Programao Concorrente Aula 01 Prof Andr Luis Meneses

Programação Concorrente Aula 01 Prof: André Luis Meneses Silva

Conteúdo • • O que é Motivação Conceitos Processos Threads Propriedades Safety Liveness

Programação Concorrente [ O que é ] • “Um programa concorrente é um conjunto de programas seqüenciais comuns que são executados em um paralelismo abstrato” (M. Bem-Ari)

Programação Concorrente [ O que é ] • “Um programa concorrente especifica 2 ou mais processos que cooperam para realizar uma tarefa. Processos cooperam através de comunicação; utilizam variáveis compartilhadas ou troca de mensagens“(G. R. Andrews)

Programação Concorrente [ Motivação ] • Aproveitar hardware com múltiplos processadores • Atender a vários usuários simultaneamente • Melhorar o desempenho das aplicações • Aumentar a disponibilidade para o usuário • Objetos ativos e controle de atividades • Programas paralelos

Programação Concorrente [ Conceitos ] • Paralelismo – Processamento simultâneo físico • Concorrência – Processamento simultâneo lógico (aparente) – Requer entrelaçamento (interleaving) de ações • Processo – Execução de um programa • Programa Concorrente – Vários processos que cooperam para a realização de uma tarefa

Programação Concorrente [ Conceitos ] • Comunicação – Variáveis compartilhadas – Passagem de mensagens • Sincronização – Exclusão mútua de seções críticas – Sincronização por condição • Estado de um programa concorrente – Consiste dos valores das variáveis (explícitas e implícitas) – A execução de um comando muda o estado • Ações atômicas – Transformação indivisível de estado

Programação Concorrente [ Processos ] • Um processo é um programa que está em algum estado de execução • Tem espaço de endereçamento próprio, que é mapeado pelo S. O. para memória física • Possui um fluxo de controle ou thread único • Mantém um contador de programa (PC) que indica o endereço da próxima instrução • A MMU (Memory Management Unit) traduz os endereços lógicos em endereços físicos, que normalmente não são contíguos (Memória Virtual)

Programação Concorrente [ Processos ] • Espaço de Endereçamento Lógico Pilha Espaço de Endereçamento Lógico de um Processo Heap Dados Globais Instruções

Programação Concorrente [ Processos ] • Tabela de Processos – Estado do processo – Valores dos registradores – Arquivos abertos – Alocação de memória – PID (Process ID) – UID (User ID) – GID (Owner’s Group ID)

Programação Concorrente [ Processos ] • Estados de um processo – Executando (Running): Utilizando a CPU – Executável ou Pronto (Runnable ou Ready): Esperando para ser escalonado para usar a CPU – Suspenso (Suspended): Recebeu um sinal para ser suspenso – Bloqueado (Blocked): Esperando pela conclusão de algum serviço solicitado ao S. O.

Programação Concorrente [ Processos ] Ativo Bloqueado Executável Executando Encerrado Iniciado Suspenso

Programação Concorrente [ Threads ] • Um processo pode ter mais de uma Thread (Linha) • Cada Thread possui contador de programa e pilha próprios • Quando um processo é escalonado para ser executado, uma das Threads entra em execução • As Threads compartilham as variáveis globais do processo

Programação Concorrente [ Threads ] Espaço de Endereçamento de um Processo Pilha Thread 1 Thread 2 Thread n Pilha Contador de Programa Heap Variáveis Globais Instruções

Programação Concorrente [ Threads ] • Vantagens sobre processos compartilhando memória – São muito mais leves de serem criadas – A troca de contexto é mais suave pois compartilha instruções, heap e variáveis globais – Facilitam o compartilhamento de memória

Threads [ Ciclo de Vida ] Intervalo de tempo expirou sleep Dormindo Encerrada escalonada Criada start Término Pronta Executando interrompida Operação de E/S concluída wait notify notity. All Operação de E/S iniciada Esperando Bloqueada

Threads [ Sincronização ] • Sincronizando Threads – Programação com múltiplas Threads requer bastante cuidado: • • Acesso / Atualização de variáveis compartilhadas Starvation Deadlock Acesso a estados inválidos de outros objetos

Threads [ Sincronização ] • Problema de acesso a variáveis compartilhadas – Várias Threads (representando os depósitos dos clientes) querendo atualizar (depositar um valor) uma mesma conta – Quando uma está lendo o saldo atual, uma outra Thread pode já ter lido esse valor e calculado o novo saldo, mas ainda não ter gravado o novo valor – Se nesse momento a primeira Thread gravar o valor, o saldo final será igual ao calculado pela Thread que gravar o novo valor por último (desconsiderando assim o depósito da Thread que encerrou primeiro). – O ideal é impedir que uma operação de depósito seja iniciada antes da outra encerrar

Threads [ Sincronização ] • A sincronização baseia-se na idéia de que para acessar um método sincronizado ou um entrar em um bloco sincronizado, é preciso obter (ou já ter) o lock desse objeto. • A Thread que conseguir esse lock é a única autorizada a acessar os recursos protegidos através de sincronização.

Programação Concorrente [ Propriedades ] • Safety: O programa nunca entra em um estado inconsistente) • Liveness: Em algum momento o programa entra em um estado consistente • Correção Parcial: Se o programa terminar, o resultado está correto. Caso contrário, nunca pode dar o resultado correto • Término: O programa termina eventualmente • Ausência de Deadlock: Nunca todos os processos estarão bloqueados • Correção Total: O programa sempre termina e produz o resultado correto

Safety [ Introdução ] • Objetos interagindo em múltiplas Threads normalmente provocam interferência • Programas concorrentes devem possuir 2 propriedades: – Safety: Nada de mau acontecerá durante a execução do programa. – Liveness: Algo de bom acontecerá durante a execução do programa.

Safety [ Introdução ] • Em geral há mais atenção sobre Safety na engenharia – É melhor que o programa não faça nada a ter um comportamento aleatório ou até perigoso • Liveness está relacionada ao progresso do programa • Em alguns casos é melhor obter uma informação imprecisa a não receber – Sistemas de Suporte a Decisão, Data Warehouse e Simulação de Trânsito • Melhorar a Liveness pode implicar em reduzir a Safety

Safety [ Objetos Seguros ] • Em programa OO, o controle de interferência é implementado de classe a classe • Objetos/variáveis podem entrar temporariamente em um estado inconsistente • Um objeto/variável é considerado seguro quando: – Seu estado consistente é sempre consistente – Operações não são realizadas enquanto está em um estado inconsistente

Safety [ Objetos Seguros ] • Há 3 estratégias conservadoras para projetar objetos/variáveis seguros: – Imutabilidade: evitar mudanças de estado – Sincronização: garantir acesso exclusivo dinamicamente – Contenção: garantir acesso exclusivo estruturalmente

Safety [ Imutabilidade ] • Variáveis de instância constantes (final em Java) • Encapsulamento • Não requer sincronização • Classes sem estado (stateless) – Como não há estado, não há interferência

Safety [ Sincronização ] • Um Objeto/variável sempre está pronto para sofrer modificações, mesmo quando ainda está no meio do processamento de alguma • Acesso a estados inconsistentes devem ser evitados: – Conflitos de leitura/escrita: vários lêem enquanto um escreve – Conflitos de escrita/escrita: vários lêem e escrevem ao mesmo tempo

Safety [ Sincronização ] • No contexto de OO, podemos ter: – Sincronização Total • Objetos totalmente sincronizados. Podem fazer apenas uma operações por vez – Sincronização Parcial • Parte do objeto é sincronizado. Somente métodos sincronizados são travados

Safety [ Contenção ] • Baseia-se na idéia de manter referências únicas para objetos internos isolados demais. • São acessados apenas através de métodos sincronizados do objeto no qual estão contidos, estando, portanto, protegidos. interno 1 externo 1 interno 2 subinterno 1

Safety [ Contenção ] • Recursos Exclusivos – Garante que somente um objeto por vez é “proprietário” do recurso exclusivo. Porém, a propriedade de um recurso pode mudar – Semelhanças com objetos físicos: • • Se você tem um, então pode usá-lo Se você tem um, ninguém mais pode tê-lo Se você da um para alguém, então deixa de tê-lo Se você destrói um, ninguém nunca mais o terá

Safety [ Contenção ] – É preciso definir um protocolo que garanta a exclusividade do recurso null serviço 1 vizinho serviço 0 vizinho serviço 3 null serviço 2 Recurso

Liveness [ Introdução ] • Projetos baseados em combinações de Imutabilidade, Sincronização e Contenção são abordagens simples, rápidas e de fácil entendimento para o desenvolvimento de programas concorrentes OO • Porém, essas técnicas nem sempre são a melhor solução • Utilização de Sincronização pode provocar problemas de Liveness (eficiência)

Liveness [ Falhas de Liveness ] • São tão sérias quanto falhas de Safety • São mais difíceis de identificar e evitar durante o projeto • Tipos de falhas – Contenção: uma thread, apesar de estar pronta para executar, não executa porque outra tomou recursos (também conhecida como starvation ou adiamento infinito)

Liveness [ Falhas de Liveness ] – Dormência: uma thread não pronta falha ao tentar passar para esse estado. – Deadlock: duas ou mais threads bloqueiam-se em um ciclo vicioso enquanto tentam acessar travas sincronizadas necessárias para continuar suas atividades – Término prematuro: uma thread é parada ou encerrada prematuramente

Liveness [ Análise de Variáveis de Instância ] • Através de análise de variáveis e métodos, é possível identificar oportunidades para reduzir a sincronização • Muitas vezes, a proteção implementada é exagerada

Liveness [ Análise de Variáveis de Instância ] • Acesso – Métodos de acesso podem deixar de ser sincronizados para permitir leitura durante a escrita – Condições para remover a sincronização: • A variável não pode assumir valores ilegais durante a execução dos métodos • Atribuição atômica

Liveness [ Análise de Variáveis de Instância ] • Atualização – Métodos de atualização podem abdicar da sincronização quando satisfaz, além das condições para acesso: • Valor da variável permanece consistente em todas as possíveis situações (Ex: atributo temperatura sendo atualizado constantemente por múltiplas threads) • Não requer ações especiais sincronizadas para certos valores assumidos pelas variáveis (Ex: reconstruir uma estrutura de dados após atingir um tamanho)

Referências • Concurrent Programming - Hartley (capítulo 1) • Concurrent Programming in Java - Lea (capítulo 1, 2 e 3)