2009/2010 dr. arno formella - universidade de vigo · 6 java 7 hilos de java 8 de programación...

CD

Concurrencia y Distribución2009/2010

Dr. Arno Formella

Departamento de InformáticaUniversidad de Vigo

09/10

CD

Concurrencia y Distribución I

1 Curso

2 Bibliografía

3 Antes de nada

4 Introducción

5 Programación concurrente

CD

Concurrencia y Distribución II

6 Java

7 Hilos de Java

8 De programación secuencial a programación concurrente

9 Exclusión mutua

10 Propriedades de programas concurrentes

11 Exclusión mutua a nivel alto

CD

Concurrencia y Distribución III

12 Problema del productor y consumidor

13 Arquitecturas que soportan la concurrencia

14 Comunicación y sincronización

15 Bloqueo

16 Concurrencia en memoria distribuida

17 Patrones de diseño para aplicaciones concurrentes

CD

Concurrencia y Distribución IV18 Tareas de programación

CD

Curso

datos

Asignatura

Teoría: los viernes, 12-14 horas, Aula 3.2Prácticas: 3 grupos, los martes 18-20 (SO5),

los miércoles 10-12 (31b), los vier-nes 10-12 (31b, en inglés)

Asignaturas vecinas: todo sobre Programación, Sis-temas Operativos, Procesamien-to Paralelo, Redes, Sistemas enTiempo Real, Diseño de Software

Prerrequisitos: programación secuencial, sistemasoperativos, algoritmos y estructurasde datos

CD

Curso

datos

Metodología

1 Clases magistrales donde se desarrollan los conceptosteóricos en pizarra y proyector

2 Clases en el laboratorio con herramientas y aplicacionespara ejercer los conocimientos adqueridos y usar los pararealizar tareas de resolución de problemas y observaciónde propiedades de programas concurrentes

3 Lectura asignada para repetir concocimiento y adquirir pormedios propios nuevos aspectos

4 Realización de ejercicios con entrega de la documentaciónen pequeños grupos

5 Presentación y defensa oral de los resultados obtenidosde las tareas

CD

Curso

datos

Carga de trabajo

Actividades Horas Factor Horas TOTALPres. NoPres.

Clase magistral con avan-ce teórico

26 0.5 13 39

Clase práctica en labora-torio en grupos

28 1 28 56

Coordinación en grupo,desarrollo de soluciones

0.5 15 7.5 8

Preparación de presenta-ciones

0.5 23 11.5 12

Preparación examen 0.5 15 7.5 8Examen final 2 0 0 2TOTAL 58 67 125

CD

Curso

evaluación

Evaluación

Evaluación: 80 % con un examen escrito al finaldel curso, teoría y práctica juntos20 % por trabajos realizados duran-te las prácticasse puede obtener 25 % de los pun-tos del examen final (de junio) conpresentaciones voluntarios durantelas prácticas

Créditos: 6 (3 teoría, 3 prácticas)

CD

Bibliografía

básica

Bibliografía I (de interés)

1 D. Lea. Programación Concurrente en Java.Addison-Wesley, ISBN 84-7829-038-9, 2001.

2 J.T. Palma Méndez, M.C. Garrido Carrera, F. SnchezFigueroa, A. Quesada Arencibia. ProgramaciónConcurrente. Thomson, ISBN 84-9732-184-7, 2003.

3 D. Schmidt, M. Stal, H. Rohnert, F. Buschmann.Pattern-Oriented Software Architecture, Pattern forConcurrent and Networked Objects. John Wiley & Sons,ISBN 0-471-60695-2, 2000.

4 G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg. SistemasDistribuidos, Conceptos y Diseño. Addison Wesley, ISBN84-7829-049-4, 2001.

5 M.L. Liu. Computación Distribuida Peason/AddisonWesley, ISBN 84-7829-066-4, 2004.

CD

Bibliografía

complementaria

Bibliografía II (clásica)

1 K. Arnold et.al. The Java Programming Language.Addison-Wesley, 3rd Edition, ISBN 0-201-70433-1, 2000.

2 B. Eckel. Piensa en Java. Prentice Hall, 2002.3 M. Ben-Ari. Principles of Concurrent and Distributed

Programming. Prentice-Hall, ISBN 0-13-711821-X, 1990.

CD

Bibliografía

adicional

Bibliografía III (antigua)

1 G.R. Andrews. Concurrent Programming: Principles andPractice. Benjamin/Cummings, 1991.

2 J.C. Baeten and W.P. Wiejland. Process Algebra.Cambridge University Press, 1990.

3 A. Burns and G. Davies. Concurrent Programming.Addison-Wesley, 1993.

4 C. Fencott. Formal Methods for Concurrency. ThomsonComputer Press, 1996.

5 M. Henning, S. Vinoski. Programación Avanzada enCORBA con C++. Addison Wesley, ISBN 84-7829-048-6,2001.

CD

Bibliografía

adicional

Bibliografía IV (más antigua) I

6 C.A.R. Hoare. Communicating Sequential Processes.Prentice-Hall, 1985.

7 R. Milner. Concurrency and Communication. Prentice-Hall,1989.

8 R. Milner. Semantics of Concurrent Processes. in J. vanLeeuwen (ed.), Handbook of Theoretical ComputerScience. Elsevier and MIT Press, 1990.

9 J.E. Pérez Martínez. Programación Concurrente. EditorialRueda, ISBN 84-7207-059-X, 1990.

10 A.W. Roscoe. The Theory and Practice of Concurrency.Prentice-Hall, 1997.

CD

Bibliografía

enlaces

Bibliografía V (on–line)

Apuntes de esta asignatura:http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/index.html

Concurrency JSR-166 Interest Site:http://gee.cs.oswego.edu/dl/concurrency-interest/index.html

El antiguo paquete de Doug Lea que funciona con Java1.4:http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/concurrent.tar.gz (.tar.gz [502749 Byte])The Java memory model:http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel

http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/index.html

http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/index.html

http://gee.cs.oswego.edu/dl/concurrency-interest/index.html

http://gee.cs.oswego.edu/dl/concurrency-interest/index.html

http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/concurrent.tar.gz

http://www.ei.uvigo.es/~formella/doc/concurrent.tar.gz

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel

CD

Bibliografía

material usado en la preparación

Bibliografía VI (adicional)

G. Bracha. Generics in the Java Programming Language.July 5, 2004.

CD

Antes de nada

objetivos

Objetivos

conocer los principios y las metodologías de laprogramación concurrente y distribuidaconocer las principales dificultades en realizar programasconcurrentes y distribuidosconocer herramientas existentes para afrontar la tarea dela programación concurrente y distribuidaconocer el concepto de concurrencia en Java

CD

Antes de nada

sobre este documento

Documento

Este documento crecerá durante el curso, ojo, nonecesariamente solamente al final.Habrá más documentos con que trabajar durante el curso.Los ejemplos de programas y algoritmos serán en inglés.

CD

Introducción

definición

Introducción

No existen definiciones muy claras de los terminosprogramación concurrenteprogramación paralelaprogramación distribuida

en la literatura.

CD

Introducción

¿de qué se trata?

Definición

Una posible distinción según mi opinión es:

la programación concurrente se dedica más a desarrollar yaplicar conceptos para el uso de recursos en paralelo(desde el punto de vista de varios actores)la programción en paralelo se dedica más a solucionar yanalizar problemas bajo el concepto del uso de recursosen paralelo (desde el punto de vista de un sólo actor)

CD

Introducción

¿de qué se trata?

Definición

Otra posibilidad de separar los términos es:un programa concurrente define las acciones que sepueden ejecutar simultaneamenteun programa paralelo es un programa concurrentediseñado de estar ejecutado en hardware paraleloun programa distribuido es un programa paralelo diseñadode estar ejecutado en hardware distribuido, es decir,donde varios procesadores no tengan memoriacompartida, tienen que intercambiar la informaciónmediante de transmisión de mensajes.

CD

Introducción

¿de qué se trata?

Intuición

Intuitivamente, todos tenemos una idea básica de lo quesignifica el concepto de concurrencia.

CD

Introducción

ejemplo

Sumamos

3482 0984 8473 8093 3746 6112 4958 64329923 7463 4398 7329 8746 0302 9823 43269821 3234 8464 5643 3745 2854 7734 65116534 7732 2907 0238 2985 5328 7334 65323982 6452 4328 9231 8439 4431 8374 47213274 8549 3278 8192 7843 1723 7364 13238329 0123 1212 8322 4133 7742 1232 92346434 6012 3823 7213 7438 7439 3284 2328

5 minutos

CD

Introducción

ejemplo

Problemas

¿Con qué problemas nos enfrentamos?

apuntamos:

selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmo

división del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajo

distribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datos

sincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesaria

comunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultados

fiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentes

fiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicación

detección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Problemas


apuntamos:selección del algoritmodivisión del trabajodistribución de los datossincronización necesariacomunicación de los resultadosfiabilidad de los componentesfiabilidad de la comunicacióndetección de la terminación

CD

Introducción

ejemplo

Sumamos otra vez

3482 0984 8473 8093 3746 6112 4958 64329923 7463 4398 7329 8746 0302 9823 43269821 3234 8464 5643 3745 2854 7734 65116534 7732 2907 0238 2985 5328 7334 65323982 6452 4328 9231 8439 4431 8374 47213274 8549 3278 8192 7843 1723 7364 13238329 0123 1212 8322 4133 7742 1232 92346434 6012 3823 7213 7438 7439 3284 2328

5 minutos

CD

Introducción

ejemplo

Resultado

34820984 84738093 37466112 4958643299237463 43987329 87460302 9823432698213234 84645643 37452854 7734651165347732 29070238 29855328 7334653239826452 43289231 84394431 8374472132748549 32788192 78431723 7364132383290123 12128322 41337742 1232923464346012 38237213 74387439 32842328

517830549 368884261 470785931 5010714071858572148

CD

Programación concurrente

procesos

Subdivisión

Subdividimos una tarea por realizar en trozos que sepueden resolver en paralelo.Dichos trozos llamamos procesos.Es decir, un proceso (en nuestro contexto) es

una secuencia de instrucciones o sentencias quese ejecutan secuencialmente en un procesador.

CD


procesos

Procesos

En la literatura, sobre todo en el ámbito de sistemas operativos,existen también los conceptos de hilos (“threads”) y de tareas(“tasks” o “jobs”) que son parecidos al concepto de proceso,aún que se distinguen en varios aspectos (p.ej., en el acceso alos recursos, en la vista de memoria, en la priorización yconmutación etc.).En nuestro contexto no vamos a diferenciar mucho más.

CD


procesos

Threads

destacamos el concepto de hilo(se usa casi siempre en la programación moderna)un programa multi–hilo intercala varias secuencias deinstrucciones que usan los mismos recursos (memoriacomún) bajo el techo de un sólo proceso(aquí proceso en el sentido de unidad de control delsistema operativo)el cambio de contexto de un hilo al siguiente dentro delprocesador se suele realizar rápido(dentro de lo que cabe).

CD


procesos

Resumen

Un programa secuencial consiste en un sólo proceso.En un programa concurrente trabaja un conjunto deprocesos en paralelo o cuasi paralelo.Los procesos cooperan para resolver un problema orealizar una tarea.La cooperación consiste especialmente en intercambiarinformación entre procesos.Se necesita tipo modo de sincronización.

CD


procesos

Paralelismo virtual

Los procesos pueden actuar en hardware diferente, esdecir, en un ordenador paralelo,pero también es posible que se ejecuten en un soloprocesador mediante de alguna técnica de simulación,p.ej., los hilos de Java se ejecutan cuasi–simultanementeen una sola máquina virtual de Java dando a cada hilocierto tiempo de ejecución según algún algoritmo deplanificación adecuado(dicha máquina virtual a su vez puede aprovechar devarios procesadores disponibles en el sistema).

CD


procesos

Entonces

La concurrencia describe un paralelismo potencial para laejecución del programa en un sistema capaz de soportar lo.

CD


aplicación

Análisis

¿Cuándo se usan programas concurrentes?

“cuando nos dé la gana”, lo principal es:solucionar el problema, ycuando los recursos lo permiten y cuando prometen unprovecho, lo principal es:conocer las posibilidades y herramientas

CD


indicadores

Indicadores I

¿Cuáles son indicadores que sugieren un programaconcurrente?

el problema consiste de forma natural en gestionar eventos(asincronidad, “asynchronous programming”), sobre todosi se trata de sistemas en red con servicios implementados

el problema consiste en proporcionar un alto nivel dedisponibilidad, es decir, nuevos eventos recién llegadosrequieren una respuesta rápida (disponibilidad,“availability”)

CD


indicadores

Indicadores II

el problema exige un alto nivel de control, es decir, sequieren terminar o suspender tareas una vez empezadas(controlabilidad, “controllability”)

el problema tiene que cumplir restricciones temporales

el problema requiere que varias tareas se ejecutan (cuasi)simultaneamente (programación reactiva, “reactiveprogramming”)

se quiere ejecutar un programa más rápido y los recursosestán disponibles (explotación del paralelismo,“Exploitation of parallelism”)

CD


indicadores

Indicadores III

la solución del problema requiere más recursos que unsólo ordenador puede ofrecer (explotación de hardwaredistribuido)

el problema consiste en simular objetos reales con suscomportamientos y interacciones indeterminísticos(objetos activos, “active objects”)

Eso implica que hay que tomar decisiones qué tipo y quénúmero de procesos se usan y en qué manera debeninteractuar.

CD


recursos

Recursos

Entre otros, posibles recursos sonprocesadoresmemoriadispositivos periféricos (p.e., impresoras, líneastelefónicas) sobre todo de entrada y de salida (p.e. PDAs,móviles)redes de interconectividadestructuras de datos con sus contenidos

CD


recursos

Prácticas

El las prácticas solamente nos dedicaremosa la sincronización entre hilosy a estructuras de datos como recursos que varios hilosquieren usar a la vez.La distribución del trabajo a los procesadores quedará enmanos del planificador de la máquina virtual de Java(MVJ) igual como el uso de la memoria en manos delrecolector de memoria de la MVJ.

CD


ejemplos clásicos

Ejemplos I

Existen ejemplos de problemas que por su naturaleza debendiseñarse como programas concurrentes:

sistemas operativossoportar operaciones cuasi–paralelasproveer servicios a varios usuarios a la vez (sistemasmulti-usuario, sin largos tiempos de espera)gestionar recursos compartidos (p.ej., sistemas de ficheros)reaccionar a eventos no predeterminados

sistemas en tiempo realnecesidad de cumplir restricciones temporalesreaccionar a eventos no predeterminados

sistemas de simulación

CD


ejemplos clásicos

Ejemplos II

el sistema por simular ya dispone de modulos quefuncionan en forma concurrenteel flujo del control no sigue un patrón secuencial

sistema de reservas y compra (“booking systems”)las aplicaciones se ejecutan en diferentes lugares

sistemas de transaccionesse tiene que esperar la terminación de una transacciónantes de poner en marcha la siguientevarias transacciones en espera pueden compartir el mismorecurso por ser ejecutado con diferentes prioridades

controladores de tráfico aéreo

CD


ejemplos clásicos

Ejemplos III

el sistema tiene que estimar el futuro próximo sin perder lacapacidad de reaccionar rápidamente a cambios bruscos

sistemas de comunicación (p.ej., la internet)la interfaz al usuario requiere un alto nivel de disponibilidady controlabilidaden la época de la comunicación digital, todos queremosusar la red (o bién alámbrica o bién inalámbrica) al mismotiempo sin notar que habrá más gente con las mismasambicionesqueremos “aprovechar” del otro lado paraacceder/intercambiar información (p.ej., documentosmultimedia) y acción (p.ej., juegos sobre la red, juegosdistribuidos)

CD


ejemplos clásicos

Ejemplos IV

se quiere incorporar los dispositivos distribuidos pararealizar cálculos complejos (SETI) o controles remotos(casa inteligente)

sistemas tolerantes a fallosse vigila de forma concurrente el funcionamiento correctode otra aplicación

servicios distribuidosvarios clientes pueden conectarse a un servidor que lesgestiona cierta peticiónel sistema puede ser más complejo, p.ej., incluyendodelegación de servicios

CD


ejemplos clásicos

Programación moderna

En particular, resultará escencial el desarrollo de unprograma concurrente cuando la concurrencia deactivades es un aspecto interno del problema a resolver.Programadores modernos tienen que saber cómo escribirprogramas que manejan múltiples procesos.

CD


ejemplos clásicos

Herramientas

Hoy día existen muchos APIs de tipo “middleware” quefacilitan el desarrollo de aplicaciones distribuidas, p.ej.,JavaRMI, CORBA, JINI etc.Dichos entornos de desarrollo mantienen muchos detallesal márgen del programador (y del usuario), es decir, seusan las capas bajas de forma transparente (p.ej.,protocolos fiables de comunicación, iniciación de procesosremotos etc.).

CD


ejemplos no tan clásicos

Ejemplos

implementación de herramientas para el trabajocooperativo en entornos distribuidos(p.ej.: editor concurrente, herramientas para laprogramación extrema, google)aplicaciones en redes peer–to–peer sin servidoresaplicaciones en redes adhoc, donde se forman redes deordenadores de forma espontanea por acercamientogeográficojuegos distribuidos sin cuello de botella de un servidorherramientas de teleformación con la posibilidad deltrabajo en grupos a distancia

CD


implementación

Implementación

Nos enfocamos solamente a programas escritos en lenguajesimperativos con concurrencia, comunicación, y sincronizaciónexplícita.Como cualquier otra tarea de programación nos enfrentamos alos problemas de

la especificación del programa,el diseño del programa,la codificación del programa, yla verificación del programa.

CD


crítica

Ventajas

Entre las ventajas de la programación concurrente/distribuidaen relación con el rendimiento se espera:

que el programa se ejecute más rápido,si se usa los recursos de mejor manera, p.ej. no dejarrecursos disponibles sin uso durante mucho tiempo (p.ej.procesadores a disposición)y que el programa refleje o bien el modelo del problemareal o bien la propia realidad

CD


crítica

Desventajas I

Sin embargo, también existen desventajas:

se pierde tiempo en sincronizar procesos y comunicardatos entre ellos

en el caso de multiplexación de procesos/hilos se pierdetiempo en salvar información sobre el contexto

los procesos pueden esperar a acciones de otrosprocesos, eso puede resultar en un bloqueo (“deadlock”)de algún proceso, en el peor caso se daría como resultadoque no se produjera ningún progreso en el programa

los sistemas pueden ser mucho más heterógenos

CD


crítica

Desventajas II

la fiabilidad y disponibilidad de los recursos es muydiferente a un sistema secuencial

hay que buscar estrategias eficientes para distribuir eltrabajo entre los diferentes procesadores (“efficient loadbalancing”)

hay que buscar estrategias eficientes para distribuir losdatos entre los diferentes procesadores (“efficient datadistribution”)

en muchas situaciones hay que buscar un compromisoentre tiempo de ejecución y uso de recursos

CD


crítica

Desventajas III

el desarrollo de programas concurrentes es más complejoque el desarrollo de programas secuenciales

la depuración de programas concurrentes es muy difícil,(por eso vale la pena de mantener una estricta disciplinaen el desarrollo de programas concurrentes y basar laimplementación en patrones de diseño bien estudiados)

CD

Java

este repaso

Java

Este repaso a Java no esni completoni exhaustivoni suficiente

para programar en Java.Debe servir solamente para refrescar conocimiento yaadquerido y para animar de profundizar el estudio del lenguajecon otras fuentes, por ejemplo, con la bibliografía añadida y losmanuales correspondientes.

CD

Java

este repaso

Java

Se destacan ciertas diferencias con C++ (otro lenguaje deprogramación orientado a objetos importante).Se comentan ciertos detalles del lenguaje que muchasveces no se perciben a primera vista.Se describen también las novedades de la versión 1.5 (o5, depende del momento).Se introducen los conceptos ya instrínsicos de Java parala programación concurrente.

CD

Java

hola mundo

Hola mundo

El famoso hola mundo se programa en Java así:

class Hello {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello world");

}}

CD

Java

comentarios

¿Qué se comenta?

Existen tres posibilidades de escribir comentarios:

/* ... */ comentario de bloque// comentario de línea/** ... */ comentario de documentación

se usa javadoc o doxygen para generar automáticamentela documentaciónse documenta lo que no es obvio y las interfaceses decir: respuestas al ¿Cómo? y ¿Por qué?

CD

Java

clases

Objetos

Java usa (con la excepción de variables de tipos simples)exclusivamente objetos.Un tal objeto se define como una clase (class), y sepuede crear varias instancias de objetos de tal clase.Es decir, la clase define el tipo del objeto, y la instancia esuna variable que representa un objeto.

CD

Java

clases

Clases

Una clase contiene como mucho tres tipos de miembros:

instancias de objetos (o de tipos simples)métodos (funciones)otras clases

No existen variables globales y el programa principal no esnada más que un método de una clase.

CD

Java

clases

Inicialización

Los objetos en Java siempre tienen valores conocidos, esdecir, los objetos (y también las variables de tipos simples)siempre están inicializados.Si el programa no da una inicialización explícita, Javaasigna el valor cero, es decir, 0, 0.0, \u0000, false onull dependiendo del tipo de la variable.

CD

Java

clases

Java, C++, C#

Java es muy parecido a C++ o C# (por ejemplo, en susíntaxis y gran parte de sus metodologías), aunquetambién existen grandes diferencias (por ejemplo, en suno–uso o uso de punteros y la gestión de memoria).Se resaltará algunos de las diferencias principales entreJava y C++.

CD

Java

clases

hello world

class Hello {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello world");

}}

El programa principal se llama main() y tiene que serdeclarado público y estático. No devuelve ningún valor (por esose declara como void). Los parámetros de la línea decomando se pasan como un vector de cadenas de letras(String).

CD

Java

clases

Tipos

Java exige una disciplina estricta con sus tipos,es decir, el compilador controla siempre que pueda si lasoperaciones usadas están permitidas con los tiposinvolucrados.Si la comprobación no se puede realizar durante el tiempode compilación, se pospone hasta el tiempo de ejecución,es decir, se pueden provocar excepciones que puedenprovocar fallos durante la ejecución.

CD

Java

clases, tipos y modificadores

Modificadores de clases I

Se pueden declarar clases con uno o varios de los siguientesmodificadores para especificar ciertas propiedades (no existenen C++):

public la clase es visible desde fuera del ficheroabstract la clase todavía no está completa, es decir, nose puede instanciar objetos antes de que se hayanimplementado en una clase derivada los métodos quefaltanfinal no se puede extender la clasestrictfp obliga a la máquina virtual a cumplir elestándar de IEEE para los números flotantes

CD

Java


Modificadores de clases II

Casi todos los entornos de desarrollo para Java permitensolamente una clase pública dentro del mismo fichero.Obviamente una clase no puede ser al mismo tiempo finaly abstracta.Tampoco está permitida una clase abstracta constrictfp.

CD

Java


Tipos simples I

boolean o bien true o bien falsechar 16 bit Unicode letrabyte 8 bit número entero con signoshort 16 bit número entero con signoint 32 bit número entero con signolong 64 bit número entero con signofloat 32 bit número flotantedouble 64 bit número flotante

CD

Java


Tipos simples II

Solo float y double son igual como en C++.No existen enteros sin signos.Los tipos simples no son clases, pero existen para todoslos tipos simples clases que implementan elcomportamiento de ellos.En Java 5 la conversión de tipos simples a sus objetoscorrespondientes (y vice versa) es automático.Sólo hace falta escribirles con mayúscula (con laexcepción de Integer).Las clases para los tipos simples proporcionan tambiénvarias constantes para trabajar con los números (porejemplo, NEGATIVE_INFINITY etc.).

CD

Java


Enumeraciones I

hasta Java 1.4 se realizó enumeraciones así:public final int MONDAY=0;public final int TUESDAY=1;public final int ...;

a partir de Java 5 también así:enum Weekdays { MONDAY, TUESDAY, ... }

enum es una clase y automáticamente public, static yfinal (vemos en seguida)tienen toString() y valueOf()

CD

Java


Enumeraciones II

enum es una clases, es decir, se pueden añadir miembrosy métodos

enum Coin {UN(1), DOS(2), CINCO(5), ...private final int value;Coin(int value) { this.value=value; }public int value() { return value; }

}

CD

Java


Enumeraciones III

values() devuelve un vector de los tipos del enumeradolos enum se pueden usar en switch

Coin coin=...;switch(coin) {case UN:case DOS:...

}

CD

Java


Modificadores de acceso

private: accesible solamente desde la propia clasepackage: (o ningún modificador) accesible solamentedesde la propia clase o dentro del mismo paqueteprotected: accesible solamente desde la propia clase,dentro del mismo paquete, o desde clases derivadaspublic: accesible siempre cuando la clase es visible

(En C++, por defecto, los miembros son privados, mientras enJava los miembros son, por defecto, del paquete.)

CD

Java


Modificadores de miembros I

Modificadores de miembros siendo instancias de objetos:

final: declara constantes si está delante de tipos simples(diferencia a C++ donde se declara constantes conconst), aunque las constantes no se pueden modificar enel transcurso del programa, pueden ser calculadas durantesus construcciónes; las variables finales, aún declaradassin inicialización, tienen que obtener sus valores comomuy tarde en la fase de construcción de un objeto de laclase

CD

Java


Modificadores de miembros II

static: declara miembros de la clase que pertenecen ala clase y no a instancias de objetos, es decir, todos losobjetos de la clase acceden a la misma cosa

transient: excluye un miembro del proceso deconversión en un flujo de bytes si el objeto se salva aldisco o se transmite por una conexión (no hay en C++)

CD

Java


Modificadores de miembros III

volatile: ordena a la máquina virtual de Java que nouse ningún tipo de cache para el miembro, así es másprobable (aunque no garantizado) que varios hilos vean elmismo valor de una variable; declarando variables del tipolong o double como volatile aseguramos que lasoperaciones básicas sean atómicas (este tema veremosmás adelante más en detalle)

CD

Java


Modificadores de métodos I

Modificadores de miembros siendo métodos:

abstract: el método todavía no está completo, es decir,no se puede instanciar objetos antes de que se hayaimplementado el método en una clase derivada (parecidoa los métodos puros de C++)

static: el método pertenece a la clase y no a un objetode la clase, un método estático puede acceder solamentemiembros estáticos

final: no se puede sobreescribir el método en una clasederivada (no hay en C++)

CD

Java


Modificadores de métodos II

synchronized: el método pertenece a una región críticadel objeto (no hay en C++)

native: propone una interfaz para llamar a métodosescritos en otros lenguajes, su uso depende de laimplementación de la máquina virtual de Java (no hay enC++, ahí se realiza durante el linkage)

strictfp: obliga a la máquina virtual a cumplir elestándar de IEEE para los números flotantes (no hay enC++, ahí depende de las opciones del compilador)

CD

Java


Modificadores de métodos III

Un método abstracto no puede ser al mismo tiempo nifinal, ni estático, ni sincronizado, ni nativo, ni estricto.Un método nativo no puede ser al mismo tiempo niabstracto ni estricto.Nota que el uso de final y private puede mejorar lasposibilidades de optimización del compilador, es decir, suuso deriva en programas más eficientes.

CD

Java

estructuras de control y operadores

Estructuras de control

Las estructuras de control son casi iguales a las de C++ (notala extensión del for en Java 5):

if(cond) then block

if(cond) then block else block

while(cond) block

do block while (cond);

for(expr; expr; expr) block

for(type var: array) block

for(type var: collection) block

switch(expr) { case const: ... default: }

Igual que en C++ se puede declarar una variable en laexpresión condicional o dentro de la expresión de inicio delbucle for.

CD

Java


Marcas I

Adicionalmente Java proporciona break con una marca quese puede usar para salir en un salto de varios bucles anidados.

mark:while(...) {for(...) {break mark;

}}

CD

Java


Marcas II

También existe un continue con marca que permitesaltar al principio de un bucle más alla del actual.No existe el goto (pero es una palabra reservada), su usohabitual en C++ se puede emular (mejor) con los breaks ycontinues y con las secuencias try-catch-finally.

CD

Java


Operadores I

Java usa los mismos operadores que C++ con las siguientesexcepciones:

existe adicionalmente >>> como desplazamiento a laderecha llenando con ceros a la izquierdaexiste el instanceof para comparar tipos (C++ tiene unconcepto parecido con typeid)los operadores de C++ relacionados a punteros no existenno existe el delete de C++no existe el sizeof de C++

CD

Java


Operadores II

La prioridad y la asociatividad son las mismas que en C++.Hay pequeñas diferencias entre Java y C++ si ciertossímbolos están tratados como operadores o no (porejemplo, los []).Además Java no proporciona la posibilidad de sobrecargaroperadores.

CD

Java


Palabras reservadas I

Las siguientes palabras están reservadas en Java:

abstract default if private thisboolean do implements protected throwbreak double import public throwsbyte else instanceof return transientcase extends int short trycatch final interface static voidchar finally long strictfp volatileclass float native super whileconst for new switchcontinue goto package synchronized

CD

Java


Palabras reservadas II

Además las palabras null, false y true que sirvencomo constantes no se pueden usar como nombres.Aunque goto y const aparecen en la lista arriba, no seusan en el lenguaje.

CD

Java

clases, objetos y variables

Objetos y referencias a objetos

No se pueden declarar instancias de clases usando elnombre de la clase y un nombre para el objeto (como sehace en C++).La declaración

ClassName ObjectNamecrea solamente una referencia a un objeto de dicho tipo.Para crear un objeto dinámico en el montón se usa eloperador new con el constructor del objeto deseado. Eloperador devuelve una referencia al objeto creado.

ClassName ObjectReference = new ClassName(...)

CD

Java


Construcción por defecto

Sólo si una clase no contiene ningún constructor Javapropone un constructor por defecto que tiene el mismomodificador de acceso que la clase.Constructores pueden lanzar excepciones como cualquierotro método.

CD

Java


Constructores

Para facilitar la construcción de objetos aún más, esposible usar bloques de código sin que pertenezcan aconstructores.Esos bloques están prepuestos (en su orden de aparencia)delante de los códigos de todos los constructores.El mismo mecanismo se puede usar para inicializarmiembros estáticos poniendo un static delante delbloque de código.Inicializaciones estáticas no pueden lanzar excepciones.

CD

Java


Inicialización estática

class ... {...static int[] powertwo=new int[10];static {powertwo[0]=1;for(int i=1; i<powertwo.length; i++)

powertwo[i]=powertwo[i-1]<<1;}...

}

CD

Java


Inicialización cruzada

Si una clase, por ejemplo, X, construye un miembroestático de otra clase, por ejemplo, Y, y al revés, el bloquede inicialización de X está ejecutado solamente hasta laaparencia de Y cuyos bloques de inicialización recurren alX construido a medias.Nota que todas las variables en Java siempre están encero si todavía no están inicializadas explícitamente.

CD

Java


Recolector de memoria

No existe un operador para eliminar objetos del montón,eso es tarea del recolector de memoria incorporado enJava (diferencia con C++ donde se tiene que liberarmemoria con delete explícitamente).Para dar pistas de ayuda al recolector se puede asignarnull a una referencia indicando al recolector que no se vaa referenciar dicho objeto nunca jamás.Las referencias que todavía no acceden a ningún objetotienen el valor null.Antes de ser destruido se exejuta el método finalize()del objeto (por defecto no hace nada).

CD

Java


Reinterpretación de tipos

Está permitida la conversión explícita de un tipo a otromediante la reinterpretación del tipo (“cast”) con todas susposibles consecuencias.El “cast” es importante especialmente en su variante del“downcast”, es decir, cuando se sabe que algún objeto esde cierto tipo derivado pero se tiene solamente unareferencia a una de sus superclases.Se puede comprobar el tipo actual de una referencia conel operador instanceof.

if( refX instanceof refY ) { ... }

CD

Java

métodos y parámetros

Paso de parámetros I

Se pueden pasar objetos como parámetros a métodos.La lista de parámetros junto con el nombre del métodocompone la signatura del método.Pueden existir varias funciones con el mismo nombre,siempre y cuando se distingan en sus signaturas. Latécnica se llama sobrecarga de métodos.

CD

Java


Paso de parámetros II

Hasta Java 1.4 la lista de parámetros siempre era fija, noexistía el concepto de listas de parámetros variables deC/C++.en Java 5 si existe tal posibilidad.Java pasa parámetros exclusivamente por valor.Eso significa en caso de objetos que siempre se pasa unareferencia al objeto con la consecuencia de que el métodollamado puede modificar el objeto.

CD

Java


Paso de parámetros III

En Java 5 existen listas de parámetros variablesvoid func(int fixed, String... names) {...}

Los tres puntos ... significan 0 o más parámetros.Solo el último parámetro puede ser variable.Se accede con el nuevo iterador for:for(String name : names) {...}

CD

Java


Parámetros no modificables no existen

No se puede evitar posibles modificaciones de unparámetro (que sí se puede evitar en C++ declarando elparámetro como const-referencia).Declarando el parámetro como final solamente protegela propia referencia (paso por valor).Entonces, no se pueden cambiar los valores de variablesde tipos simples llamando a métodos y pasarles comoparámetros variables de tipos simples (como es posible enC++ con referencias).La declaración se puede usar como indicación al usuarioque se pretende no cambiar el objeto (aunque elcompilador no lo garantiza).

CD

Java


Valores de retorno

Un método termina su ejecución en tres ocaciones:

se ha llegado al final de su códigose ha encontrado una sentencia return

se ha producido una excepción no tratada en el mismométodo

Un return con parámetro (cuyo tipo tiene que coincidir con eltipo del método) devuelve una referencia a una variable dedicho tipo (o el valor en caso de tipos simples).

CD

Java

vectores (arrays)

Vectores

Los vectores se declaran solamente con su límite súperiordado que el límite ínferior siempre es cero (0).El código

int[] vector = new int[15]crea un vector de números enteros de longitud 15.

CD

Java

vectores (arrays)

Control de acceso

Java comprueba si los accesos a vectores con índicesquedan dentro de los límites permitidos (diferencia conC++ donde no hay una comprobación).Si se detecta un acceso fuera de los límites se produceuna excepción IndexOutOfBoundsException.Dependiendo de las capacidades del compilador esopuede resultar en una pérdida de rendimiento.

CD

Java

vectores (arrays)

Vectores son objetos

Los vectores son objetos implícitos que siempre conocensus propias longitudes (values.length) (diferencia conC++ donde un vector no es nada más que un puntero) yque se comportan como clases finales.No se pueden declarar los elementos de un vector comoconstantes (como es posible en C++), es decir, elcontenido de los componentes siempre se puede modificaren un programa en Java.

CD

Java

Construcción, Extención, Interfaces, Herencia

this and super

Cada objeto tiene por defecto una referencia llamadathis que proporciona acceso al propio objeto (diferenciaa C++ donde this es un puntero).Obviamente, la referencia this no existe en métodosestáticos.Cada objeto (menos la clase object) tiene una referenciaa su clase súperior llamada super (diferencia a C++donde no existe, se tiene acceso a las clases superiorespor otros medios).this y super se pueden usar especialmente paraacceder a variables y métodos que están escondidos pornombres locales.

CD

Java


Más sobre constructores

Para facilitar las definiciones de constructores, unconstructor puede llamar en su primer sentencia

o bien a otro constructor con this(...)o bien a un constructor de su superclase con super(...)(ambos no exiten en C++).

El constructor de la superclase sin parámetros estállamado en todos los casos al final de la posible cadena dellamadas a constructores this() en caso que no hayauna llamada explícita.

CD

Java


Orden de construcción

La construcción de objetos sigue siempre el siguiente orden:

construcción de la superclase, nota que no se llamaningún constructor por defecto que no sea el constructorsin parámetrosejecución de todos los bloques de inicializaciónejecución del código del constructor

CD

Java


Extender clases I

Se puede crear nuevas clases a partir de la extención declases ya existentes (en caso que no sean finales). Lasnuevas clases se suelen llamar subclases o clasesextendidas.Una subclase heredará todas las propriedades de la clasesúperior, aunque se tiene solamente acceso directo a laspartes de la superclase declaradas por lo menosprotected.

CD

Java


Extender clases II

No se puede extender al mismo tiempo de más de unaclase súperior (diferencia a C++ donde se puede derivarde más de una clase).Se pueden sobreescribir métodos de la superclase.Si se ha sobreescrito una cierta función, las demásfunciones con el mismo nombre (pero diferente signatura)siguen visibles desde la clase derivada (en C++ eso no esel caso).Dicho último aspecto puede provocar sorpresas...¿Cuáles?

CD

Java


Acceso a métodos sobreescritos

Si se quiere ejecutar dentro de un método sobreescrito elcódigo de la superclase, se puede acceder el métodooriginal con la referencia super.Se puede como mucho extender la accesibilidad demétodos sobreescritos.Se pueden cambiar los modificadores del método.También se puede cambiar si los parámetros del métodoson finales o no, es decir, final no forma parte de lasignatura (diferencia a C++ donde const forma parte dela signatura).

CD

Java


Sobreescritura y excepciones

Los tipos de las excepciones que lanza un métodosobreescrito tienen que ser un subconjunto de los tipos delas excepciones que lanza el método de la superclase.Dicho subconjunto puede ser el conjunto vacio.Si se llama a un método dentro de una jerarquia de clases,se ejecuta siempre la versión del método que correspondeal objeto creado (y no necesariamente al tipo de referenciadado) respetando su accesibilidad.Está técnica se llama polimorfismo.

CD

Java


Clases dentro de clases

Se pueden declarar clases dentro de otras clases.Sin embargo, dichas clases no pueden tener miembrosestáticos no–finales.Todos los miembros de la clase contenedora están visiblesdesde la clase interior (diferencia a C++ donde hay quedeclarar la clase interior como friend para obtener dichoefecto).

CD

Java


Clases locales

Dentro de cada bloque de código se pueden declarar claseslocales que son visibles solamente dentro de dicho bloque.

CD

Java


La clase Object I

Todos los objetos de Java son extensiones de la clase Object.Los métodos públicos y protegidos de esta clase son

public boolean equals(Object obj)compara si dos objetos son iguales, por defecto un objetoes igual solamente a si mismopublic int hashCode() devuelve (con altaprobabilidad) un valor distinto para cada objetoprotected Object clone() throwsCloneNotSuportedException devuelve una copiabinaria del objeto (incluyendo sus referencias)

CD

Java


La clase Object II

public final Class getClass() devuelve el objetodel tipo Class que representa dicha clase durante laejecuciónprotected void finalize() throws Throwablese usa para finalizar el objeto, es decir, se avisa aladministrador de la memoria que ya no se usa dichoobjeto, y se puede ejecutar código especial antes de quese libere la memoriapublic String toString() devuelvo una cadenadescribiendo el objeto

Las clases derivadas deben sobreecribir los métodosadecuadamente, por ejemplo el método equals, si se requiereuna comparación binaria.

CD

Java


Interfaces

Usando interface en vez de class se define unainterfaz a una clase sin especificar el código de losmétodos.Una interfaz no es nada más que una especificación decómo algo debe ser implementado para que se puedausar en otro código.Una interfaz solo puede tener declaraciones de objetosque son constantes (final) y estáticos (static).En otras palabras, todas las declaraciones de objetosdentro de interfaces automáticamente son finales yestáticos, aunque no se haya descrito explícitamente.

CD

Java


Interfaces y herencia

Igual que las clases, las interfaces pueden incorporar otrasclases o interfaces.También se pueden extender interfaces.Nota que es posible extender una interfaz a partir de másde una interfaz:

interface ThisOne extends ThatOne, OtherOne { ... }

CD

Java


Métodos de interfaces

Todos los métodos de una interfaz son implícitamentepúblicos y abstractos, aunque no se haya descrito nipublic ni abstract explícitamente (y eso es laconvención).Los demás modificadores no están permitidos paramétodos en interfaces.Para generar un programa todas las interfaces usadastienen que tener sus clases que las implementen.

CD

Java


Implementación de interfaces

Una clase puede implementar varias interfaces al mismotiempo (aunque una clase puede extender como muchouna clase).Se identifican las interfaces implementadas conimplements después de una posible extensión(extends) de la clase.

CD

Java


Implementación

public interface Comparable {int compareTo(Object o);

}

class Something extends Anythingimplements Comparable

{ ...public int compareTo(Object o) {

// cast to get a correct object// may throw exception ClassCastException

Something s = (Something)o;... // code to compare to somethings

}}

CD

Java


Resumen: interfaces

Las interfaces se comportan como clases totalmenteabstractas, es decir,

no tienen miembros no–estáticos,nada diferente a público,y ningún código no–estático.

CD

Java

Polimorfismo paramétrico

Tipos como variables

Como ya existía en C++, se introdujo la posibilidad de usartipos como variables en la definición de clases y métodos.Se realiza con una sintaxis parecida:List<Animal> farm=new ArrayList<Animal>();

Con eso se evita las muchas transformaciones explícitasde tipos que antes su usaba sobre todo para agruparobjetos en colecciones.Es decir, se puede disenar estructuras de datos sinespecificar antemano con que tipo se trabrajá en concreto.Cuando se usa el compilador garantiza que el tipoconcreto proporciona las propiedades necesarias.

CD

Java


Clases genéricas

class Something<T> {T something;public Something(T something) {this.something=something;

}public void set(T something) {this.something=something;

}public T get() {return something;

}}

CD

Java


Uso de clase genérica

Usamos la clase Something con cadenas.Construcción:

Something<String> w= new Something<String>("word");

Leer el “contenido”:String s=w.get();

Escribir el “contenido”:w.set(new Double(10.0));

producerá un fallo de compilación, hay que usar unacadena como parámetro.

CD

Java


Métodos genéricos

class Anything {public <T> T get(T something) {return something;

}public static <T> void write(T something) {out.println(something);

}}

Con métodos genéricos se pueden implementarfuncionalidades que se quieren realizar con cualquier tipo deinterés.

CD

Java


Polimorfismo paramétrico restringido

Se puede declarar el tipo que se usa para especificar untipo genérico asumiendo cierta herencia:

List<T extends Animal>

Así en el uso del tipo T ya se sabe algo sobre susfuncionalidades (y el compilador lo comprueba).

CD

Java


Polimorfismo paramétrico anidado/encadenado

Se puede expresar también que el tipo genérico seheredera de otro tipo genérico:

List<T extends Animal<E>>

o que el tipo genérico ya viene dado por otro tipo genéricoLinkedList<LinkedList<T>>

CD

Java


Limitaciones del polimorfismo paramétrico

No se puede instanciar un objeto de un tipo genérico, sinoes dentro de una clase o método del mismo, es decir,T e=new T(); está prohibidoList<T> L= new LinkedList<T>(); está permitido.

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín I

Observa: List<Object> no es superclase deList<String>.Entonces, para escribir métodos (y clases) que trabajencon cualquier tipo genérico necesitamos una notaciónnueva:List<?>

sirve para implementar por ejemplovoid write(List<?> L) {for(Object e : L) out.println(e);

}

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín II

Los comodines adquieren forma en su construcción:Collection<?> C = new ArrayList<String>();

ahora la colección C contiene cadenas.Solo null se puede asignar a una variable del tipocomodín, siempre.Eso no funciona para pasar parámetros:

<T> void add(Set<T> s, T t) {...}no se puede usar con un conjunto construidogenéricamenteadd(new Set<String>(), new String("hi");

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín III

Los comodines se pueden usar también para expresar lapropia cadena de herencia que se quiere mantener:Collection<? extends Shape> C= new ArrayList<Circle>();

donde Circle tiene que ser un tipo cuya superclase esShape.Dicho concepto se llama comodín limitado.Pero ya no existe la posibilidad de escribir (la relación noes reflexiva)Collection<? extends Shape> C= new ArrayList<Shape>();

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín IV

También se puede limitar el comodín desde abajo:Collection<? super Circle> C= new ArrayList<Shape>();

Aquí sí se puede escribirCollection<? super Circle> C= new ArrayList<Circle>();

dado que la relación es reflexiva.

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín V

Los tipos genéricos (tanto comodín o no-comodín) setransforman en tipos simples antes de la ejecución.Por eso no se tiene acceso a la variable del tipo, con laconsecuencia queList<String> S=new ArrayList<String>();List<Integer> I=new ArrayList<Integer>();out.println(S.getClass()==I.getClass());

imprime true.Tampoco se puede averiguar el tipo, el siguiente código nocompila:Collection<String> S=new ArrayList<String>();if(S instanceof Collection<String>) \{...\}

CD

Java


Polimorfismo paramétrico con comodín VI

Hay que tomarse muy en serio posibles mensajes de avisocuando se usa tipos genéricos y cambiar el código hastaque no aparezca ninguno.Sino, puede ocurrir una simple excepción de fallo enconversión de tipo en algún momento de la ejecución cuyarazón será difícil de localizar.

CD

Java

Excepciones

try’n’catch

Para facilitar la programación de casos excepcionales Javausa el concepto de lanzar excepciones.Una excepción es una clase predefinida y se accede conla sentencia

try { ... }catch (SomeExceptionObject e) { ... }catch (AnotherExceptionObject e) { ... }finally { ... }

CD

Java

Excepciones

Orden de ejecución I

El bloque try contiene el código normal por ejecutar.Un bloque catch(ExceptionObject) contiene elcódigo excepcional por ejecutar en caso de que durante laejecución del código normal (que contiene el bloque try)se produzca la excepción del tipo adecuado.Pueden existir más de un (o ningún) bloque catch parareaccionar directamente a más de un (ningún) tipo deexcepción.Hay que tener cuidado en ordenar las excepcionescorrectamente, es decir, las más específicas antes de lasmás generales.

CD

Java

Excepciones

Orden de ejecución II

El bloque finally se ejecuta siempre una vez terminadoo bien el bloque try o bien un bloque catch o bien unaexcepción no tratada o bien antes de seguir un break, uncontinue o un return hacia fuera de la sentenciatry-catch-finally.

CD

Java

Excepciones

Construcción de clases de excepción

Normalmente se extiende la clase Exception paraimplementar clases propias de excepciones, aún también sepuede derivar directamente de la clase Throwable que es lasuperclase (interfaz) de Exception o de la claseRuntimeException.

class MyException extends Exception {public MyException() { super(); }public MyException(String s) { super(s); }

}

CD

Java

Excepciones

Declaración de excepciones lanzables

Entonces, una excepción no es nada más que un objetoque se crea en el caso de aparición del caso excepcional.La clase principal de una excepción es la interfazThrowable que incluye un String para mostrar unalínea de error legíble.Para que un método pueda lanzar excepciones con lassentencias try-catch-finally, es imprecindibledeclarar las excepciones posibles antes del bloque decódigo del método con throws ....

public void myfunc(...) throws MyException {...}

En C++ es al revés, se declara lo que se puede lanzarcomo mucho.

CD

Java

Excepciones

Propagación de excepciones

Durante la ejecución de un programa se propagan lasexcepciones desde su punto de aparición subiendo lasinvocaciones de los métodos hasta que se hayaencontrado un bloque catch que se ocupa de tratar laexcepción.En el caso de que no haya ningún bloque responsable, laexcepción será tratada por la máquina virtual con elposible resultado de abortar el programa.

CD

Java

Excepciones

Lanzar excepciones

Se pueden lanzar excepciones directamente con lapalabra throw y la creación de un nuevo objeto deexcepción, por ejemplo:

throw new MyException(“eso es una excepcion”);

También los constructores pueden lanzar excepciones quetienen que ser tratados en los métodos que usan dichosobjetos construidos.

CD

Java

Excepciones

Excepciones de ejecución

Además de las excepciones así declaradas existensiempre excepciones que pueden ocurrir en qualquiermomento de la ejecución del programa, por ejemplo,RuntimeException o Error oIndexOutOfBoundException.La ocurrencia de dichas excepciones refleja normalmenteun flujo de control erróneo del programa que se debecorrigir antes de distribuir el programa a posibles usuarios.Se usan excepciones solamente para casosexcepcionales, es decir, si pasa algo no esperado.

CD

Java

paquetes

Agrupación de objetos I

Siempre existe la posibilidad de que diferentes fuentesusen el mismo nombre para una clase.Para producir nombres únicos se agrupa los objetos enpaquetes.El nombre del paquete sirve como prefijo del nombre de laclase con la consecuencia de que cuando se diferencianlos nombres de los paquetes también se diferencian losnombres de las clases.

CD

Java

paquetes

Agrupación de objetos II

Por convención se usa como prefijo el dominio en interneten orden inverso para los paquetes.Hay que tener cuidado en distinguir los puntos en elnombre del paquete con los puntos que separan losmiembros de una clase.La pertenencia de una clase a un paquete se indica en laprimera sentencia de un fichero fuente conpackage Pack.Name;

CD

Java

paquetes

¿Por qué le gusta Java tanto a la gente?

Java viene con una amplia gama de clases y paquetespredefinidos.Se accede a los paquetes con import.Se accede a los componentes de los paquetes conclasificadores, p.ej., System.out.println(...) (enJava 5 ya no hace falta clasificar, se importa como importstatic java.lang.System.*).Cuidado: Java no está disponible siempre en todas lasplataformas en su última versión y eso puede derivar enaplicaciones no portables.

CD

Java

paquetes

Clase de cadenas de caracteres

Java proporciona la clase String (cadenas) con muchosmétodos ya implementados. Si se requiere muchasoperaciones de cadenas que modifican el contenido de lacadena, mejor usar la clase StringBuffer.Eso es justamente una gran potencia de Java: ladisponibilidad de un gran conjunto de paquetes yaimplementado (para C++ hay que buscar un poco más).

CD

Java

reflexión

Acceso a si mismo

Java proporciona para cada clase un objeto de tipo Classque se puede usar para obtener información sobre lapropia clase y todos sus miembros.Así por ejemplo se puede averiguar todos los métodos ymodificadores, cual es su clase súperior y mucho más.

CD

Java

hilos

Objetivos

Se usan los hilos para ejecutar varias secuencias deinstrucciones de modo cuasi–paralelo.

CD

Java

hilos

Creación de un hilo (para empezar)

Se crea un hilo conThread worker = new Thread()

Después se inicializa el hilo y se define sucomportamiento.Se lanza el hilo con

worker.start()

Pero en esta versión simple no hace nada. Hace faltasobreescribir el método run() especificando algún códigoútil.

CD

Java

hilos

La interfaz Runnable

A veces no es conveniente extender la clase Threadporque se pierde la posibilidad de extender otro objeto.Es una de las razones por que existe la interfaz Runnableque declara nada más que el método public voidrun() y que se puede usar fácilmente para crear hilostrabajadores.

CD

Java

hilos

PingPONG I

class RunPingPONG implements Runnable {private String word;private int delay;

RunPingPONG(String whatToSay, int delayTime) {word =whatToSay;delay=delayTime;

}

CD

Java

hilos

PingPONG II

public void run() {try {

for(;;) {System.out.print(word+" ");Thread.sleep(delay);

}}catch(InterruptedException e) {return;

}}

CD

Java

hilos

PingPONG III

public static void main(String[] args) {Runnable ping = new RunPingPONG("ping", 40);Runnable PONG = new RunPingPONG("PONG", 50);new Thread(ping).start();new Thread(PONG).start();

}}

CD

Java

hilos

Construcción de Runnables

Existen cuatro constructores para crear hilos usando la interfazRunnable.

public Thread(Runnable target)así lo usamos en el ejemplo arriba, se pasa solamente laimplementación de la interfaz Runnablepublic Thread(Runnable target, String name)se pasa adicionalmente un nombre para el hilopublic Thread(ThreadGroup group, Runnabletarget)construye un hilo dentro de un grupo de hilospublic Thread(ThreadGroup group, Runnabletarget, String name)construye un hilo con nombre dentro de un grupo de hilos

CD

Java

hilos

Implementación de Runnable

La interfaz Runnable exige solamente el método run(),sin embargo, normalmente se implementan más métodospara crear un servicio completo que este hilo debe cumplir.Aunque no hemos guardado las referencias de los hilos enunas variables, los hilos no caen en las manos delrecolector de memoria: siempre se mantiene unareferencia al hilo en su grupo al cual pertenece.El método run() es público y en muchos casos,implementando algún tipo de servicio, no se quiere darpermiso a otros ejecutar directamente el método run().Para evitar eso se puede recurrir a la siguienteconstrucción:

CD

Java

hilos

run() no-público

class Service {private Queue requests = new Queue();public Service() {

Runnable service = new Runnable() {public void run() {

for(;;) realService((Job)requests.take());}

};new Thread(service).start();

}public void AddJob(Job job) {

requests.add(job);}private void realService(Job job) {

// do the real work}

}

CD

Java

hilos

Explicación del ejemplo

Crear el servicio con Service() lanza un nuevo hilo queactua sobre una cola para realizar su trabajo con cadatarea que encuentra ahí.El trabajo por hacer se encuentra en el método privadorealService().Una nueva tarea se puede añadir a la cola conAddJob(...).Nota: la construcción arriba usa el concepto de clasesanónimas de Java, es decir, sabiendo que no se va a usarla clase en otro sitio que no sea que en su punto deconstrucción, se declara directamente donde se usa.

CD

Java

hilos y concurrencia

Sincronización

En Java es posible forzar la ejecución del código en unbloque en modo sincronizado, es decir, como mucho unhilo puede ejecutar algún código dentro de dicho bloque almismo tiempo.

synchronized (obj) { ... }

La expresión entre paréntesis obj tiene que evaluar a unareferencia a un objeto o a un vector.Declarando un método con el modificador synchronizedgarantiza que dicho método se ejecutaininterrumpidamente por un sólo hilo.La máquina virtual instala un cerrojo (mejor dicho, unmonitor, ya veremos dicho concepto más adelante) que secierra de forma atómica antes de entrar en la región críticay que se abre antes de salir.

CD

Java


Métodos syncronizados

Declarar un método comosynchronized void f() { ... }

es equivalente a usar un bloque sincronizado en suinterior:void f() { synchronized(this) { ... } }

Los monitores permiten que el mismo hilo puede accedera otros métodos o bloques sincronizados del mismo objetosin problema.Se libera el cerrojo sea el modo que sea que termine elmétodo.Los constructores no se pueden declarar synchronized.

CD

Java


Syncronización y herencia

No hace falta mantener el modo sincronizadosobreescribiendo métodos síncronos mientras se extiendeuna clase. (No se puede forzar un método sincronizada enuna interfaz.)Sin embargo, una llamada al método de la clase súperior(con super.) sigue funcionando de modo síncrono.Los métodos estáticos también pueden ser declaradossynchronized garantizando su ejecución de maneraexclusiva entre varios hilos.

CD

Java


Protección de miembros estáticos

En ciertos casos se tiene que proteger el acceso a miembrosestáticos con un cerrojo. Para conseguir eso es posiblesincronizar con un cerrojo de la clase, por ejemplo:

class MyClass {static private int nextID;...MyClass() {synchronized(MyClass.class) {

idNum=nextID++;}

}...

}

CD

Java


¡Ojo con el concepto!

Declarar un bloque o un método como síncrono solo preveeque ningún otro hilo pueda ejecutar al mismo tiempo dicharegión crítica, sin embargo, cualquier otro código asíncronopuede ser ejecutado mientras tanto y su acceso a variablescríticas puede dar como resultado fallos en el programa.

CD

Java


Objetos síncronos

Se obtienen objetos totalmente sincronizados siguiendo lasreglas:

todos los métodos son synchronized,no hay miembros/atributos públicos,todos los métodos son final,se inicializa siempre todo bien,el estado del objeto se mantiene siempre consistenteincluyiendo los casos de excepciones.

CD

Java


Páginas del manual

Se recomienda estudiar detenidamente las páginas del manualde Java que estén relacionados con el concepto de hilo.

CD

Java


Atomicidad en Java

Solo las asignaciónes a variables de tipos simples de 32bits son atómicas.long y double no son simples en este contexto porqueson de 64 bits, hay que declararlas volatile paraobtener acceso atómico.

CD

Java


Limitaciones para la programación concurrente

no se puede interrumpir la espera a un cerrojo (una vezllegado a un synchronized no hay vuelta atrás)no se puede influir mucho en la política del cerrojo(distinguir entre lectores y escritores, diferentes justicias,etc.)no se puede confinar el uso de los cerrojos (en cualquierlínea se puede escribir un bloque sincronizado decualquier objeto)no se puede adquirir/liberar un cerrojo en diferentes sitios,se está obligado a un estructura de bloques

CD

Java


Paquete especial para la programación concurrente

Por eso se ha introducido en Java 5 un paquete especialpara la programación concurrente.

java.util.concurrent

Hay que leer todo su manual.

CD

Java


Java: seguridad y compatibilidad

Muchas veces se oye que Java es un lenguaje seguroporque es tan estricto con sus tipos y la máquina virtual deJava puede prohibir ciertas acciones (como, por ejemplo,escribir en el disco o acceder a ciertos recursos).Sin embargo, hay que tener en cuenta que Java no es másseguro que la implementación de la máquina virtual.Java solo es tan compatible como son sus versionesreferiéndose a las implementaciones de las máquinasvirtuales y de los paquetes en las diferentes plataformas.

CD

Hilos de Java

repetición

Entonces ¿Qué es un hilo?

Un hilo es una secuencia de instruccionesque está controlada por un planificador yque se comporta como un flujo de control secuencial.

El planificador gestiona el tiempo de ejecución delprocesador y asigna de alguna manera dicho tiempo a losdiferentes hilos actualmente presentes.Normalmente los hilos de un proceso (en este contexto elproceso es lo que se suele llamar así en el ámbito desistemas operativos) suelen tener acceso a todos losrecursos disponibles al proceso, es decir, actuan sobreuna memoria compartida.Los problemas y sorpresas de dicho funcionamientoveremos más adelante.

CD

Hilos de Java

repetición

Paquete de hilos

En Java los hilos están en el paquetejava.lang.thread

y se puede usar por ejemplo dos hilos para realizar unpequeño pingPONG:

Thread PingThread = new Thread();PingThread.start();Thread PongThread = new Thread();PongThread.start();

CD

Hilos de Java

PingPONG: variaciones sobre un tema

Ejemplo: el ping

Por defecto, un hilo nuevamente creado y lanzado aún siendoactivado así no hace nada. Sin embargo, los hilos se ejecutandurante un tiempo infinito y hay que abortar el programa deforma bruta: control–C en el terminal.Extendemos la clase y sobre–escribimos el método run()para que haga algo útil:

public class CD_PingThread extends Thread {public void run() {while(true) {System.out.print("ping ");

}}

}

CD

Hilos de Java


Ejemplo: el PONG

El hilo hereda todo de la clase Thread, pero sobreescribe elmétodo run(). Hacemos lo mismo para el otro hilo:

public class CD_PongThread extends Thread {public void run() {while(true) {System.out.print("PONG ");

}}

}

CD

Hilos de Java


Programa/hilo principal

CD_PingThread PingThread=new CD_PingThread();PingThread.start();CD_PongThread PongThread=new CD_PongThread();PongThread.start();

CD

Hilos de Java


Resultados

Resultado (esperado):

los dos hilos producen cada uno por su partesus salidas en la pantalla

Resultado (observado):

se ve solamente la salida de un hilo durantecierto tiempoparece que la salida dependa cómo elplanificador está realizado en el entorno Java

CD

Hilos de Java


Objetivo

Nuestro objetivo es:la ejecución del pingPONG independientementedel sistema debajo y que siempre funciona bien.

CD

Hilos de Java


Intento con dormir I

Intentamos introducir una pausa para “motivar” el planificadorpara que cambie los hilos:

public class CD_PingThread extends Thread {public void run() {while(true) {

System.out.print("ping ");try {

sleep(10);}catch(InterruptedException e) {

return;}

}}

}

CD

Hilos de Java


Intento con dormir II

public class CD_PongThread extends Thread {public void run() {while(true) {

System.out.print("PONG ");try {

sleep(50);}catch(InterruptedException e) {

return;}

}}

}

CD

Hilos de Java


Resultados


se ve un poco más ping que PONGincluso si los dos tiempos de espera soniguales no se ve ningún pingPONG perfecto

CD

Hilos de Java


Intento con ceder I

Existe el método yield() (cede) para avisar explícitamente alplanificador de que debe cambiar los hilos:

public class CD_PingThread extends Thread {public void run() {while(true) {System.out.print("ping ");yield();

}}

}

CD

Hilos de Java


Intento con ceder II

public class CD_PongThread extends Thread {public void run() {while(true) {

System.out.print("PONG ");yield();

}}

}

CD

Hilos de Java


Resultados


se ve un ping y un PONG alternativamente,pero de vez en cuando aparecen dos pings odos PONGsparece que el planificador re–seleccione elmismo hilo que ha lanzado el yield()(puede ser que el tercer hilo siendo elprograma principal está intercalado de vez encuando)dicho comportamiento depende del sistemaconcreto con el cual se está trabajando

CD

Hilos de Java


Solución

Prácticas: codificar los ejemplos y realizar un pingPONGperfecto.

CD

De programación secuencial a programación concurrente

corrección

Algoritmo secuencial

Asumimos que tengamos solamente las operacionesaritméticas sumar y subtraer disponibles en un procesadorfictício y queremos multiplicar dos números positivos.

Un posible algoritmo sequencial que multiplica el número pcon el número q produciendo el resultado r es:

Initially: set p and q to positive numbers

a: set r to 0b: loopc: if q equal 0 exitd: set r to r+pe: set q to q-1f: endloopg: ...

CD


corrección

Algoritmo secuencial

Asumimos que tengamos solamente las operacionesaritméticas sumar y subtraer disponibles en un procesadorfictício y queremos multiplicar dos números positivos.Un posible algoritmo sequencial que multiplica el número pcon el número q produciendo el resultado r es:


a: set r to 0b: loopc: if q equal 0 exitd: set r to r+pe: set q to q-1f: endloopg: ...

CD


corrección

¿Cómo se comprueba sí el algoritmo es correcto?

Primero tenemos que decir que significa correcto.El algoritmo (secuencial) es correcto si

una vez se llega a la instrucción g: el valor de la variable rcontiene el producto de los valores de las variables p y q(se refiere a sus valores que han llegado a la instruccióna:)

se llega a la instrucción g: en algún momento

CD


corrección

¿Cómo se comprueba sí el algoritmo es correcto?

Primero tenemos que decir que significa correcto.El algoritmo (secuencial) es correcto si

una vez se llega a la instrucción g: el valor de la variable rcontiene el producto de los valores de las variables p y q(se refiere a sus valores que han llegado a la instruccióna:)se llega a la instrucción g: en algún momento

CD


corrección

Tenemos que saber que las instrucciones atómicas soncorrectas,

es decir, sabemos exactamente su significado, incluyendotodos los efectos segundarios posibles.Luego usamos el concepto de inducción para comprobarel bucle.Sean pi , qi , y ri los contenidos de los registros p, q, y r,respectivamente.La invariante cuya corrección hay que comprobar con elconcepto de inducción es entonces:

ri + pi · qi = p · q

CD


corrección

Tenemos que saber que las instrucciones atómicas soncorrectas,es decir, sabemos exactamente su significado, incluyendotodos los efectos segundarios posibles.

Luego usamos el concepto de inducción para comprobarel bucle.Sean pi , qi , y ri los contenidos de los registros p, q, y r,respectivamente.La invariante cuya corrección hay que comprobar con elconcepto de inducción es entonces:


CD


corrección

Tenemos que saber que las instrucciones atómicas soncorrectas,es decir, sabemos exactamente su significado, incluyendotodos los efectos segundarios posibles.Luego usamos el concepto de inducción para comprobarel bucle.

Sean pi , qi , y ri los contenidos de los registros p, q, y r,respectivamente.La invariante cuya corrección hay que comprobar con elconcepto de inducción es entonces:


CD


corrección

Tenemos que saber que las instrucciones atómicas soncorrectas,es decir, sabemos exactamente su significado, incluyendotodos los efectos segundarios posibles.Luego usamos el concepto de inducción para comprobarel bucle.Sean pi , qi , y ri los contenidos de los registros p, q, y r,respectivamente.

La invariante cuya corrección hay que comprobar con elconcepto de inducción es entonces:


CD


corrección

Tenemos que saber que las instrucciones atómicas soncorrectas,es decir, sabemos exactamente su significado, incluyendotodos los efectos segundarios posibles.Luego usamos el concepto de inducción para comprobarel bucle.Sean pi , qi , y ri los contenidos de los registros p, q, y r,respectivamente.La invariante cuya corrección hay que comprobar con elconcepto de inducción es entonces:


CD


corrección

Algoritmo concurrente

Reescribimos el algoritmo secuencial para que “funcione” condos procesos:


a: set r to 0P0 P1

b: loop loopc: if q equal 0 exit if q equal 0 exitd: set r to r+p set r to r+pe: set q to q-1 set q to q-1f: endloop endloopg: ...

CD


corrección

Intercalaciones posibles

El algoritmo no es determinista,en el sentido que no se sabe de antemano en qué ordense van a ejecutar las instrucciones,o más preciso, cómo se van a intercalar las instruccionesde ambos procesos.

El nodeterminismo puede provocar situaciones que deriven enerrores transitorios, es decir, el fallo ocurre solamente si lasinstrucciones se ejecutan en un orden específico.Ejemplo: (mostrado en pizarra)

CD


corrección

Funcionamiento correcto I

Generalmente se dice que un programa es correcto si dadauna entrada el programa produce los resultados deseados.Más formal:

Sea P(x) una propiedad de una variable x de entrada(aquí el símbolo x refleja cualquier conjunto de variablesde entradas).

Sea Q(x , y) una propiedad de una variable x de entrada yde una variable y de salida.

CD


corrección

Funcionamiento correcto I

Generalmente se dice que un programa es correcto si dadauna entrada el programa produce los resultados deseados.Más formal:

Sea P(x) una propiedad de una variable x de entrada(aquí el símbolo x refleja cualquier conjunto de variablesde entradas).Sea Q(x , y) una propiedad de una variable x de entrada yde una variable y de salida.

CD


corrección

Funcionamiento correcto II

Se define dos tipos de funcionamiento correcto de unprograma:

funcionamiento correcto parcial:dada una entrada a, si P(a) es verdadero, y si selanza el programa con la entrada a, entonces si elprograma termina habrá calculado b y Q(a, b)también es verdadero.

funcionamiento correcto total:dado una entrada a, si P(a) es verdadero, y si selanza el programa con la entrada a, entonces elprograma termina y habrá calculado b con Q(a, b)siendo también verdadero.

CD


corrección

Funcionamiento correcto III

Un ejemplo es el cálculo de la raíz cuadrada, si x es unnúmero flotante (por ejemplo en el estándar IEEE)queremos que un programa que calcula la raíz, lo hacecorrectamente para todos los números x ≥ 0.Para que los procesadores puedan usar una función total(que hoy día ya es parte de las instrucciones básicas demuchos procesadores), hay que incluir los casos que x esnegativo; para eso el estándar usa la codificación de nan(not-a-number).Calcular la raíz de un número negativo (o de nan) resultaen nan.(Entonces para nan como argumento también hay quedefinir todas las funciones.)

CD


corrección

Funcionamiento correcto IV

Se distingue los dos casos sobre todo porque el problemasi un programa, dado una entrada, se para, no escalculable.O en otras palabras, no podemos “completar” siempre lafunción por calcular.

CD


corrección

Funcionamiento correcto V

Para un programa secuencial existe solamente un orden totalde las instrucciones atómicas (en el sentido que un procesadorsecuencial siempre sigue el mismo orden de las instrucciones),mientras que para un programa concurrente puedan existirvarios órdenes.Por eso se tiene que exigir:

funcionamiento correcto concurrente:un programa concurrente funciona correctamentesi el resultado Q(x , y) no depende del orden delas instrucciones atómicas entre todos los órdenesposibles.

CD


corrección

Funcionamiento correcto VI

Entonces:Se debe asumir que los hilos pueden intercalarse encualquier punto en cualquier momento.

Los programas no deben estar basados en la suposiciónde que habrá un intercalado específico entre los hilos porparte del planificador.

CD


corrección

Funcionamiento correcto VI

Entonces:Se debe asumir que los hilos pueden intercalarse encualquier punto en cualquier momento.Los programas no deben estar basados en la suposiciónde que habrá un intercalado específico entre los hilos porparte del planificador.

CD


corrección

Funcionamiento correcto VII

Para comprobar si un programa concurrente es incorrectobasta con encontrar una intercalación de instrucciones quenos lleva en un fallo.

Para comprobar si un programa concurrente es correctohay que comprobar que no se produce ningún fallo enninguna de las intercalaciones posibles.

CD


corrección

Funcionamiento correcto VII

Para comprobar si un programa concurrente es incorrectobasta con encontrar una intercalación de instrucciones quenos lleva en un fallo.Para comprobar si un programa concurrente es correctohay que comprobar que no se produce ningún fallo enninguna de las intercalaciones posibles.

CD


corrección

Imposibilidad de comprobación exhaustiva

El número de posibles intercalaciones de los procesos enun programa concurrente crece exponencialmente con elnúmero de unidades que maneja el planificador.Por eso es prácticamente imposible comprobar con lamera enumeración si un programa concurrente es correctobajo todas las ejecuciones posibles.En la argumentación hasta ahora era muy importante quelas instrucciones se ejecutaran de forma atómica, es decir,sin interrupción ninguna.Por ejemplo, se observa una gran diferencia si elprocesador trabaja directamente en memoria o si trabajacon registros.

CD


corrección

Dependencia de atomicidad I

P1: inc NP2: inc N

P2: inc NP1: inc N

Se observa: las dos intercalaciones posibles producen elresultado correcto.

CD


corrección

Dependencia de atomicidad II

P1: load R1,NP2: load R2,NP1: inc R1P2: inc R2P1: store R1,NP2: store R2,N

Es decir, existe una intercalación que produce un resultadofalso.Ejemplo de Java: accesos a variables con más de 4 byte noson atómicos.

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

¿Qué es exclusión mutua?

Para evitar el acceso concurrente a recursos compartidoshace falta instalar un mecanismo de control

que permite la entrada de un proceso si el recurso estádisponible yque prohibe la entrada de un proceso si el recurso estáocupado.

Es importante entender cómo se implementan losprotocolos de entrada y salida para realizar la exclusiónmutua.Obviamente no se puede implementar exclusión mutuausando exclusión mutua: se necesita algo más básico.Un método es usar un tipo de protocolo de comunicaciónbasado en las instrucciones básicas disponibles.

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Estructura general basada en protocolos

Entonces el protocolo para cada uno de los participantesrefleja una estructura como sigue:

P0 ... Pi...\\ ...\\entrance protocol entrance protocolcritical section critical sectionexit protocol exit protocol...\\ ...\\

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Un posible protocolo (asimétrico)

P0 P1a: loop loopb: non-critical section non-critical sectionc: set v0 to true set v1 to trued: wait until v1 equals false while v0 equals truee: set v1 to falsef: wait until v0 equals falseg: set v1 to trueh: critical section critical sectioni: set v0 to false set v1 to falsej: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Principio de la bandera

Siambos procesos primero levantan sus banderasy después miran al otro lado

por lo menos un proceso ve la bandera del otro levantado.

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Comprobación con contradicción

asumimos P0 era el último en mirarentonces la bandera de P0 está levantadaasumimos que P0 no ha visto la bandera de P1entonces P1 ha levantado la bandera después de lamirada de P0pero P1 mira después de haber levantado la banderaentonces P0 no era el último en mirar

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Propiedades de interés del protocolo

Un protocolo de entrada y salida debe cumplir con lassiguientes condiciones:

sólo un proceso debe obtener acceso a la sección crítica(garantía del acceso con exclusión mutua)un proceso debe obtener acceso a la sección críticadespués de un tiempo de espera finita

Obviamente se asume que ningún proceso ocupa la seccióncrítica durante un tiempo infinito.

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Propiedades de interés del protocolo

La propiedad de espera finita se puede analizar según lossiguientes criterios:

justicia:hasta que medida influyen las peticiones de losdemás procesos en el tiempo de espera de unproceso

espera:hasta que medida influyen los protocolos de losdemás procesos en el tiempo de espera de unproceso

tolerancia a fallos:hasta que medida influyen posibles errores de losdemás procesos en el tiempo de espera de unproceso.

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Análisis del protocolo asimétrico

Analizamos el protocolo de antes respecto a dichos criterios:¿Está garantizado la exclusión mutua?¿Influye el estado de uno (sin acceso) en el acceso delotro?¿Quién gana en caso de peticiones simultaneas?¿Qué pasa en caso de error?

CD

Exclusión mutua

a nivel bajo

Soporte hardware

Dependiendo de las capacidades del hardware laimplementación de los protocolos de entrada y salida esmás facil o más difícil, además las soluciones pueden sermás o menos eficientes.Veremos que se puede realizar un protocolo segurosolamente con las instrucciones load y store de unprocesador.Las soluciones no serán muy eficientes, especialmente simuchos procesos compiten por la sección crítica. Sinembargo, su desarrollo y la presentación de la soluciónayuda en entender el problem principal.Todos los microprocesadores modernos proporcionaninstrucciones básicas que permiten realizar los protocolosde forma más eficiente.

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Primer intento

Usamos una variable v que nos indicará cual de los dosprocesos tiene su turno.

P0 P1a: loop loopb: wait until v equals P0 wait until v equals P1c: critical section critical sectiond: set v to P1 set v to P0e: non-critical section non-critical sectionf: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Primer intento: propiedades

Está garantizada la exlusión mutua porque un procesollega a su línea c: solamente si el valor de v correspondea su identificación (que asumimos siendo única).Obviamente, los procesos pueden acceder al recursosolamente alternativamente, que puede ser inconvenienteporque acopla los procesos fuertemente.Un proceso no puede entrar más de una vez seguido en lasección crítica.Si un proceso termina el programa (o no llega más poralguna razón a su línea d:, el otro proceso puede resultarbloqueado.La solución se puede ampliar fácilmente a más de dosprocesos.

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Segundo intento

Intentamos evitar la alternancia. Usamos para cada procesouna variable, v0 para P0 y v1 para P1 respectivamente, queindican si el correspondiente proceso está usando el recurso.

P0 P1a: loop loopb: wait until v1 equals false wait until v0 equals falsec: set v0 to true set v1 to trued: critical section critical sectione: set v0 to false set v1 to falsef: non-critical section non-critical sectiong: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Segundo intento: propiedades

Ya no existe la situación de la alternancia.Sin embargo: el algoritmo no está seguro, porque los dosprocesos pueden alcanzar sus secciones críticassimultáneamente.

El problema está escondido en el uso de las variables decontrol. v0 se debe cambiar a verdadero solamente si v1sigue siendo falso.¿Cuál es la intercalación maligna?

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Tercer intento

Cambiamos el lugar donde se modifica la variable de control:

P0 P1a: loop loopb: set v0 to true set v1 to truec: wait until v1 equals false wait until v0 equals falsed: critical section critical sectione: set v0 to false set v1 to falsef: non-critical section non-critical sectiong: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Tercer intento: propiedades

Está garantizado que no entren ambos procesos al mismotiempo en sus secciones críticas.Pero se bloquean mutuamente en caso que lo intentansimultaneamente que resultaría en una espera infinita.

¿Cuál es la intercalación maligna?

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Cuarto intento

Modificamos la instrucción c: para dar la oportunidad que elotro proceso encuentre su variable a favor.

P0 P1a: loop loopb: set v0 to true set v1 to truec: repeat repeatd: set v0 to false set v1 to falsee: set v0 to true set v1 to truef: until v1 equals false until v0 equals falseg: critical section critical sectionh: set v0 to false set v1 to falsei: non-critical section non-critical sectionj: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Cuarto intento: propiedades

Está garantizado la exclusión mutua.Se puede producir una variante de bloqueo: los procesoshacen algo pero no llegan a hacer algo útil (livelock)

¿Cuál es la intercalación maligna?

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Algoritmo de Dekker: quinto intento

Initially: v0,v1 are equal to false, v is equal to P0 o P1

P0 P1a: loop loopb: set v0 to true set v1 to truec: loop loopd: if v1 equals false exit if v0 equals false exite: if v equals P1 if v equals P0f: set v0 to false set v1 to falseg: wait until v equals P0 wait until v equals P1h: set v0 to true set v1 to truei: fi fij: endloop endloopk: critical section critical sectionl: set v0 to false set v1 to falsem: set v to P1 set v to P0n: non-critical section non-critical sectiono: endloop endloop

CD

Exclusión mutua

algoritmo de Dekker

Quinto intento: propiedades

El algoritmo de Dekker resuelve el problema de exclusiónmutua en el caso de dos procesos, donde se asume que lalectura y la escritura de un valor íntegro de un registro sepuede realizar de forma atómica.

CD

Exclusión mutua

otros algoritmos para obtener exclusión mutua

Algoritmo de Peterson

P0 P1a: loop loopb: set v0 to true set v1 to truec: set v to P0 set v to P1d: wait while wait whilee: v1 equals true v0 equals turef: and v equals P0 and v equals P1g: critical section critical sectionh: set v0 to false set v1 to falsei: non-critical section non-critical sectionj: endloop endloop

CD

Exclusión mutua


Algoritmo de Lamport

o algoritmo de la panadería:

cada proceso tira un ticket (que están ordenados en ordenascendente)cada proceso espera hasta que su valor del ticket sea elmínimo entre todos los procesos esperandoel proceso con el valor mínimo accede la sección crítica

CD

Exclusión mutua


Algoritmo de Lamport: observaciones

se necesita un cerrojo (acceso con exclusión mutua) paraacceder a los ticketsel número de tickets no tiene límitelos procesos tienen que comprobar continuadamentetodos los tickets de todos los demás procesos

El algoritmo no es verdaderamente practicable dado que senecesitan infinitos tickets y un número elevado decomprobaciones.

CD

Exclusión mutua


Otros algoritmos

Como vimos, el algoritmo de Lamport (algoritmo de lapanadería) necesita muchas comparaciones de los ticketspara n procesos.Existe una versión de Peterson que usa solamentevariables confinadas a cuatro valores.Existe una generalización del algoritmo de Peterson para nprocesos (filter algorithm).Se puede evitar la necesidad de un número infinito detickets, si se conoce antemano el número máximo departicipantes (uso de grafos de precedencia).Otra posibilidad es al algoritmo de Eisenberg–McGuire.(mirad la bibliografía).

CD

Exclusión mutua


Límites

Se puede comprobar que se necesita por lo menos ncampos en la memoria para implementar un algoritmo(con load and store) que garantiza la exclusión mutuaentre n procesos.

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

Operaciones en la memoria

Si existen instrucciones más potentes (que los simplesload y store) en el microprocesador se puede realizar laexclusión mutua más fácil.Hoy casi todos los procesadores implementan un tipo deinstrucción atómica que realiza algún cambio en lamemoria al mismo tiempo que devuelve el contenidoanterior de la memoria.

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

TAS

La instrucción test-and-set (TAS) implementauna comprobación a cero del contenido de una variable enla memoriaal mismo tiempo que varía su contenidoen caso que la comprobación se realizó con el resultadoverdadero.

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

TAS

Initially: vi is equal falseC is equal true

a: loopb: non-critical sectionc: loopd: if C equals true ; atomic

set C to false and exite: endloopf: set vi to trueg: critical sectionh: set vi to falsei: set C to truej: endloop

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

TAS: propiedades

En caso de un sistema multi-procesador hay que tenercuidado que la operación test-and-set esté realizadaen la memoria compartida.Teniendo solamente una variable para la sincronización devarios procesos el algoritmo arriba no garantiza unaespera limitada de todos los procesos participando.¿Por qué?Para conseguir una espera limitada se implementa unprotocolo de paso de tal manera que un proceso saliendode su sección crítica da de forma explícita paso a unproceso esperando (en caso que tal proceso exista).¿Cómo se puede garantizar una espera limitada?

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

EXCH

La instrucción exchange (a veces llamadoread-modify-write)

intercambia un registro del procesadorcon el contenido de una dirección de la memoria

en una instrucción atómica.

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

EXCH

Initially: vi is equal falseC is equal true

a: loopb: non-critical sectionc: loopd: exchange C and vi ; atomic exchangee: if vi equals true exitf: endloopg: critical sectionh: exchange C and vii: endloop

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

EXCH: propiedades

Se observa lo mismo que en el caso anterior, no segarantiza una espera limitada.¿Cómo se consigue?

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

F&A

La instrucción fetch-and-increment

aumenta el valor de una variable en la memoriay devuelve el resultado

en una instrucción atómica.

Con dicha instrucción se puede realizar los protocolos deentrada y salida.¿Cómo?

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

CAS

La instrucción compare-and-swap (CAS) es unageneralización de la instrucción test-and-set.La instrucción trabaja con dos variables, les llamamos C(de compare) y S (de swap).Se intercambia el valor en la memoria por S si el valor enla memoria es igual que C.Es la operación que se usa por ejemplo en losprocesadores de Intel y es la base para facilitar laconcurrencia en la máquina virtual de Java 1.5 para dichafamilia de procesadores.Con dicha instrucción se puede realizar los protocolos deentrada y salida. ¿Cómo?

CD

Exclusión mutua

ayuda con hardware

double CAS

Existe también una mejora del CAS, llamadodouble-compare-and-swap, que realiza dos CAS normales a lavez, el código, expresado a alto nivel, sería:

if C1 equal to V1 and C2 equal to V2then

swap S1 and V1swap S2 and V2return true

elsereturn false

CD

Propriedades de programas concurrentes

aclaraciones

Seguridad y vivacidad/viveza

Un programa concurrente puede fallar por varias razones, lascuales se pueden clasificar entre dos grupos de propiedades:

seguridad: Esa propriedad indica que no está pasando nadamalo en el programa, es decir, el programa noejecuta instrucciones que no deba hacer (“safetyproperty”).

vivacidad: Esa propriedad indica que está pasandocontinuamente algo bueno durante la ejecución,es decir, el programa consigue algún progreso ensus tareas o en algún momento en el futuro secumple una cierta condición (“liveness property”).

CD


ejemplos

Propiedades de seguridad

Las propiedades de seguridad suelen ser algunas de lasinvariantes del programa que se tienen que introducir en lascomprobaciones del funcionamiento correcto.

Corrección: El algoritmo usado es correcto.Exclusión mutua: El acceso con exclusión mutua a regiones

críticas está garantizadoSincronización: Los procesos cumplen con las condiciones de

sincronización impuestos por el algoritmoInterbloqueo: No se produce ninguna situación en la cual todos

los procesos participantes quedan atrapados enuna espera a una condición que nunca se cumpla.

CD


ejemplos

Propiedades de vivacidad I

Inanición: Un proceso puede “morirse” por inanición(“starvation”), es decir, un proceso o variosprocesos siguen con su trabajo pero otrosnunca avanzan por ser excluidos de lacompetición por los recursos (por ejemplo enJava el uso de suspend() y resume() noestá recomendado por esa razón).Existen problemas donde la inanición no esun problema real o es muy improbable queocurra, es decir, se puede aflojar lascondiciones a los protocolos de entrada ysalida.

CD


ejemplos

Propiedades de vivacidad II

Bloqueo activo: Puede ocurrir el caso que varios procesosestán continuamente competiendo por un recursode forma activa, pero ningúno de ellos lo consigue(“livelock”).

Cancelación: Un proceso puede ser terminado desde fuera sinmotivo correcto, dicho hecho puede resultar en unbloqueo porque no se ha considerado lanecesidad que el proceso debe realizar tareasnecesarias para liberar recursos (por ejemplo, enJava el uso del stop() no está recomendado poresa razón).

Espera activa: Un proceso está comprobando continuamenteuna condición malgastando de esta maneratiempo de ejecución del procesador.

CD


justicia

Justicia entre procesos

Cuando los procesos compiten por el acceso a recursoscompartidos se pueden definir varios conceptos de justicia, porejemplo:

justicia débil: si un proceso pide acceso continuamente, leserá dado en algún momento,

justicia estricta: si un proceso pide acceso infinitamente veces,le será dado en algún momento,

espera limitada: si un proceso pide acceso una vez, le serádado antes de que otro proceso lo obtenga másde una vez,

espera ordenada en tiempo: si un proceso pide acceso, le serádado antes de todos los procesos que lo hayanpedido más tarde.

CD


justicia

Comentarios

Los dos primeros conceptos son conceptos teóricosporque dependen de términos infinitamente o en algúnmomento, sin embargo, pueden ser útiles encomprobaciones formales.En un sistema distribuido la ordenación en tiempo no estan fácil de realizar dado que la noción de tiempo no estátan clara.Normalmente se quiere que todos los procesos manifestenalgún progreso en su trabajo (pero en algunos casosaninción controlada puede ser tolerada).

CD


cómo esperar

Espera activa de procesos

El algoritmo de Dekker y sus parecidos provocan unaespera activa de los procesos cuando quieren acceder aun recurso compartido. Mientras están esperando a entraren su región crítica no hacen nada más que comprobar elestado de alguna variable.Normalmente no es aceptable que los procesospermanezcan en estos bucles de espera activa porque seestá gastando potencia del procesador inútilmente.Un método mejor consiste en suspender el trabajo delproceso y reanudar el trabajo cuando la condiciónnecesaria se haya cumplido. Naturalmente dichos técnicasde control son más complejas en su implementación quela simple espera activa.

CD


cómo esperar

Evitar epera infinita o inanición de procesos

Se implementa el acceso a recursos compartidossiguiendo un orden FIFO, es decir, los procesos tienenacceso en el mismo orden en que han pedido vez.Se asigna prioridades a los procesos de tal manera quecuanto más tiempo un proceso tiene que esperar más altose pone su prioridad con el fin que en algún momento suprioridad sea la más alta.Otra(s) técnica(s) se pide desarrollar en las tareas deprogramación.

CD

Exclusión mutua a nivel alto

Conceptos

El concepto de usar estructuras de datos a nivel alto liberaal programador de los detalles de su implementación.El programador puede asumir que las operaciones estánimplementadas correctamente y puede basar el desarrollodel programa concurrente en un funcionamiento correctode las operaciones de los tipos de datos abstractos.Las implementaciones concretas de los tipos de datosabstractos tienen que recurrir a las posibilidades descritasanteriormente.

CD


Semáforos

Semáforo

Un semáforo es un tipo de datos abstracto que permite el usode un recurso de manera exclusiva cuando varios procesosestán compitiendo y que cumple la siguiente semántica:

El estado interno del semáforo cuenta cuantos procesostodavía pueden utilizar el recurso. Se puede realizar, porejemplo, con un número entero que nunca debe llegar aser negativo.Existen tres operaciones con un semáforo: init(),wait(), y signal() que realizan lo siguiente:

CD


Semáforos

Operaciones del semáforo I

init() : Inicializa el semáforo antes de que cualquierproceso haya ejecutado ni una operación wait()ni una operación signal() al límite de númerode procesos que tengan derecho a acceder elrecurso. Si se inicializa con 1, se ha contruido unsemáforo binario.

CD


Semáforos

Operaciones del semáforo II

wait() :Si el estado indica cero, el proceso se quedaatrapado en el semáforo hasta que seadespertado por otro proceso.Si el estado indica que un proceso máspuede acceder el recurso se decrementa elcontador y la operación termina con exito.La operación wait() tiene que estárimplementada como una instrucción atómica.Sin embargo, en muchas implementacionesla operación wait() puede ser interrumpida.Normalmente existe una forma de comprobarsi la salida del wait() es debido a unainterrupción o porque se ha dado acceso alsemáforo.

CD


Semáforos

Operaciones del semáforo III

signal() :Una vez se ha terminado el uso del recurso,el proceso lo señaliza al semáforo. Si quedaalgún proceso bloqueado en el semáforo, unode ellos sea despertado, sino se incrementael contador.La operación signal() también tiene queestár implementada como instrucciónatómica. En algunás implementaciones esposible comprobar si se ha despertado unproceso con exito en caso que había algunobloqueado.Para despertar los procesos se puedenimplementar varias formas que se destinguenen su política de justicia (p.ej. FIFO).

CD


Semáforos

Uso del semáforo

El acceso mutuo a secciones críticas se arregla con unsemáforo que permita el acceso a un sólo proceso

S.init(1)

P1 P2a: loop loopb: S.wait() S.wait()c: critical section critical sectiond: S.signal() S.signal()e: non-critical section non-critical sectionf: endloop endloop

CD


Semáforos

Observamos los siguientes detalles

Si algún proceso no libera el semáforo, se puede provocarun bloqueo.No hace falta que un proceso libere su propio recurso, esdecir, la operación signal() puede ser ejecutada porotro proceso.Con simples semáforos no se puede imponer un orden alos procesos accediendo a diferentes recursos.

CD


Semáforos

Semáforos binarios/generales

Si existen en un entorno solamente semáforos binarios, sepuede simular un semáforo general usando dos semáforosbinarios y un contador, por ejemplo, con las variables delay,mutex y count.

La operación init() inicializa el contador al númeromáximo permitido.El semáforo mutex asegura acceso mutuamente exclusivoal contador.El semáforo delay atrapa a los procesos que superan elnúmero máximo permitido.

CD


Semáforos

Detalles de la implementación I

La operación wait() se implementa de la siguiente manera:

delay.wait()mutex.wait()decrement countif count greater 0 then delay.signal()mutex.signal()

CD


Semáforos

Detalles de la implementación II

La operación signal() se implementa de la siguientemanera:

mutex.wait()increment countif count equal 1 then delay.signal()mutex.signal()

CD


Semáforos

Principales desventajas de semáforos

No se puede imponer el uso correcto de las llamadas a loswait()s y signal()s.No existe una asociación entre el semáforo y el recurso.Entre wait() y signal() el usuario puede realizarcualquier operación con el recurso.

CD


Regiones críticas

Región crítica

Un lenguaje de programación puede realizar directamenteuna implementación de una región crítica.Así parte de la responsabilidad se traslada desde elprogramador al compilador.De algúna manera se identifica que algún bloque decódigo se debe tratar como región crítica (así funcionaJava con sus bloques sincronizados):

V is shared variableregion V do

code of critical region

CD


Regiones críticas

Observaciones

El compilador asegura que la variable V tenga un semáforoadjunto que se usa para controlar el acceso exclusivo deun solo proceso a la región crítica.De este modo no hace falta que el programador usedirectamente las operaciones wait() y signal() paracontrolar el acceso con el posible error de olvidarse dealgún signal().Adicionalmente es posible que dentro de la región críticase llame a otra parte del programa que a su vez contengauna región crítica. Si esta región está controlada por lamisma variable V el proceso obtiene automáticamentetambién acceso a dicha región.Las regiones críticas no son lo mismo que los semáforos,porque no se tiene acceso directo a las operacionesinit(), wait() y signal().

CD


Regiones críticas

Regiones críticas condicionales

En muchas situaciones es conveniente controlar el accesode varios procesos a una región crítica por una condición.Con las regiones críticas simples, vistas hasta ahora, nose puede realizar tal control. Hace falta otra construcción,por ejemplo:

V is shared variableC is boolean expressionregion V when C do

code of critical region

CD


Regiones críticas

Detalles de implementación I

Las regiones críticas condicionales funcionan internamente dela siguiente manera:

Un proceso que quiere entrar en la región crítica esperahasta que tenga permiso.Una vez obtenido permiso comprueba el estado de lacondición, si la condición lo permite entra en la región, encaso contrario libera el cerrojo y se pone de nuevoesperando en la cola de acceso.

CD


Regiones críticas

Detalles de implementación II

Se implementa una región crítica normalmente con doscolas diferentes.Una cola principal controla los procesos que quierenacceder a la región crítica, una cola de eventos controlalos procesos que ya han obtenido una vez el cerrojo peroque han encontrado la condición en estado falso.Si un proceso sale de la región crítica todos los procesosque quedan en la cola de eventos pasan de nuevo a lacola principal porque tienen que recomprobar la condición.

CD


Regiones críticas

Detalles de implementación III

Nota que esta técnica puede derivar en muchascomprobaciones de la condición, todos en modo exclusivo,y puede causar pérdidas de eficiencia.En ciertas circunstancias hace falta un control mássofisticado del acceso a la región crítica dando pasodirecto de un proceso a otro.

CD


Monitores

Desventajas de semáforos y regiones críticas

Todas las estructuras que hemos visto hasta ahora siguenprovocando problemas para el programador:

El control sobre los recursos está distribuido por variospuntos de un programa.No hay protección de las variables de control que siemprefueron variables globales.

CD


Monitores

Monitor

Por eso se usa el concepto de monitores que implementan unnivel aún más alto de abstracción facilitando el acceso arecursos compartidos.Un monitor es un tipo de datos abstracto que contiene

un conjunto de procedimientos de control de los cualessolamente un subconjunto es visible desde fuera,un conjunto de datos privados, es decir, no visibles desdefuera.

CD


Monitores

Detalles de implementación de un monitor

El acceso al monitor está permitido solamente a través delos métodos públicos y el compilador garantiza exclusiónmutua para todos los accesos.La implementación del monitor controla la exclusión mutuacon colas de entrada que contengan todos los procesosbloqueados.Pueden existir varias colas y el controlador del monitorelige de cual cola se va a escoger el siguiente procesopara actuar sobre los datos.Un monitor no tiene acceso a variables exteriores con elresultado de que su comportamiento no puede dependerde ellos.Una desventaja de los monitores es la exclusividad de suuso, es decir, la concurrencia está limitada si muchosprocesos hacen uso del mismo monitor.

CD


Monitores

Sincronización condicional

Un aspecto que se encuentra en muchasimplementaciones de monitores es la sincronizacióncondicional, es decir, mientras un proceso está ejecutandoun procedimiento del monitor (con exclusión mutua) puededar paso a otro proceso liberando el cerrojo.Estas operaciones se suele llamar wait() o delay(). Elproceso que ha liberado el cerrojo se queda bloqueadohasta que otro proceso le despierta de nuevo.Este bloqueo temporal está realizado dentro del monitor(dicha técnica se refleja en Java con wait() ynotify()/notifyAll()).La técnica permite la sincronización entre procesosporque actuando sobre el mismo recurso los procesospueden cambiar el estado del recurso y pasar asíinformación de un proceso al otro.

CD


Monitores

Disponibilidad de monitores

Lenguajes de alto nivel que facilitan la programaciónconcurrente suelen tener monitores implementados dentrodel lenguaje (por ejemplo en Java).El uso de monitores es bastante costoso, porque se pierdeeficiencia por bloquear mucho los procesos.Por eso se intenta aprovechar de primitivas más potentespara aliviar este problema.

CD


Monitores

Desventajas de uso de sincronización a alto nivel

No se distingue entre accesos de solo lectura y deescritura que limita la posibilidad de accesos en paralelo.Cualquier interrupción (p.ej. por falta de página dememoria) relantiza el avanze de la aplicación.Por eso las MVJ usan los procesos del sistema operativopara implementar los hilos, así el S.O. puede conmutar aotro hilo.

CD

Problema del productor y consumidor

Problema clásico

El problema del productor y consumidor es un ejemplo clásicode programa concurrente y consiste en la situación siguiente:de una parte se produce algún producto (datos en nuestrocaso) que se coloca en algún lugar (una cola en nuestro caso)para que sea consumido por otra parte. Como algoritmoobtenemos:

producer: consumer:forever forever

produce(item) take(item)place(item) consume(item)

CD


Requerimientos

Queremos garantizar que el consumidor no coja los datos másrápido de lo que los está produciendo el productor. Másconcretamente:

1 el productor puede generar sus datos en cualquiermomento, pero no debe producir nada si no lo puedecolocar

2 el consumidor puede coger un dato solamente cuando hayalguno

3 para el intercambio de datos se usa una cola a la cualambos tienen acceso, asi se garantiza el orden correcto

4 ningún dato no está consumido una vez siendo producido

CD


Cola infinita

Si la cola puede crecer a una longitud infinita (siendo el casocuando el consumidor consume más lento de lo que elproductor produce), basta con la siguiente solución quegarantiza exclusión mutua a la cola:


produce(item) itemsReady.wait()place(item) take(item)itemsReady.signal() consume(item)

donde itemsReady es un semáforo general que se hainicializado al principio con el valor 0.

CD


Corrección

El algoritmo es correcto, lo que se vee con la siguiente prueba.Asumimos que el consumidor adelanta el productor. Entoncesel número de wait()s tiene que ser más grande que elnúmero de signals():

#waits > #signals==> #signals - #waits < 0==> itemsReady < 0

y la última línea es una contradicción a la invariante delsemáforo.

CD


Más participantes

Queremos ampliar el problema introduciendo más productoresy más consumidores que trabajen todos con la misma cola.Para asegurar que todos los datos estén consumidos lo másrápido posible por algún consumidor disponible tenemos queproteger el acceso a la cola con un semáforo binario (llamadomutex abajo):

producer: consumer:forever foreverproduce(item) itemsReady.wait()mutex.wait() mutex.wait()place(item) take(item)mutex.signal() mutex.signal()itemsReady.signal() consume(item)

CD


Cola finita

Normalmente no se puede permitir que la cola crezcainfinitamente, es decir, hay que evitar producción en excesotambién. Como posible solución introducimos otro semáforogeneral (llamado spacesLeft) que cuenta cuantos espaciosquedan libre en la cola. Se inicializa el semáforo con la longitudmáxima permitida de la cola. Un productor queda bloqueado siya no hay espacio en la cola y un consumidor siñala suconsumisión.

CD


Cola finita


spacesLeft.wait() itemsReady.wait()produce(item) mutex.wait()mutex.wait() take(item)place(item) mutex.signal()mutex.signal() consume(item)itemsReady.signal() spacesLeft.signal()

CD

Arquitecturas que soportan la concurrencia

Granularidad

Se suele distinguir concurrencia

de grano finoes decir, se aprovecha de la ejecución de operacionesconcurrentes a nivel del procesador (hardware)de grano gruesoes decir, se aprovecha de la ejecución de procesos oaplicaciones a nivel del sistema operativo o a nivel de lared de ordenadores

CD


Clases de architecturas

Una clasificación clásica de ordenadores paralelos es:SIMD (single instruction multiple data)MISD (multiple instruction single data)MIMD (multiple instruction multiple data)

CD


Procesadores modernos

Hoy día, concurrencia a grano fino es estándar en losmicroprocesadores.El la familia de los procesadores de Intel, por ejemplo,existen las instrucciones MMX, SSE, y SSE2 que realizensegún la clasificación SIMD operaciones en variosregistros en paralelo.Ya están en el marcado los procesadores con dos coros,es decir, se puede programar con 4 procesadores virtualesque su vez pueden ejecutar 4 hilos independientes.

CD


graphics processing units (GPU)

La programación paralela y concurrente (y con pipeline) serevive actualmente en la programación de las GPUs (graphicsprocessing units) que son procesadores especializados parasu uso en tarjetas gráficas que cada vez se usa más para otrosfines de cálculo numérico.Los procesadores sueles usar solamente precisión simple.

CD


Conmutación

multi–programación o multi–programming: los procesos seejecutan en hardware distinto

multi–procesamiento o multi–processing: Se aprovecha de laposibilidad de multiplexar varios procesos en unsolo procesador.

multi–tarea o multi–tasking: El sistema operativo (muchasveces con la ayuda de hardware específico)realiza la ejecución de varios procesos de formacuasi–paralelo distribuyendo el tiempo disponiblea las secuencias diferentes (time–sharing system)de diferentes usuarios (con los debidas medidasde seguridad).

CD


Computación en red

La visión de ‘computación en la red’ no es nada más queun gran sistema MIMD.Existe una nueva tendencia de usar un llamado GRID desuperordenadores para resolver problemas grandes (ydistribuir el uso de los superordenadores entre másusuarios).

CD


Mecanismos de conmutación

Existen dos puntos de vista relacionados con el mecanismo deconmutación

el mecanismo de conmutación es independiente delprograma concurrente(eso suele ser el caso en sistemas operativos),el mecanismo de conmutación es dependiente delprograma concurrente(eso suele ser el caso en sistemas en tiempo real),

En el segundo caso es imprecindible incluir dicho mecanismoen el análisis del programa.

CD


Mecanismos de conmutación

Al desarrollar un programa concurrente, no se debe asumirningún comportamiento específico del planificador (siendola unidad que realiza la conmutación de los procesos).No obstante, un planificador puede analizar los programasconcurrentes durante el tiempo de ejecución para adaptarel mecanismo de conmutación hacia un mejor rendimiento(ejemplo: automatic “nice” en un sistema Unix).También los sistemas suelen ofrecer unos parámetros decontrol para influir en las prioridades de los procesos quese usa como un dato más para la conmutación.

CD


Memoria compartida homogéneo (SMP)

Sin una memoria compartida no existe concurrencia (senecesita por lo menos unos registros con acceso común).Existen varios tipos de arquitecturas de ordenadores queson diseñadas especialmente para la ejecución deprogramas concurrentes o paralelos con una memoriacompartida (por ejemplo los proyectos NYU, SB-PRAM, oTera)Muchas ideas de estos proyectos se encuentra hoy día enlos microprocesadores modernos, sobre todo en losprotocolos que controlan la coherencia de los cachés.

CD


Memoria compartida heterogéneo

Sin embargo, no hace falta que se ejecute un programa enunidades similares para obtener concurrencia.La concurrencia está presente también en sistemasheterógenos, por ejemplo, aquellos que solapan el trabajode entrada y salida con el resto de las tareas (discosduros).

CD


Comunicación y sincronización

La comunicación y sincronización entre procesos funcionamediante una memoria compartida (shared memory) a lacual pueden acceder todos los procesadores a la vez omediante el intercambio de mensajes usando una redconectando los diferentes procesadores u ordenadores, esdecir, procesamiento distribuido (distributed processing).

Sin embargo, siempre hace falta algún tipo de memoriacompartida para realizar la comunicación entre procesos,solamente que en algunos casos dicha memoria no esaccesible en forma directa por el programador.

CD


Sistemas híbridos

También existen mezclas de todo tipo de estos conceptos, porejemplo, un sistema que use multi–procesamiento con hilos yprocesos en cada procesador de un sistema distribuidosimulando una memoria compartida al nivel de la aplicación.

CD


introducción

Comunicación

Programas concurrentes o/y distribuidos necesitan algún tipode comunicación entre los procesos.Hay dos razones principales:

1 Los procesos compiten para obtener acceso a recursoscompartidos.

2 Los procesos quieren intercambiar datos.

CD


introducción

Metódos de comunicación

Para cualquier tipo de comunicación hace falta un método desincronización entre los procesos que quieren comunicarseentre ellos.Al nivel del programador existen tres variantes como realizarlas interacciones entre procesos:

1 Usar memoria compartida (shared memory).2 Mandar mensajes (message passing).3 Lanzar procedimientos remotos (remote procedure call

RPC).

CD


introducción

Síncrono y asíncrono

La comunicación no tiene que ser síncrona en todos loscasos.Existe también la forma asíncrona donde un proceso dejasu mensaje en una estructura de datos compartida por losprocesos.El proceso que ha mandado los datos puede seguir conotras tareas.El proceso que debe leer los datos, lo hace en sumomento.

CD


uso de un canal

Canal de comunicación

Una comunicación entre procesos sobre algún canal físicopuede ser no fiable en los sistemas.Se puede usar el canal

para mandar paquetes individuales del mensaje (porejemplo protocolo UDP del IP)para realizar flujos de datos (por ejemplo protocolo TCPde IP)Muchas veces se realiza los flujos con una comunicacióncon paquetes añadiendo capas de control (pila de control).

CD


uso de un canal

Posibles fallos en canales de paquetes

Para los canales de paquetes, existen varias posibilidades defallos:

1 se pierden mensajes2 se cambia el orden de los mensajes3 se modifican mensajes4 se añaden mensajes que nunca fueron mandados

CD


uso de un canal

Técnicas para superar los problemas

1 protocolo de recepción (¿Cuándo se sabe que ha llegadoel último mensaje?)

2 enumeración de los mensajes3 uso de código de correción de errores (CRC)4 protocolo de autenticación

CD


uso de un canal

Comunicación segura sin mensajes de recibo

Existen protocolos de transmisión de paquetes que nonecesitan un canal de retorno pero que garantizan ladistribución de los mensajes bajo leves condiciones al canal(digital fountain codes).

CD

Bloqueo

condiciones para un bloque

Problema

Un bloqueo se produce cuando un proceso está esperandoalgo que nunca se cumple.Ejemplo:Cuando dos procesos P0 y P1 quieren tener accesosimultaneamente a dos recursos r0 y r1, es posible que seproduzca un bloqueo de ambos procesos. Si P0 accede conexito a r1 y P1 accede con exito a r0, ambos se quedanatrapados intentando tener acceso al otro recurso.

CD

Bloqueo


Condiciones necesarias

Cuatro condiciones se tienen que cumplir para que sea posibleque se produzca un bloqueo entre procesos:

1 los procesos tienen que compartir recursos con exclusiónmutua

2 los procesos quieren acceder a un recurso más mientrasya tienen acceso exclusivo a otro

3 los recursos solo permiten ser usados por menosprocesos que lo intentan al mismo tiempo

4 existe una cadena circular entre peticiones de procesos yasignaciónes de recursos

CD

Bloqueo


Funcionamiento parcial

Un problema adicional con los bloqueos es que es posible queel programa siga funcionando correctamente según ladefinición, es decir, el resultado obtenido es el resultadodeseado, aún cuando algunos de sus procesos estánbloqueados durante la ejecución (es decir, se produjosolamente un bloque parcial).

CD

Bloqueo

técnicas para superar el problema

Técnicas de actuar

Existen algunas técnicas que se pueden usar para que no seproduzcan bloqueos:

Detectar y actuarEvitarPrevenir

CD

Bloqueo


Detectar y actuar

Se implementa un proceso adicional que vigila si los demásforman una cadena circular.Más preciso, se define el grafo de asignación de recursos:

Los procesos y los recursos representan los nodos de ungrafo.Se añade cada vez una arista entre un nodo tipo recurso yun nodo tipo proceso cuando el proceso ha obtenidoacceso exclusivo al recurso.Se añade cada vez una arista entre un nodo tipo recurso yun nodo tipo proceso cuando el proceso está pidiendoacceso exclusivo al recurso.Se eliminan las aristas entre proceso y recurso y al revéscuando el proceso ya no usa el recurso.

CD

Bloqueo


Actuación

Cuando se detecta en el grafo resultante un ciclo, es decir,cuando ya no forma un grafo acíclico, se ha producido unaposible situación de un bloqueo.Se puede reaccionar de dos maneras si se ha encontrado unciclo:

No se da permiso al último proceso de obtener el recurso.Sí se da permiso, pero una vez detectado el ciclo seaborta todos o algunos de los procesos involucrados.

CD

Bloqueo


Desventaja

Sin embargo, las técnicas pueden dar como resultado que elprograma no avance, incluso, el programa se puede quedaratrapado haciendo trabajo inútil: crear situaciones de bloqueo yabortar procesos continuamente.

CD

Bloqueo


Evitar

El sistema no da permiso de acceso a recursos si es posibleque el proceso se bloquee en el futuro.Un método es el algoritmo del banquero (Dijkstra) que es unalgoritmo centralizado y por eso posiblemente no muypracticable en muchas situaciones.Se garantiza que todos los procesos actuan de la siguientemanera en dos fases:

1 primero se obtiene todos los cerrojos necesarios pararealizar una tarea, eso se realiza solamente si se puedeobtener todos a la vez,

2 después se realiza la tarea durante la cual posiblementese liberan recursos que no son necesarias.

CD

Bloqueo


Ejemplo

Asumimos que tengamos 3 procesos que actuan con variosrecursos. El sistema dispone de 12 recursos.

proceso recursos pedidos recursos reservadosA 4 1B 6 4C 8 5

suma 18 10

es decir, de los 12 recursos disponibles ya 10 están ocupados.La única forma que se puede proceder es dar el acceso a losrestantes 2 recursos al proceso B. Cuando B haya terminadova a liberar sus 6 recursos que incluso pueden estardistribuidos entre A y C, así que ambos también puedenrealizar su trabajo.Con un argumento de inducción se verifica fácilmente quenunca se llega a ningún bloqueo.

CD

Bloqueo


Prevenir

Se puede prevenir el bloqueo siempre y cuando se consiga quealguna de las condiciones necesarias para la existencia de unbloqueo no se produzca.

1 los procesos tienen que compartir recursos con exclusiónmutua

2 los procesos quieren acceder a un recurso más mientrasya tienen acceso exclusivo a otro

3 los recursos no permiten ser usados por más de unproceso al mismo tiempo

4 existe una cadena circular entre peticiones de procesos yalocación de recursos

CD

Bloqueo


Prevenir exclusión mutua

los procesos tienen que compartir recursos con exclusiónmutua:

No se de a un proceso directamente acceso exclusivo alrecurso, si no se usa otro proceso que realiza el trabajo detodos los demás manejando una cola de tareas (porejemplo, un demonio para imprimir con su cola dedocumentos por imprimir).

CD

Bloqueo


Prevenir accesos consecutivos

los procesos quieren acceder a un recurso más mientras yatienen acceso exclusivo a otro:

Se exige que un proceso pida todos los recursos que va autilizar al comienzo de su trabajo

CD

Bloqueo


Prevenir uso único

los recursos no permiten ser usados por más de un proceso almismo tiempo:

Se permite que un proceso aborte a otro proceso con el finde obtener acceso exclusivo al recurso. Hay que tenercuidado de no caer en livelock(Separar lectores y escritores alivia este problematambién.)

CD

Bloqueo


Prevenir ciclos

existe una cadena circular entre peticiones de procesos yalocación de recursos:

Se ordenan los recursos línealmente y se fuerza a losprocesos que accedan a los recursos en el ordenimpuesto. Así es imposible que se produzca un ciclo.

En las prácticas aplicamos dicho método para prevenirbloqueos en la lista concurrente.

CD

Concurrencia en memoria distribuida

Problematica específica

terminación distribuidagestión de memoria distribuidaestado distribuidopropiedades distribuidostiempo distribuidocomunicación

CD


comunicación entre entidades

Paso de mensajesdistribución física y lógica

Un proceso manda un mensaje a otro proceso(que suele esperar dicho mensaje).Es imprecindible en sistemas distribuidos(no existen recursos directamente compartidos paraintercambiar información entre procesos)También si se trabaja con un solo procesador pasarmensajes entre procesos es un buen método desincronizar procesos y/o trabajos.Existen muchas variantes de implementaciones para elpaso de mensajes.

Destacamos unas características.

CD



Tipos de sincronización

El paso de mensajes puede ser síncrono o asíncronodependiendo de lo que haga el remitente antes de seguirprocesando, más concretamente:

rendezvous (cita) simple o de comunicación síncronael remitente puede esperar hasta que se haya ejecutado larecepción correspondiente al otro ladocomunicacón asíncronael remitente puede seguir procesando sin esperar alreceptor;rendezvous extendido o involucración remotael remitente puede esperar hasta que el receptor hayacontestado al mensaje recibido

CD



Espera finita

si antemano se desconoce el tiempo de paso de mensajesLos remitentes y los receptores pueden implementar unaespera finita (con temporizadores) para no quedarbloqueado eternamente al no llegar información necesariadel otro lado.Se necesita un mécanismo de vigilancia del canal, o bienpor interrupción o bien por inspección periódica.Sobre todo por razones de eficiencia es convenientedistinguir entre mensajes locales y mensajes aprocesadores remotos.

CD



Identificación del otro lado

Se pueden distinguir varias posibilidades en cómo dosprocesos envían y reciben sus mensajes:

se usan nombres únicos para identificar tanto el remitentecomo el receptorentonces ambas partes tienen que especificarexactamente con que proceso quieren comunicarsesolo el remitente especifica el destino, al receptor no leimporta quién ha enviado el mensaje (cierto tipo desistemas cliente/servidor)a ninguna de las dos partes le interesa cual será elproceso al otro lado, el remitente envía su mensaje a unbuzón de mensajes y el receptor inspecciona su buzón demensajes

CD



Prioridades

Para el paso de mensajes se usa muchas veces elconcepto de un canal entre el remitente y el receptor otambién entre los buzones de mensajes y sus lectores.Dichos canales no tienen que existir realmente en la capafísica de la red de comunicación.Los canales pueden ser capaces de distinguir entremensajes de diferentes prioridades.Cuando llega un mensaje de alta prioridad, éste seadelanta a todos los mensajes que todavía no se hayantraspasado al receptor (por ejemplo “out-of-band”mensajes en el protocolo ftp).

CD


el problema de la terminación

Terminación de programas

¿Cuáles pueden ser las causas por las que termina o notermina un programa?

terminar con éxitoterminar con excepciónterminar con interrupciónterminar nunca a propósitoterminar nunca por fallo

CD



Terminación de programas concurrentes

Un programa secuencial termina cuando se ha ejecutadosu última instrucción.El sistema operativo suele saber cuando ocurre eso.Sin embargo puede ser difícil detectar cuando unprograma concurrente ha terminado (sobre todo cuandotambién el sistema operativo es un sistema distribuido).Un programa concurrente termina cuando todas suspartes secuenciales han terminado.

CD



Terminación en programas distribuidos

Si el sistema distribuido contiene un procesador centralque siempre está monitorizando a los demás, se puedeimplementar la terminación igual como en un sistemasecuencial.Si el sistema no dispone de tal procesador central es másdifícil porque no se puede observar fácilmente el estadoexacto del sistema dado que en especial los canales decomunicación se resisten a la inspección y puedencontener mensajes aún no recibidos.

CD



Detección de la terminación

Asumimos el siguiente modelo de sistema distribuido:

El sistema es fiable, es decir, ni los procesos/procesadoresni el sistema de comunicación provocan fallos.Los procesos que están conectados usan un canalbidireccional para intercambiar mensajes.Existe un único proceso que inicia la computación; todoslos demás procesos son iniciados por un proceso yainiciado.

CD



Invariantes por mantener

Se envían mensajes para realizar las tareas del programa.Si un proceso recibe un mensaje lo tiene que procesar.Se envían señales para realizar la detección determinación.Cuando se decide la terminación de un proceso (por larazón que sea) no envía más mensajes a los demás, sinembargo, si recibe de nuevo un mensaje reanuda eltrabajo.Los canales para los mensajes y las señales existensiempre en pares y los canales de las señales siemprefuncionan independiente del estado del proceso o delestado del canal de mensajes.

CD



Algoritmo de detección de terminación I(V)

Un ejemplo para la detección de terminación es elalgoritmo de Dijkstra–Scholten.Asumimos primero que el grafo de los procesos (es decir,el grafo que se establece por los intercambios demensajes entre los procesos) forme un árbol.Esta situación no es tan rara considerando los muchosproblemas que se pueden solucionar con estrategias tipodivide-y-vencerás.

CD



Algoritmo de detección de terminación II(V)

La detección de la terminación resulta fácil: una hija en elárbol manda y su madre que ha terminado cuando hayarecibido el mismo mensaje de todas sus hijas y cuando seha decidido terminar también.El programa termina cuando la raíz del árbol ha terminado,es decir, cuando ha recibido todas las señales determinación de todas sus hijas y no queda nada más porhacer.La raíz propaga la decisión de que todos pueden terminardefinitivamente a lo largo del árbol.

CD



Algoritmo de detección de terminación III(V)

Ampliamos el algoritmo para que funcione también con grafosacíclicos.

Añadimos a cada arista un campo “déficit” que se aumentasiempre que se ha pasado un mensaje entre los procesosa ambos lados de la arista.Cuando se desea terminar un proceso, se envían portodas sus aristas entrantes tantas señales como indica elvalor “déficit” disminuendo así el campo.Un proceso puede terminar cuando desea terminar ytodos sus aristas salientes tengan déficit cero.

CD



Algoritmo de detección de terminación IV(V)

El algoritmo de Dijkstra-Scholten desarrollado hasta ahoraobviamente no funciona para grafos que contienen cíclos.Sin embargo, se puede usar el siguiente truco: Siempre ycuando un proceso es iniciado por primera vez, elcorrespondiente mensaje causa una arista nueva en elgrafo que es la primera que conecta a dicho proceso.Si marcamos estas aristas, se observa que forman unárbol abarcador (spanning tree) del grafo.

CD



Algoritmo de detección de terminación V(V)

El algoritmo de determinación de terminación procedeentonces como sigue:

Cuando un proceso decide terminar, envía señales segúnlos valores déficit de todas sus aristas entrantes menos delas aristas que forman parte del árbol abarcador.Una vez obtenido todos los déficits (menos los del árbol)igual a cero, se procede igual que en el caso del árbolsencillo.

CD



Sincronización del tiempoproblemática

¿Cómo conseguir que los procesos en procesadoresdistribuidos tengan la misma noción del tiempo?

CD



Sincronización del tiemporeloj sincronizado

Se implementa un reloj centralizado (hardware) con el cualtodos los procesadores se sincronizan con una desviacióncasi no apreciable.Un sistema implementado así es el GPS donde todos lossatelites tienen un reloj atómico altamente sincronizado.Se consigue una sincronización en fracciones denanosegundos.

CD



Sincronización del tiemporeloj en red

Se implementa un protocolo con un servidor de tiempo(NTP, network time protocol) con el cual los procesadoresse sincronizan de vez en cuando.No se puede ajustar el reloj hacia detrás (produciríap.e. ficheros creados en el futuro).Se deja transcurrir el tiempo más rápido o más lento(modificando las interrupciones periódicas).Se implementa una jerarquia de servidores donde losmejores (relojes atómicos) nunca se modifican, sino lohacen los demás y siempre el de menos precisión con elde más, y en el caso de empate mutuamente.Existen los protocolos con servidor activo y pasivo.

CD



Sincronización del tiemporeloj lógico

Se sincroniza los procesos con los sellos de tiempo que setransmite junto con todos los mensajes.Se observa: dos eventos en el mismo procesor son fácilesde ordenar en el tiempo.Se asume (obviamente): el paso de mensajes, comomucho, consume tiempo.Cada proceso ajusta su reloj hacia delante (en una de lacapas centrales del modelo OSI) cada vez que recibe unmensaje.Se puede implementar una ordenación global con acusosde recibi y ordenación de los mensajes en colas (en unacapa media) que transmiten las cabeceras a la aplicacióncuando no falta ningún recibo.

CD



Sincronización del tiemporeloj vectorial

Los relojes lógicos solamente ordenan los mensajes entiempo, no por causalidad.Idea: se mantiene un vector en cada proceso que contienetodos los relojes lógicos de todos los procesosinvolucrados (de hecho basta con almacenar el número deeventos de sincronización).Un proceso puede ordenar los eventos según sucausalidad porque tiene acceso a todos los ordenaciones.No se puede distinguir entre causalidad temporal ycausalidad lógico.

CD

Patrones de diseño para aplicaciones concurrentes

introducción

Concepto

Los patrones de diseño para el desarrollo de softwarerepresentan una herramienta para facilitar la producciónde aplicaciones más robustos y más reusables.Se intenta plasmar los conceptos que se encuentranfrecuentemente en las aplicaciones en algún tipo decódigo genérico.Un concepto muy parecido a los patrones de diseño seencuentra en la matemática y en la teoría de losalgoritmos, por ejemplo:

CD


introducción

Matemática

técnicas de pruebas matemáticas:

comprobación directainduccióncontradiccióncontra-ejemplocomprobación indirectadiagonalizaciónreduccióny más

CD


introducción

Algoritmia

paradigmas de desarrollo de algoritmos:

iteraciónrecursiónbúsqueda exhaustivabúsqueda binariadivide–y–vencerásramificación-y–podabarridoperturbaciónamortizacióny más

CD


introducción

Patrones

En la continuación veremos unos patrones de diseño útilespara la programación concurrente.

* Reactor* Proactor* Ficha de terminación asíncronaAceptar–Conector* GuardiánInterfaz segura para multi-hilo* Aviso de hechoObjetos activosMonitorMitad–síncrono/mitad–asíncronoLíder–y–Seguidores

CD


Reactor (dispatcher, notifier)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónque gestióna eventosdebe reaccionar a varias peticiones cuasisimultaneamente,pero las procesa de modo síncrono y en el orden dellegada.

Ejemplos:servidores con multiples clientesinterfaces al usuario con varias fuentes de eventosservicios de transaccionescentralita

CD



Comportamiento exigido

La aplicación no debe bloquear innecesariamente otraspeticiones mientras se está gestionando una petición.Debe ser fácil incorporar nuevos tipos de eventos ypeticiones.La sincronización debe ser escondida para facilitar laimplementación de la aplicación.

CD



Posible solución

Se espera en un bucle central a todos los eventos quepueden llegar.Una vez recibido un evento se traslada su procesamientoa un gestor específico de dicho tipo de evento.El reactor permite añadir/quitar gestores para eventos.

CD



Detalles de la implementación

Bajo Unix y (parcialmente) bajo Windows se puedeaprovechar de la función select() para el bucle central.Si los gestores de eventos son procesos independienteshay que evitar posibles interbloqueos o estados erroneossi varios gestores trabajan con un estado común.Se puede aprovechar del propio mecanismo de gestionareventos para lanzar eventos que provoquen que el propioreactor cambie su estado.Java no dispone de un mecanismo apropriado para emularel select() de Unix (hay que usar programaciónmulti-hilo con sincronización).

CD


Proactor

Uso

Se usa cuando una aplicaciónque gestióna eventosdebe actuar en respuesta a varias peticiones casisimultaneamente ydebe procesar los eventos de modo asíncrono notificandola terminación adecuadamente.

Ejemplos:servidores para la Redinterfaces al usuario para tratar componentes con largostiempos de cálculocontestador automático

CD


Proactor


(igual como en el caso del reactor)

La aplicación no debe bloquear innecesariamente otraspeticiones mientras se está gestionando una petición.Debe ser fácil incorporar nuevos tipos de eventos ypeticiones.La sincronización debe ser escondida para facilitar laimplementación de la aplicación.

CD


Proactor

Posible solución

Se divide la aplicación en dos partes: operaciones de largaduración (que se ejecutan asíncronamente) yadministradores de eventos de terminación para dichasoperaciones.Con un iniciador se lanza cuando haga falta la operacióncompleja.Las notificaciones de terminación se almacena en unacola de eventos que a su vez el administrador estávaciando para notificar la aplicación de la terminación deltrabajo iniciado.El proactor permite añadir/quitar gestores paraoperaciones y administradores.

CD


Proactor


Muchas veces basta con un solo proactor en unaaplicación que se puede implementar a su vez comosingleton.Se usa varios proactores en caso de diferentes prioridades(de sus colas de eventos de terminación).Se puede realizar un bucle de iniciación/terminación hastaque algún tipo de terminación se haya producido (porejemplo transpaso de ficheros en bloques y cada bloquede modo asíncrono.La operación asíncrona puede ser una operación delpropio sistema operativo.

CD


Ficha de terminación asíncrona (asynchronous completion token, active demultiplexing, magic cookie)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónque gestióna eventosdebe actuar en respuesta a sus propias peticionesde modo asíncrono después de ser notificado de laterminación del procesamiento de la petición.

Ejemplos:interacción compleja en un escenario de commercioelectrónico (relleno de formularios, suscripción a servicios)interfaces al usuario con diálogos no bloqueantescontestador automático

CD




Se quiere separar el procesamiento de respuestas a unservicio.Se quiere facilitar un servicio a muchos clientes sinmantener el estado del cliente en el servidor.

CD



Posible solución

La aplicación manda con su petición una ficha indicandocomo hay que procesar después de haber recibido unevento de terminación de la petición.La notificación de terminación incluye la ficha original.

CD




Las fichas suelen incorporar una identificación.Las fichas pueden contener directamente punteros a datoso funciones.En un entorno más heterógeno se puede aprovechar deobjetos distribuidos (CORBA).Hay que tomar medidas de seguridad para evitar elproceso de fichas no-deseados.Hay que tomar medidas para el caso de perder eventos determinación.

CD


Aceptor–Conector

Uso

Se usa cuando una aplicaciónnecesita establecer una conexión entre una pareja deservicios (por ejemplo, ordenadores en una red)donde el servicio sea transparente a las capas más altasde la aplicacióny el conocimiento de los detalles de la conexión (activo,pasivo, protocolo) no son necesarios para la aplicación.

Ejemplos:los super-servicios de unix (inetd)usando http para realizar operaciones (CLI)

CD


Aceptor–Conector


Se quiere esconder los detalles de la conexión entre dospuntos de comunicación.Se quiere un mecanismo flexible en la capa baja pararesponder eficientemente a las necesidades deaplicaciones para que se puedan jugar papeles comoservidor, cliente o ambos en modo pasivo o activo.Se quiere la posibilidad de cambiar, modificar, o añadirservicios o sus implementaciones sin que dichasmodificaciones afecten directamente a la aplicación.

CD


Aceptor–Conector

Posible solución

Se separa el establecimiento de la conexión y suinicialización de la funcionalidad de la pareja de servicios(peer services), es decir, se usa una capa de transporte yuna capa de servicios.Se divide cada pareja que constitúe una conexión en unaparte llamada aceptor y otra parte llamada conector.La parte aceptora se comporta pasiva esperando a laparte conectora que inicia activamente la conexión.Una vez establecida la conexión los servicios de laaplicación usan la capa de transporte de modotransparente.

CD


Aceptor–Conector


Muchas veces se implementa un servicio par–en–par(peer–to–peer) donde la capa de transporte ofrece unapareja de conexiones que se puede utilizarindependientemente en la capa de servicios, normalmenteuna línea para escribir y otra para recibir.La inicialización de la capa de transporte se puede llevar acabo de modo síncrono o asíncrono, es decir, la capa deservicios queda bloqueada hasta que se haya establecidola conexión o se usa un mecanismo de notificación paraavisar a la capa de servicios del establecimiento de laconexión.

CD


Aceptor–Conector


Es recomendado de usar el modo síncrono solamentecuando: el retardo esperado para establecer la conexiónes corto o la aplicación no puede avanzar mientras notenga la conexión disponible.Muchas veces el sistema operativo da soporte paraimplementar este patrón, por ejemplo, conexionesmediante sockets.Se puede aprovechar de la misma capa de transporte paradar servicio a varias aplicaciones a la vez.

CD


Guardián (guard, scoped locking, synchronized block, execute–around–object)

Uso

Se usa cuando una aplicacióncontiene procesos (hilos) que se ejecutanconcurrentemente yhay que proteger bloques de código con un punto deentrada pero varios puntos de salidapara que no entren varios hilos a la vez.

Ejemplos:cualquier tipo de protección de secciones críticas

CD




Se quiere que un proceso queda bloqueado si otroproceso ya ha entrado en la sección crítica, es decir, haobtenido la llave exclusiva de dicha sección.Se quiere que independientemente del método usado parasalir de la sección crítica (por ejemplo uso de return,break etc.) se devuelve la llave exclusiva para la región.

CD



Posible solución

Se inicializa la sección crítica con un objeto de guardiaque intenta obtener una llave exclusiva.Se aprovecha de la llamada automática de destructorespara librar la sección crítica, es decir, devolver la llave.

CD




Java proporciona el guardián directamente en el lenguaje:métodos y bloques sincronizados (synchronized).Hay que prevenir auto-bloqueo en caso de llamadasrecursivas.Hay que tener cuidado con interrupciones forzadas quecircundan el flujo de control normal.Porque el guardián no está usado en la sección crítica, elcompilador puede efectuar ciertos mensajes de alerta y —en el caso peor — un optimizador puede llegar a talextremo eliminando el objeto.

CD




Para facilitar la implementación de un guardián endiferentes entornos (incluyendo situaciones secuencialesdonde el guardián efectivamente no hace nada) se puedeaprovechar de estrategias de polimorfismo o decodificación con plantillas para flexibilizar el guardián (elpatrón así cambiado se llama a veces: strategized locking).

CD


Interfaz segura para multi-hilos (thread-safe interface)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónusa muchos hilos que trabajan con los mismos objetosy se quiere minimizar el trabajo adicional para obtener ydevolver la llave que permite acceso en modo exclusivo.

Ejemplos:uso de objetos compartidos

CD




Se quiere evitar auto-bloqueo debido a llamadas delmismo hilo para obtener la misma llave.Se quiere minimizar el trabajo adicional.

CD



Posible solución

Se aprovecha de las interfaces existentes en el lenguajede programación para acceder a los componentes de unaclase.Cada hilo accede solamente a métodos públicos mientrastodavía no haya obtenido la llave.Dichos métodos públicos intentan obtener la llave cuantoantes y delegan después el trabajo a métodos privados(protegidos).Los métodos privados (o protegidos) asumen que se hayaobtenido la llave.

CD




Los monitores de Java proporcionan directamente unmecanismo parecido al usuario, sin embargo, ciertasclases de Java (por ejemplo, tablas de dislocación (hashtables)) usan internamente este patrón por razones deeficiencia.Hay que tener cuidado de no corromper la interfaz, porejemplo, con el uso de métodos amigos (friend) quetienen acceso directo a partes privadas de la clase.El patrón no evita bloqueo, solamente facilita unaimplementación más transparente.

CD


Aviso de hecho (double-checked locking optimization, lock hint)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónusa objetos (clases) que necesitan una inicialización únicay exclusiva (patrón Singleton)que no se quiere realizar siempresino solamente en caso de necesidad explícita yque puede ser realizada por cualquier hilo que va a usar elobjeto por primera vez.

Ejemplos:construcción de singletons

CD




Se quiere un trabajo mínimo en el caso que lainicialización ya se ha llevado a cabo.Se quiere que cualquier hilo puede realizar la inicialización.Se quiere inicializar solamente en caso de necesidad real.

CD



Posible solución

Se usa un guardián para obtener exclusión mutua.Se comprueba dos veces si la inicialización ya se hallevado a cabo: una vez antes de obtener la llave y una vezdespués de haber obtenido la llave.

CD




Hay que marcar la bandera que marca si la inicializaciónestá realizada como volátil (volatile) para evitarposibles optimizaciones del compilador.El acceso a la bandera tiene que ser atómico.

CD


Objetos activos (active object, concurrent object)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónusa varios hilos y objetosdonde cada hilo puede realizar llamadas a métodos devarios objetos que a su vez se ejecutan en hilosseparados.

Ejemplos:comportamiento de camarero y cocina en un restaurante

CD




Se quiere una alta disponibilidad de los métodos de unobjeto (sobre todo cuando no se espera resultadosinmediatos, por ejemplo, mandar mensajes).Se quiere que la sincronización necesaria para involucrarlos métodos de un objeto sea lo más transparente que seaposible.Se quiere una explotación transparente del paralelismodisponible sin programar explicitamente planificadores enla aplicación.

CD



Posible solución

Para cada objeto se separa la llamada a un método de laejecución del código (es decir, se usa el patrón proxy).La llamada a un método (que se ejecuta en el hilo delcliente) solamente añade un mensaje a la lista deacciones pendientes del objeto.El objeto ejecuta con la ayuda de un planificadorcorrespondiente las acciones en la lista.La ejecución de las tareas no sigue necesariamente elorden de pedidos sino depende de las decisiones delplanificador.La sincronización entre el cliente y el objeto se realizabásicamente sobre el acceso a la lista de accionespendientes.

CD




Para devolver resultados existen varias estrategias:bloqueo de la llamada en el proxy, notificación con unmensaje (interrupción), uso del patrón futuro (se depositael objeto de retorno a la disposición del cliente).Debido al trabajo adicional el patrón es más convenientepara objetos gruesos, es decir, dondo el tiempo de cálculode sus métodos por la frecuencia de sus llamadas eslargo.Se tiene que tomar la decisión apropriada: uso de objetosactivos o uso de monitores.Se puede incorporar temporizadores para abordar (otomar otro tipo de decisiones) cuando una tarea no serealiza en un tiempo máximo establecido.

CD


Monitor (monitor object, thread-safe passive object)

Uso

Se usa cuando una aplicaciónconsiste en varios hilosque actuan sobre el mismo objeto de modo concurrente

Ejemplos:colas de pedido y colas de espera en un restaurante tipocomida rápida

CD




Se protege los objetos así que cada hilo accediendo elobjeto vea el estado apropiado del objeto para realizar suacción.Se quiere evitar llamadas explícitas a semáforos.Se quiere facilitar la posibilidad que un hilo bloqueado dejeel acceso exclusivo al objeto para que otros hilos puedantomar el mando (aún el hilo queda a la espera de re-tomarel objeto de nuevo).Si un hilo suelta temporalmente el objeto, este debe estaren un estado adecuado para su uso en otros hilos.

CD



Posible solución

Se permite el acceso al objeto solamente con métodossincronizados.Dichos métodos sincronizados aprovechan de una solallave (llave del monitor) para encadenar todos los accesos.Un hilo que ya ha obtenido la llave del monitor puedeacceder libremente los demás métodos.Un hilo reestablece en caso que puede soltar el objeto unestado de la invariante del objeto y se adjunta en una colade espera para obtener acceso de nuevo.El monitor mantiene un conjunto de condiciones quedeciden los casos en los cuales se puede soltar el objeto(o reanuar el trabajo para un hilo esperando).

CD




Los objetos de Java implícitamente usan un monitor paraadministrar las llamadas a métodos sincronizados.Hay que tener mucho cuidado durante la implementaciónde los estados invariantes que permiten soltar el monitortemporalmente a la reanuación del trabajo cuando se hacumplido la condición necesaria.Hay que prevenir el posible bloqueo que se da porllamadas intercaladas a monitores de diferentes objetos:se suelta solamente el objeto de más alto nivel y el hilo sequeda esperando en la cola de espera (un fallo común enJava).

CD


Mitad-síncrono, mitad-asíncrono

Uso

Se usa cuando una aplicacióntiene que procesar servicios síncronos y asíncronos a lavezque se comunican entre ellos

Ejemplos:administración de dispositivos controlados porinterrupcionesunir capas de implementación de aplicaciones que a nivelbajo trabajan en forma asíncrono pero que hacia ofrecenllamadas síncronas a nivel alto (por ejemplo, read/writeoperaciones a trajetas de red)organización de mesas en restaurantes con un camarerode recepción

CD




se quiere ofrecer una interfaz síncrona a aplicaciones quelo deseanse quiere mantener la capa asíncrona para aplicacionescon altas prestaciones (por ejemplo, ejecución en tiemporeal)

CD



Posible solución

se separa el servicio en dos capas que están unidos porun mecanismo de colaslos servicios asíncronos pueden acceder las colas cuandolo necesitan con la posibilidad que se bloquea un serviciosíncrono mientras tanto

CD




hay que evitar desbordamiento de las colas, por ejemplo,descartar contenido en ciertas ocaciones, es decir, hayque implementar un control de flujo adecuado para laaplicaciónse puede aprovechar de los patrones objetos activos omonitores para realizar las colaspara evitar copias de datos innesesarias se puede usarmemoria compartida para los datos de las colas,solamente el control de flujo está separado

CD


Líder–y–Seguidores (leader–followers)

Uso

Se usa cuando una aplicacióntiene que reaccionar a varios eventos a la vez yno es posible o conveniente inicializar cada vez un hilopara cada evento

Ejemplos:procesamiento de transacciones en tiempo realcolas de taxis en aeropuertos

CD




se quiere una distribución rápida de los eventos a hilos yaesperandose quiere garantizar acceso con exclusión mutua a loseventos

CD



Posible solución

se usa un conjunto de hilos organizados en una colael hilo al frente de la cola (llamado líder) procesa elsiguiente eventopero transforma primero el siguiente hilo en la cola ennuevo lídercuando el hilo ha terminado su trabajo se añade de nuevoa la cola

CD




se los eventos llegan más rápido que se pueden consumircon la cola de hilos, hay que tomar medidas apropriadas(por ejemplo, manejar los eventos en una cola, descartareventos etc.)para aumentar la eficiencia de la implementación se puedeimplementar la cola de hilos esperando como un pilael acceso a la cola de seguidores tiene que ser eficiente yrobusto

CD

Tareas de programación

Comentarios

Las tareas de programación parecen simples leyendo sudescripción, pero no son tan simples pensando en surealización.

CD


Empezando I

1 Consigue el “Hola Mundo” en Java.2 Consigue un “Hola Mundo, soy hilo ...” usando varios hilos

(mira detenidamente en los manuales de Java la claseThread y también la interfaz Runnable).

3 Mide cuantos hilos se puede lanzar y mantener vivossimultaneamente.

4 Mide el tiempo que un sólo hilo necesita para escribir porejemplo 100000 veces "Hola Mundo", y cuanto tiemponecesitan por ejemplo 1000 hilos distribuyendo el trabajoentre ellos. Realiza un diagrama dibujando tiempo deejecución frente a números de hilos.

CD


Empezando II

5 Cambia el trabajo que realiza un hilo (escribir a consola)por algo que no tenga salida, observa las diferenciascomparándolo con los resultados de antes (realiza losmismos gráficos que arriba).

6 Asegúrate que tu programa termina bien, es decir, quetodos los hilos participantes lleguen a su último “}”.

Describe de forma precisa todos tus observaciones(dependiendo del tipo de S.O., de la ocupación del ordenador,del trabajo por realizar, etc.).

CD


PingPONG I

1 Implementa un pingPONG perfecto. Ten los siguientesdetalles en cuenta:

Experimenta con los diferentes intentos presentados en losapuntes. (Observa y apunta sus propiedades.)Desarrolla una solución con las siguientes propiedades:

Usa tres hilos (un hilo para el programa principal, o elárbitro, y un hilo para cada jugador).El árbitro inicia el juego (mensaje previo a la pantalla).Los jugadores producen sus pings y PONGs alternamente.El árbitro termina el juego después de cierto tiempo o ciertonúmero de jugadas (con mensaje previo a la pantalla).Los jugadores realizan como mucho un intercambio depelota más.

CD


PingPONG II

Ambos jugadores/hilos terminan correctamente (conmensaje previo a la pantalla).El árbitro escribe el último mensaje.El programa termina correctamente.

Observa la diferencia entre el uso de notify() ynotifyAll(), sobre todo en respecto a los despiertos“inútiles” de hilos.

2 Amplía el programa para que genere tantos jugadores(hilos) como se desea (ya conoces el máximo de lapráctica anterior) y genera una tabla de tiempos deejecución incluyendo también el tiempo de ejecución conel caso del mismo programa usando un solo hilo (queentonces imprima solamente ping).

CD


PingPONG III

3 ¿Cuál sería una implementación perfecta? (es decir unaimplementación en la cual se despierta solamente al hiloque tiene que jugar en este instante).

4 Implementa el pingPONG entre dos ordenadores.Asume que los IPs estén conocidos antemano.Duplica la salida en los tres ordenadores, cada uno poneun prefijo delante, por ejemplo, arbitro:, jugadorrojo:, y jugador azul.

CD


Planificación con prioridades I

Implementa una aplicación con por lo menos tres tipos deprocesos/hilos con diferentes prioridades (llamados A, B, y Cetc.) que quieren acceder a un recurso compartido.

1 ¿Cómo implementarías el control del planificador para quetodos los procesos tengan acceso al recurso con lasiguiente forma de justicia: dentro de la misma prioridad elacceso se realiza en orden de pedido y entre los diferentesprioridades se distribuye los accesos para que en losúltimos k accesos (elegible como variable de configuracióndel planificador) por lo menos unos a % de los accesosson para los procesos de tipo A, b % para los del tipo B, y

CD


Planificación con prioridades II

c % para los del tipo C etc.? Obviamente, los porcentagesvalen solamente si hay procesos de tal tipo esperando ental momento y su suma no puede superar los 100 %.(Ayuda: un planificador sabe contar).

2 Razona si tu solución garantiza una espera finita paratodos los procesos pidiendo acceso al recurso.

CD


Estructuras de datos concurrentes I

1 Preparación:Estudia detenidamente el paquetejava.util.concurrent.Estudia la implementación de una lista concurrentehttp://trevinca.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/ConcurrentList.tgz.

2 Usa la lista concurrente para implementar una tabla dedispersión (hashtable o hashmap en inglés) de la siguientemanera:

Existe un array de tamaño fijo que contiene para cadaclave (campo en el array) una lista concurrente quealmacena a su vez las entradas con dicha clave.

http://trevinca.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/ConcurrentList.tgz

http://trevinca.ei.uvigo.es/~formella/doc/cd06/ConcurrentList.tgz

CD


Estructuras de datos concurrentes II

Implementa por lo menos las funcionalidades: insert (seinserte un nuevo objeto en la tabla), lookup (se devuelveverdadero si el objeto se encuentra en la tabla, sino falso),y delete (se borra un objeto, si existe en la tabla).

3 Implementa un caso de uso de dicha tabla de dispersión losuficientemente grande para realizar mediciones detiempo de ejecución.

4 Compara tu implementación con la ConcurrentHashMapde Java respecto a tiempo de ejecución, uso de memoria,y lo que consideras interesante.

2009/2010 dr. arno formella - universidade de vigo · 6 java 7 hilos de java 8 de programación...

Documents