Programação Concorrente Unidade 1 Definições e Conceitos.

Programação Concorrente

Unidade 1Definições e Conceitos

Motivação

• Por que estudar programação concorrente?– O mundo a nossa volta funciona concorrentemente

• Exemplo: ao mesmo tempo estamos...– Respirando– Lendo– Escrevendo– Assistindo a essa apresentação, etc.

– Os computadores atuais também trabalham de forma concorrente

• Ao mesmo tempo eles...– Imprimem um documento– Exibem na tela um texto– Salvam informações no disco, etc.

Motivação

• Por que estudar programação concorrente?– Determinados problemas demoram muito para serem

resolvidos de forma seqüencial, seja devido ao tempo de execução muito longo ou à necessidade de muita memória

• Física Astronômica: Movimentação de corpos celestes• Meteorologia: Previsão do tempo• Genética: Genoma humano• Farmacologia: Produção de novos medicamentos• Processamento de Imagens

– Processadores disponíveis hoje• Bastante rápidos e relativamente baratos (custo/benefício)• Podem ser utilizados em paralelo

– Evitar “ociosidade” de hardware

Motivação

• Por que estudar programação concorrente?– Redução do tempo total de processamento de um programa

• O desempenho de um programa pode ser melhor se o mesmo for executado em mais de um processador

– Disponibilidade de Serviços e Tolerância a Falhas• Processamento executando em vários processadores

Limitações

• Limitações– Introduz não-determinismos na execução do programa– Introduz sobrecarga devido à criação, escalonamento e

sincronização na execução das tarefas– Determinação de concorrência/paralelismo fica a cargo do

programador• Não há ferramentas que identifiquem ocorrência de paralelismo

em aplicações genéricas e gerem código eficiente

Concorrência X Paralelismo X Distribuição

• Programação Concorrente– Processamento simultâneo que não requer múltiplos

processadores

• Programação Paralela– Processamento executado em múltiplos processadores

compartilhando memória

• Programação Distribuída– Processamento executado em múltiplos processadores sem

compartilhamento de memória (em uma rede de computadores, por exemplo)

• As duas últimas podem ser entendidas como subclasses da primeira


• Concorrência Implícita– Operações que são executadas em paralelo com a

execução do programa (impressão, leitura de disco)

• Concorrência Explícita– Comportamento determinado pelo projetista/programador

do programa

• Neste curso, obviamente, nos deteremos no estudo da concorrência explícita


• Programa Sequencial– Especifica uma execução de uma lista de declarações em

sequência– Impõe uma ordenação total na execução das declarações

• Programa Concorrente– Formado por unidades concorrentes, ou seja, módulos que

não precisam ser executados antes ou depois de outros módulos do programa

– Não-determinista• Impõe uma ordenação parcial, pois o programa não tem total

controle sobre a execução das unidades concorrentes

Fluxo de Execução

Execução seqüencial• Comandos de controle de fluxo

de execução– Seqüencial– Condicional– Iterativo

• Requisição de execução de unidades– explícita:chamada de

métodos– implícita: ativação de

exceções• Programa controla a ordem de

execução

Execução concorrente• Cada tarefa é uma unidade de

execução autônoma • Tarefas podem ser totalmente

independentes– Exemplo: execução de um mesmo

método sobre dois objetos (da mesma classe)

• Tarefas podem necessitar comunicação

• Programa não controla a ordem de execução

Fluxo Sequencial X Concorrente

Vários fluxos de execuçãoFluxo único de execução

tarefa 1

tarefa 2

tarefa 3

tarefa 1 tarefa 2 tarefa 3

cada fluxo possui uma pilha de execução

Interação entre Processos

• Todo programa concorrente envolve a interação entre processos– Processos competem para obter acesso exclusivo aos

recursos compartilhados, como dispositivos e dados– Processos se comunicam para a troca de dados

• Nesse caso, a palavra-chave é sincronização– Evitar conflito quando for necessário obter um recurso– Estabelecer comunicação quando na troca de dados

• Interação entre processos– Variáveis compartilhadas– Passagem de mensagens de um processo para outro

Gerenciamento de Recursos

• Recurso compartilhado– Um processo deve adquiri-lo antes de usá-lo– Deve liberá-lo quando seu uso não for mais necessário– Se o processo não puder obter o recurso desejado, ele deve

ficar suspenso até que o recurso esteja disponível– Mais de um recurso pode ser obtido simultaneamente– Alguns recursos podem ser obtidos enquanto outros

processos o estão compartilhando– Processos podem visualizar dados, mas somente um deles pode

alterá-los

Comunicação entre Processos

• Síncrona– Processos sincronizam a troca de dados– Um processo receptor precisa estar pronto para receber os

dados do emissor

• Assíncrona– Processos podem enviar dados para outros mesmo que

esses não estejam prontos para recebê-los– Uso de buffer de comunicação compartilhado

Problemas de Concorrência

• Violação de exclusão mútua– Algumas operações em um programa podem falhar quando

executadas por dois ou mais processos simultaneamente– A esta parte do código do programa chamamos de região

crítica ou seção crítica– Quando um processo está na região crítica, todos os

demais processos ficam aguardando até que este finalize seu trabalho

– Cabe ao desenvolvedor do programa analisar quais as áreas onde deverão ocorrer a exclusão mútua e controlá-las


• Deadlock– Um processo está em deadlock, quando está esperando por

um evento que NÃO vai acontecer– Geralmente é um problema associado ao gerenciamento de

recursos compartilhados– Quatro condições são necessárias para a ocorrência de

deadlock:– Processos devem ter acesso exclusivo ao recurso– Processos não liberam alguns recursos enquanto esperam por

outros– Recursos não podem ser removidos dos processos– Há uma corrente circular de processos onde cada um está com

um recurso que está sendo esperado por um outro processo na corrente

– Técnicas para evitar deadlock têm que quebrar pelo menos uma das condições acima


• Bloqueado indefinidamente– Um processo está nesse estado, quando está esperando

por um evento que PODE não acontecer– Processos com maior prioridade podem ser executados

sempre antes de processos com menor prioridade

• Erros Transientes– Na presença de não-determinismos, falhas em um

programa concorrente podem ocorrer de forma transiente, ou seja, um erro pode ou não ocorrer dependendo do fluxo seguido na execução do programa

– São difíceis de se detectar


• Geralmente, a interação é feita via variáveis compartilhadas ou pela passagem de mensagens

• Linguagens de programação tendem a oferecer suporte apenas a um tipo de interação acima

• Interação via variáveis compartilhadas– Manipuladas dentro de uma região crítica– Exclusão mútua deve ser implementada

Adquirir acesso exclusivo à região crítica

Liberar o acesso exclusivo à região crítica

REGIÃO CRÍTICA


• Os principais caminhos para prover essa proteção são:– Variáveis de status

• Indica se uma região está ou não ocupada por um processo• A própria variável de status requer acesso exclusivo• Isso pode ser feito por uma operação atômica (sem

interrrupção) que inspecione a variável e altere o seu valor• Apesar de simples, não é muito usado e pode causar

problemas– Semáforos

• É uma abstração de mais alto nível para as variáveis de status

Interação entre Processos (Semáforos)

– Exemplo: Produtor X Consumidor

Produtor- produz item- coloca item no buffer,se não estiver cheio

Consumidor:- busca item no buffer, se não estiver vazio- consome item

BUFFER de ITENS

aguarda se cheio aguarda se vazio


código de acesso a recursos compartilhados

FILA


• Aguarda / Bloqueia: P(semáforo S)se S.contador > 0então decrementa S.contadorsenão coloca a tarefa na S.fila, tenta transferir o controle para

alguma tarefa apta; se não existir tarefa apta, ocorre deadlock• Continua / Libera: V (semáforo S)

se se S.contador > 0então incrementa S.contadorsenão coloca a tarefa como apta e transfere o controle para uma

tarefa da S.fila

Process Produtor; Process Consumidor;Var i: integer; Var i: integer;begin begin loop loop produz(i); P(nãovazio); P(nãocheio); P(exclusão); P(exclusão); retira(i); coloca(i); V(exclusão); V(exclusão); V(nãocheio); V(nãovazio); consome(i); end loop; end loop;end; end;

código crítico

exclusão

nãocheio

nãovazio



Process Produtor; Process Consumidor;Var i: integer; Var i: integer;begin begin loop loop produz(i); P(exclusão); P(nãocheio); P(nãovazio); P(exclusão); retira(i); coloca(i); V(exclusão); V(exclusão); V(nãocheio); V(nãovazio); consome(i); end loop; end loop;end; end;

exemplo: inverter ordem

Programação Concorrente Unidade 1 Definições e Conceitos.

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