PDF de programación - Programación concurrente

Programación
concurrente

Josep Jorba Esteve
Remo Suppi Boldrito

P07/M2106/02841

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Programación concurrente

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Índice

Programación concurrente

Introducción .............................................................................................. 5

Objetivos ..................................................................................................... 7

1. Conceptos y definiciones ................................................................... 9
1.1. Ámbitos de computación concurrente ............................................. 11
1.2. Cómputo científico .......................................................................... 12
1.3. Soporte de la programación concurrente

a los sistemas distribuidos ................................................................ 15

2. Clasificaciones arquitecturales ....................................................... 17
2.1. Taxonomía de Flynn ........................................................................ 17
2.2. Por control y comunicación ............................................................. 19
2.3. Clusters y grid .................................................................................... 21

3. Descomposición de problemas ......................................................... 24
3.1. Una metodología básica ................................................................... 24
3.2. Modelos de descomposición ............................................................ 26
3.2.1. Memoria compartida ............................................................. 26
3.2.2. Paralelismo de datos .............................................................. 27
3.2.3. Paso de mensajes ................................................................... 28
3.3. Estructuras de programación............................................................. 29
3.3.1. Master-worker ......................................................................... 30
3.3.2. SPMD ..................................................................................... 30
3.3.3. Pipelining ................................................................................ 31
3.3.4. Divide and conquer .................................................................. 31
3.3.5. Paralelismo especulativo ....................................................... 31

4. Modelos de Interacción ...................................................................... 32
4.1. Cliente-servidor ................................................................................ 33
4.2. Servicios multiservidor y grupos ...................................................... 39
4.3. Arquitecturas basadas en mensajes .................................................. 43
4.4. Servidores proxy ................................................................................ 45
4.5. Código móvil .................................................................................... 46
4.6. Procesamiento peer-to-peer ................................................................ 48
4.7. Arquitecturas orientadas a servicios ................................................. 51

5. Paradigmas de programación........................................................... 54
5.1. Paso de mensajes .............................................................................. 55
5.1.1. Ejemplos de programación ................................................... 58
5.1.2. Message-oriented middleware (MOM) ...................................... 61
5.2. RPC ................................................................................................... 62

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Programación concurrente

5.2.1. Ejemplos de programación ................................................... 63
5.3. Memoria compartida. Modelos de hilos (threading). ....................... 65
5.3.1. MultiThreading ..................................................................... 65
5.3.2. OpenMP ................................................................................. 69
5.4. Objetos distribuidos ......................................................................... 72
5.5. Modelos de componentes ................................................................ 78
Java Beans .............................................................................. 79
5.6. Web Services ...................................................................................... 82
5.6.1. Un ejemplo de programación con JAX-WS .......................... 83

5.5.1.

6. Casos de uso: paradigmas y complejidad ...................................... 89
6.1. Algoritmo Merge Bitonic .................................................................. 91
6.2. Algoritmo de la burbuja .................................................................... 92
6.3. Algoritmo Radix................................................................................. 93
6.4. Conclusiones .................................................................................... 94

Glosario ..................................................................................................... 97

Bibliografía .............................................................................................. 99

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Introducción

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Programación concurrente

Como consecuencia del rápido desarrollo de Internet, la programación distri-
buida está haciéndose rápidamente popular día a día. Internet provee de los
primeros mecanismos básicos para una infraestructura global en las aplicacio-
nes distribuidas, un espacio de nombres global (basado en las URL) y protoco-
los de comunicación globales (TCP/IP). La mayoría de las plataformas de
sistemas distribuidos toman esta base para poder implementar diferentes mo-
delos de aplicaciones y de sus usos.

Por otro lado, cuando generalizamos hacia el concepto de concurrencia, como
habilidad de ejecutar múltiples actividades en paralelo o simultáneas, introdu-
cimos diferentes tipos de programación, como la paralela, la distribuida y la
de memoria compartida. El conjunto de las cuales (lo denominaremos progra-
mación concurrente) se aplica en mayor o menor medida a diferentes sistemas
distribuidos según el ámbito de aplicación.

En cuanto examinamos la programación concurrente, nos damos cuenta
de su importancia actual, y de la prospección de futuro que tiene, ya sea
desde el desarrollo de Internet y sus aplicaciones, o desde el nuevo hard-
ware de las CPU (por ejemplo, en la forma de multicores), que nos introdu-
cirá la programación concurrente como un elemento básico para todo
desarrollador de aplicaciones.

Los ambientes donde se desarrolla la programación concurrente, ya sea hoy
o en un futuro próximo, están incrementándose paulatinamente, desde las
ya mencionadas CPU multicore, y las tarjetas gráficas con sus procesadores
concurrentes (y en este sentido, el campo del software en la programación
de videojuegos), a las redes inalámbricas, y/o redes de sensores trabajando coo-
perativamente, pasando a las aplicaciones a nivel Internet, con los sistemas de
compartición de información basados en mecanismos peer-to-peer (P2P).

También son aplicables a los diferentes ámbitos de aplicación, ya sean cien-
tíficos (principalmente con computación en cluster, grid, o mediante hard-
ware de máquinas paralelas o supercomputación) o en ambientes
empresariales mediante diferentes arquitecturas por capas, y/o basadas en
componentes o invocación remota de objetos, mediante las diferentes ar-
quitecturas software empresariales.

La evolución de los sistemas distribuidos en los diferentes modelos arquitec-
turales ha creado un gran conjunto de posibilidades para la programación
concurrente, que ha hecho surgir un gran número de paradigmas de progra-
mación.

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Programación concurrente

Entendiendo estos paradigmas como clases de algoritmos que nos permiten
solucionar diferentes problemas pero disponiendo de una misma estructura de
control o concepción base.

Cada uno de ellos está mejor o peor adaptado a los diferentes ambientes dis-
tribuidos y/o paralelos, o más o menos especializado en arquitecturas de siste-
ma concretas.

En este capítulo pretendemos observar los diferentes paradigmas, así como te-
ner los conceptos teóricos y prácticos de los diferentes ambientes de progra-
mación para los sistemas concurrentes (distribuidos y/o paralelos), así como
diferentes consideraciones de prestaciones a tener en cuenta en la implemen-
tación de las soluciones según los modelos arquitecturales, de interacción (co-
municaciones), o de paradigmas de programación utilizados.

Un objetivo en especial es examinar las diferentes técnicas utilizadas en los di-
ferentes ambientes distribuidos, ya sean computaciones de tipo distribuida,
paralela, o grid. Daremos detalles, pero no entraremos en el debate, que no dis-
pone de amplio consenso en la comunidad científica, sobre las diferencias de
cada tipo de computación, distribuida, paralela, grid, o de memoria comparti-
da (shared memory). Ya que hoy en día cada vez se difuminan más las diferen-
cias, y en muchos casos la construcción de un sistema distribuido (y/o
paralelo) conlleva el uso de uno o más modelos de computación, llevándonos
a modelos híbridos dependiendo del ámbito de la aplicación.

En este sentido, consideramos la programación de tipo multithread, paralela y
distribuida, como el ámbito de estudio del presente modulo, para proporcio-
nar bases para el diseño e implementación de las aplicaciones dentro del ám-
bito de los sistemas distribuidos.

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Programación concurrente

Objetivos

Los objetivos que tiene que conseguir el estudiante en este modulo didáctico
son los siguientes:

1. Conocer los conceptos básicos de la programación concurrente, distribuida

y paralela.

2. Conoce