PDF de programación - Programación concurrente - Master de Computación I - Conceptos y recursos para la programación concurrente

Programación concurrente

Master de Computación

I Conceptos y recursos para la programación concurrente:
I.1 Motivación de la programación concurrente.

J.M. Drake
M. Aldea

Motivación de la programación concurrente

• La crisis del software.
• Programas secuenciales, concurrentes y de tiempo real.
• Programación concurrente.
• Programación de tiempo real.
• Entornos hardware para programación concurrente.
• Ejemplo de un problema concurrente.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

2

LA CRISIS DEL SOFTWARE.

• Conjunto de tópicos relacionados con la problemática

asociada al desarrollo de software:
"Construir una aplicación software es una tarea mucho más

compleja de lo que parece al iniciarla"

• Aspectos de esta problemática son:

 Resposiveness: No satisfacen las espectativas del usuario.
 Reliability: Presentan fallos y su depuración es muy difícil.
 Cost: El costo es difícil de evaluar y mas alto de lo esperado.
 Modificability: Son productos muy rígidos y difíciles de mantener.
 Timeless: Requieren para su ejecución mas tiempo del previsto.
 Transportability: Hay problemas para migrar entre plataforma.
 Efficiency: Sólo utilizan una parte de la capacidad de hardware.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

3

CAUSAS DE LA CRISIS DELSOFTWARE.

• Causas profundas de la crisis del software son:

 La metodología en cascada que linealiza el proceso de desarrollo.

 La metodología de modularización estructurada hace que el software

sea inflexible y difícil de mantener.

 Los programadores no tienen formación en ingeniería software.

 La “inercia” de las empresas e instituciones dificulta la introducción

de innovaciones.

 La estructura secuencial de Von Newman no se adapta a los

problemas que se abordan.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

4

PROGRAMAS Y LÍNEAS DE FLUJO DE CONTROL.

• Un programa se compone de:

 Sentencias: Establecen las actividades (operaciones y verificaciones)

que ejecuta el sistema.

 Línea de flujo de control (Thread): Establece el orden en que se

ejecutan las sentencias.

• Según las características de la línea de flujo de control los

programas se clasifican en:
 Secuenciales.
 Concurrentes (tipo especial de sistemas concurrentes: Tiempo real).

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

5

PROGRAMAS SECUENCIALES.
• Es el estilo de programación que corresponde al modelo

conceptual de Von Newmann.

• Un programa secuencial tiene una línea simple de control de

flujo.

• Las operaciones de un programa secuencial están ordenadas

de acuerdo con un orden estricto.

• El comportamiento de un programa es solo función de las
sentencias que lo componen y del orden en que se ejecutan.

• El tiempo que tarda en ejecutarse cada operación no influye

en el resultado de un programa secuencial.

• La verificación de un programa secuencial es sencilla:

 Cada sentencia da la respuesta correcta.
 Las sentencias se ejecutan en el orden adecuado.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

6

PROGRAMAS CONCURRENTES.

• Son programas que tienen múltiples líneas de flujo de control.

• Las sentencias de un programa concurrente se ejecutan de

acuerdo con un orden no estricto.

• La secuencialización de un programa concurrente es entre

hitos o puntos de sincronización.

• Un programa concurrente se suele concebir como un conjunto

de procesos que colaboran y compiten entre sí.

• Para validar un programa concurrente:

 Las operaciones se pueden validar individualmente si las variables no

son actualizadas concurrentemente.

 El resultado debe ser independiente de los tiempos de ejecución de las

sentencias.

 El resultado debe ser independiente de la plataforma en que se ejecuta.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

7

APLICACIONES DE LOS PROGRAMAS CONCURRENTES

• Aplicaciones clásicas:

 Programación de sistemas multicomputadores.
 Sistemas operativos.
 Control y monitorización de sistemas físicos.

• Aplicaciones actuales:

 Servicios WEB.
 Sistemas multimedia.
 Cálculo numérico.
 Procesamientos entrada/salida.
 Simulación de sistemas dinámicos.
 Interacción operador/máquina (GUIs)
 Tecnologías de componentes.
 Sistemas embebidos.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

8

VENTAJAS DE LA PROGRAMACION CONCURRENTE.

• Proporciona el modelo más simple y natural de concebir

muchas aplicaciones.

• Facilita el diseño orientado a objetos de las aplicaciones, ya que

los objetos reales son concurrentes.

• Hace posible compartir recursos y subsistemas complejos.
• En sistemas monoprocesadores optimiza el uso de los recursos.
• Reduce tiempos de ejecución en plataformas multiprocesadoras.
• Facilita la realización de programas fiables replicando

componentes y/o procesos.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

9

CONCEPTO DE SISTEMA DE TIEMPO REAL.

• Un sistema de tiempo real es una combinación de uno o varios
computadores, dispositivos de hardware de I/O y software de
propósito especial, en la que:
 Hay una fuerte interacción con el entorno
 El entorno cambia con el tiempo
 El sistema controla o reacciona de forma simultánea a diferentes

aspectos del entorno

• En las aplicaciones de tiempo real, el funcionamiento correcto

no sólo depende de los resultados del cálculo, sino también
del instante en el que se generan esos resultados

• Como resultado:

 Se imponen requisitos temporales sobre el software.
 El software es de naturaleza concurrente.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

10

CONCEPTO DE SISTEMA DE TIEMPO REAL.

• Características esenciales de un sistema de tiempo real:

 El orden de ejecución de las operaciones depende de:

• Los eventos externos que recibe del entorno.
• Del tiempo que transcurre.

 El cumplimiento de plazos temporales en las respuestas es parte de la

especificación funcional.

• De acuerdo con la severidad de los requerimientos

temporales:
 Sistemas de tiempo real estricto (Hard real-time): El incumplimiento

de un plazo es un fallo irrecuperable.

 Sistemas de tiempo real laxos: (Soft real-time): Los requerimientos

temporales se cumplen en promedio.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

12

SISTEMAS EMPOTRADOS.

• Un computador (y su software) se considera empotrado si:

– es un componente integral de un sistema mayor,
– se usa para controlar, monitorizar o procesar la información de ese

sistema

– y usa dispositivos hardware especiales

• La mayoría de los sistemas de tiempo real son empotrados

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

13

EJEMPLO DE PROGRAMA DE TIEMPO REAL.

• Software embarcado de control de un coche.

Tarea

Periodo

Duración

% uso

Medida de velocidad

200 ms

40 ms

Control presión carburante

400 ms

100 ms

Control Válvula Carburador

800 ms

400 ms

20%

25%

50%

• El conjunto de tareas hacen uso del 95% de la capacidad del

procesador.

• No es posible combinar secuencialmente la tres tareas.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

14

EJEMPLO: SOLUCIÓN SECUENCIAL.

• La solución requiere segmentar las
tareas mas largas en secciones mas
breves.

• La solución es difícil de mantener.

60 ms

160 ms

60 ms

120 ms

V_C

(400 ms)

0

100

200

300

400

500

600

700

M_V[1]
P_C[1]

V_C_a[1]
M_V[2]
V_C_b[1]

M_V[3]
P_C[2]

V_C_c[1]
M_V[4]
V_C_d[1]

Sleep(40ms)

800
t (ms)

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

15

EJEMPLO: TAREA APERIÓDICA.

• La tarea C_S tiene la función de bloquear el cinturón de
seguridad si el sensor de aceleración supera un umbral:

Naturaleza:
Plazo de respuesta:
Uso de CPU:
Intervalo mínimo:

800 ms

Aperiódica
30 ms

20 ms

•

Incorporar esta tarea a la estructura secuencial es muy difícil.

• La solución atender el evento en una rutina de interrupción.

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

16

EJEMPLO SOLUCIÓN CONCURRENTE.
0

El programa se plantea como cuatro procesos
concurrentes, que solo interaccionan entre sí por
compartir el mismo recurso de procesamiento.

Prioridad

200 ms

30

20

Proceso M_V
Tiempo ejec: 40 ms

400 ms

Proceso P_C
Tiempo ejec: 100 ms

800 ms

10

Proceso V_C
Tiempo ejec: 400 ms

Acelerómetro

Proceso C_S
Tiempo ejec:20 ms
Plazo ejec: 30 ms

Prioridad: 100

100

200

300

400

500

600

700

800

M_V[1]
P_C[1]

V_C[1]
M_V[2]
V_C[1]

M_V[3]
P_C[2]

V_C[1]
M_V[4]
V_C[1]

CPU Libre

ProCon’12: I.1- Motivación de la programación concurrente J. M.Drake, M. Aldea

17

Ejemplo de programa concurrente



(* Proceso de medida de la velocidad *)

program Control_coche;
process P_MedidaVelocidad;
begin
repeat M_V; sleep(160 ms); forever;
end;
process P_PresiónCarburante; (* Proceso de control de la presión de carburante *)
begin
repeat P_C; sleep(300 ms); forever;
end;
process P_ControlValvulaCarburador; (* Proc. de control de válvula del carburador *)
begin
repeat V_C; sleep(400 ms); forever;
end;
process P_ControlCinturan; (* Proceso de atención del control del cinturón *)
begin
repeat wait evento; C_S; forever;
end;
begin
cobegin

(* Programa principal *)

P_MedidaVelocidad; P_PresionCarburante;

P_ControlValvulaCarburador; P_ControlCinturón;
coend;
end.
ProCon’12: I.1- Motivación de la progr