.
co S1 // ….. // Sn oc ejecuta las Si concurrentemente
La ejecución del co termina cuando todas las Si teminaron
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Acciones atómicas y sincronización
Ejecución de un programa concurrente ? interleaving de las acciones atómicas ejecutadas por procesos individuales
Interacción ? no todos los interleavings son aceptables.
La sincronización debe prevenir los interleavings indeseables.
Sincronizar => Combinar acciones atómicas de grano fino (fine-grained) en acciones (compuestas) de grano grueso (coarse grained) que den la exclusión mutua.
Sincronizar=> Demorar un proceso hasta que el estado de programa satisfaga algún predicado (por condición).
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Acciones atómicas y sincronización. Atomicidad de grano fino.
Acción atómica ? hace una transformación de estado indivisible
Los estados intermedios en la implementación de la acción no deben ser visibles para los otros procesos
=? Se debe implementar por Hardware.
Analicemos la atomicidad de la operación de asignación…
a:=b
La lectura y escritura de las variables x,y,z son atómicas.
y = 1; x = 0; z=2;
co x = y + z // y = x + y // z = 4 oc
=? Analicemos los posibles resultados si tenemos tres procesadores ejecutando los procesos concurrentes (no necesariamente de la misma velocidad)
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Acciones atómicas y sincronización. Atomicidad de grano fino.
Cuáles serían los posibles “threads” del programa concurrente especificado??
Qué sucedería si tenemos un cambio en el tercer proceso:
y = 1; x = 0; z=2;
co x = y + z // y = x + y // z = z – 1 oc
Se podría probar corrección??
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Acciones atómicas y sincronización
En lo que sigue, supondremos máquinas con las siguientes características:
Los valores de los tipos básicos se almacenan en elementos de memoria leídos y escritos como acciones atómicas
Los valores se cargan en registros, se opera sobre ellos, y luego se almacenan los resultados en memoria
Todo resultado intermedio de evaluar una expresión se almacena en registros o en memoria privada del proceso
Cada proceso tiene su propio conjunto de registros
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Acciones atómicas y sincronización
=? Si una expresión e en un proceso no referencia una variable alterada por otro proceso, la evaluación será atómica, aunque requiera ejecutar varias acciones atómicas de grano fino.
? Si una asignación x=e en un proceso no referencia ninguna variable alterada por otro proceso, la ejecución de la asignación será atómica
? De algún modo habrá que “proteger” la variable compartida o especificar un orden de precedencia en las posibles operaciones concurrentes.
Pero… normalmente los programas concurrentes no son disjuntos
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Especificación de la sincronización.
En general, necesitamos ejecutar secuencias de sentencias como una única acción atómica
=?Mecanismo de sincronización para construir una acción atómica de grano grueso (coarse grained) como secuencia de acciones atómicas fine grained que aparecen como indivisibles.
En lo que sigue ?e? indica que la expresión e debe ser evaluada atómicamente
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Especificación de la sincronización.
await se debe implementar en su forma más general (exclusión mutua y sincronización por condición)
Sólo exclusión mutua ? ?S?
Ejemplo: ? x = x + 1 ; y = y + 1 ?
El estado interno en el cual x e y son incrementadas resulta invisible a los otros procesos que referencian x o y.
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Especificación de la sincronización.
Sincronización por condición ? ? await B ?
Ejemplo: ? await count > 0 ?
?await B? puede ser implementado como busy waiting o spinning:
do (not B) ? skip od
Acción atómica incondicional ? no contiene una condición B
Acción atómica condicional ? sentencia await con guarda B
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Propiedades de seguridad(safety) y vida(liveness) en Concurrencia
Una propiedad de un programa concurrente es un atributo que resulta verdadero para cualquiera de los threads de ejecución del mismo.
Toda propiedad puede ser formulada en términos de dos clases de propiedades: seguridad y vida.
La clase de propiedades de “seguridad” se refiere a la NO ocurrencia de eventos “malos”.
Por ejemplo son clásicas las propiedades de seguridad ausencia de deadlock y ausencia de interferencia (exclusión mútua) entre procesos.
La clase de propiedades de “vida” se refiere a la posibilidad de ocurrencia de eventos “buenos”. Por ejemplo son clásicas: asegurar que un pedido de servicio será atendido, asegurar que un mensaje llega a destino, que un proceso eventualmente alcanzará su sección crítica, etc=> dependen de las políticas de scheduling.
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Propiedades de procesos concurrentes
Fairness: trata de garantizar que los procesos tengan chance de avanzar, sin importar lo que hagan los demás
Una acción atómica en un proceso es elegible si es la próxima acción atómica en el proceso que será ejecutado
Si hay varios procesos, hay varias acciones atómicas elegibles
Una política de scheduling determina cuál será la próxima en ejecutarse
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Propiedades de procesos concurrentes
Fairness Incondicional. Una política de scheduling es incondicionalmente fair si toda acción atómica incondicional que es elegible eventualmente es ejecutada.
Fairness Débil. Una política de scheduling es débilmente fair si es incondicionalmente fair y toda acción atómica condicional que se vuelve elegible eventualmente es ejecutada si su guarda se convierte en true y de allí en adelante permanece true.
No es suficiente para asegurar que cualquier sentencia await elegible eventualmente se ejecuta: la guarda podría cambiar el valor (de false a true y nuevamente a false) mientras un proceso está demorado. (Recordar el caso de lectores-escritores de ADA)
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Propiedades de procesos concurrentes
Fairness Incondicional. Una política de scheduling es incondicionalmente fair si toda acción atómica incondicional que es elegible eventualmente es ejecutada.
Fairness Fuerte: Una política de scheduling es fuertemente fair si es incondicionalmente fair y toda acción atómica condicional que se vuelve elegible eventualmente es ejecutada pues su guarda se convierte en true con infinita frecuencia.
Relacionar lo anterior con los esquemas de scheduling que tienen “memoria”para favorecer a los procesos retrasados==> Prioridad dinámica.
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