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Computación concurrente

La computación concurrente es una forma de computación en la que varios cálculos se ejecutan simultáneamente (durante períodos de tiempo superpuestos) en lugar de hacerlo de manera secuencial (uno se completa antes de que comience el siguiente).

Se trata de una propiedad de un sistema (ya sea un programa , un ordenador o una red ) en la que existe un punto de ejecución independiente o "hilo de control" para cada proceso. Un sistema concurrente es aquel en el que un cálculo puede avanzar sin esperar a que se completen todos los demás cálculos. [1]

La computación concurrente es una forma de programación modular . En su paradigma, un cálculo general se divide en subcálculos que pueden ejecutarse simultáneamente. Entre los pioneros en el campo de la computación concurrente se incluyen Edsger Dijkstra , Per Brinch Hansen y CAR Hoare . [2]

Introducción

El concepto de computación concurrente se confunde frecuentemente con el concepto relacionado pero distinto de computación paralela , [3] [4] aunque ambos pueden describirse como "múltiples procesos ejecutándose durante el mismo período de tiempo ". En la computación paralela, la ejecución ocurre en el mismo instante físico: por ejemplo, en procesadores separados de una máquina multiprocesador , con el objetivo de acelerar los cálculos; la computación paralela es imposible en un solo procesador ( de un núcleo ), ya que solo puede ocurrir un cálculo en cualquier instante (durante cualquier ciclo de reloj único). [a] Por el contrario, la computación concurrente consiste en la superposición de las duraciones de los procesos , pero la ejecución no ocurre en el mismo instante. El objetivo aquí es modelar procesos que ocurren simultáneamente, como múltiples clientes que acceden a un servidor al mismo tiempo. Estructurar sistemas de software como compuestos de múltiples partes concurrentes y comunicantes puede ser útil para abordar la complejidad, independientemente de si las partes se pueden ejecutar en paralelo. [5] : 1 

Por ejemplo, los procesos concurrentes se pueden ejecutar en un núcleo intercalando los pasos de ejecución de cada proceso a través de segmentos de tiempo compartido : solo se ejecuta un proceso a la vez y, si no se completa durante su segmento de tiempo, se detiene , comienza o se reanuda otro proceso y, más tarde, se reanuda el proceso original. De esta manera, varios procesos se encuentran en la mitad de su ejecución en un solo instante, pero solo se está ejecutando un proceso en ese instante. [ cita requerida ]

Los cálculos concurrentes se pueden ejecutar en paralelo, [3] [6] por ejemplo, asignando cada proceso a un procesador o núcleo de procesador separado, o distribuyendo un cálculo a través de una red.

El momento exacto en que se ejecutan las tareas en un sistema concurrente depende de la programación , y no siempre es necesario que las tareas se ejecuten simultáneamente. Por ejemplo, dadas dos tareas, T1 y T2: [ cita requerida ]

La palabra "secuencial" se utiliza como antónimo tanto de "concurrente" como de "paralelo"; cuando se distinguen explícitamente, concurrente/secuencial y paralelo/serial se utilizan como pares opuestos. [7] Una programación en la que las tareas se ejecutan de a una por vez (en serie, sin paralelismo), sin intercalar (secuencialmente, sin concurrencia: ninguna tarea comienza hasta que finaliza la tarea anterior) se denomina programación serial . Un conjunto de tareas que se pueden programar en serie es serializable , lo que simplifica el control de la concurrencia . [ cita requerida ]

Coordinar el acceso a recursos compartidos

El principal desafío en el diseño de programas concurrentes es el control de la concurrencia : asegurar la secuencia correcta de las interacciones o comunicaciones entre diferentes ejecuciones computacionales y coordinar el acceso a los recursos que se comparten entre las ejecuciones. [6] Los problemas potenciales incluyen condiciones de carrera , bloqueos y escasez de recursos . Por ejemplo, considere el siguiente algoritmo para realizar retiros de una cuenta corriente representada por el recurso compartido balance:

bool retirar ( int retirar )  { si ( saldo >= retiro )    { saldo -= retiro ;   devuelve verdadero ;  }  devuelve falso ; }

Supongamos que balance = 500, y dos subprocesos simultáneos realizan las llamadas withdraw(300)y withdraw(350). Si la línea 3 de ambas operaciones se ejecuta antes que la línea 5, ambas operaciones encontrarán que balance >= withdrawalse evalúa como true, y la ejecución procederá a restar el monto del retiro. Sin embargo, dado que ambos procesos realizan sus retiros, el monto total retirado terminará siendo mayor que el saldo original. Este tipo de problemas con recursos compartidos se benefician del uso de control de concurrencia o algoritmos no bloqueantes .

Ventajas

Las ventajas de la computación concurrente incluyen:

Modelos

Introducidas en 1962, las redes de Petri fueron un intento temprano de codificar las reglas de ejecución concurrente. La teoría de flujo de datos se basó más tarde en ellas y se crearon arquitecturas de flujo de datos para implementar físicamente las ideas de la teoría de flujo de datos. A fines de la década de 1970, se desarrollaron cálculos de procesos como el cálculo de sistemas de comunicación (CCS) y los procesos secuenciales de comunicación (CSP) para permitir el razonamiento algebraico sobre sistemas compuestos por componentes que interactúan. El cálculo π agregó la capacidad de razonar sobre topologías dinámicas.

Los autómatas de entrada/salida se introdujeron en 1987.

También se han desarrollado lógicas como TLA+ de Lamport y modelos matemáticos como trazas y diagramas de eventos de actor para describir el comportamiento de sistemas concurrentes.

La memoria transaccional del software toma prestado de la teoría de bases de datos el concepto de transacciones atómicas y las aplica a los accesos a la memoria.

Modelos de consistencia

Los lenguajes de programación concurrente y los programas multiprocesador deben tener un modelo de consistencia (también conocido como modelo de memoria). El modelo de consistencia define reglas sobre cómo se producen las operaciones en la memoria de la computadora y cómo se producen los resultados.

Uno de los primeros modelos de consistencia fue el modelo de consistencia secuencial de Leslie Lamport . La consistencia secuencial es la propiedad de un programa de que su ejecución produce los mismos resultados que un programa secuencial. En concreto, un programa es secuencialmente consistente si "los resultados de cualquier ejecución son los mismos que si las operaciones de todos los procesadores se ejecutaran en un orden secuencial, y las operaciones de cada procesador individual aparecen en esta secuencia en el orden especificado por su programa". [8]

Implementación

Se pueden utilizar varios métodos diferentes para implementar programas concurrentes, como implementar cada ejecución computacional como un proceso del sistema operativo o implementar los procesos computacionales como un conjunto de subprocesos dentro de un solo proceso del sistema operativo.

Interacción y comunicación

En algunos sistemas de computación concurrente, la comunicación entre los componentes concurrentes está oculta al programador (por ejemplo, mediante el uso de futuros ), mientras que en otros debe gestionarse explícitamente. La comunicación explícita se puede dividir en dos clases:

Comunicación de memoria compartida
Los componentes concurrentes se comunican modificando el contenido de las ubicaciones de memoria compartida (ejemplificados por Java y C# ). Este estilo de programación concurrente generalmente necesita el uso de alguna forma de bloqueo (por ejemplo, mutexes , semáforos o monitores ) para coordinar entre subprocesos. Un programa que implementa adecuadamente cualquiera de estos se dice que es seguro para subprocesos .
Comunicación mediante paso de mensajes
Los componentes concurrentes se comunican intercambiando mensajes (ejemplificados por MPI , Go , Scala , Erlang y occam ). El intercambio de mensajes puede llevarse a cabo de forma asincrónica, o puede utilizar un estilo de "encuentro" sincrónico en el que el remitente se bloquea hasta que se recibe el mensaje. El paso de mensajes asincrónico puede ser confiable o no confiable (a veces denominado "enviar y rezar"). La concurrencia de paso de mensajes tiende a ser mucho más fácil de razonar que la concurrencia de memoria compartida, y generalmente se considera una forma más robusta de programación concurrente. [ cita requerida ] Hay una amplia variedad de teorías matemáticas disponibles para comprender y analizar los sistemas de paso de mensajes, incluido el modelo de actor y varios cálculos de procesos . El paso de mensajes se puede implementar de manera eficiente a través del multiprocesamiento simétrico , con o sin coherencia de caché de memoria compartida .

La memoria compartida y la concurrencia en el paso de mensajes tienen diferentes características de rendimiento. Normalmente (aunque no siempre), la sobrecarga de memoria por proceso y la sobrecarga de conmutación de tareas son menores en un sistema de paso de mensajes, pero la sobrecarga del paso de mensajes es mayor que en una llamada a un procedimiento. Estas diferencias suelen verse superadas por otros factores de rendimiento.

Historia

La computación concurrente surgió a partir de trabajos anteriores sobre ferrocarriles y telegrafía , del siglo XIX y principios del XX, y algunos términos datan de este período, como los semáforos. Estos surgieron para abordar la cuestión de cómo manejar múltiples trenes en el mismo sistema ferroviario (evitando colisiones y maximizando la eficiencia) y cómo manejar múltiples transmisiones en un conjunto determinado de cables (mejorando la eficiencia), como por ejemplo mediante multiplexación por división de tiempo (década de 1870).

El estudio académico de los algoritmos concurrentes comenzó en la década de 1960, y a Dijkstra (1965) se le atribuye el primer artículo en este campo, identificando y resolviendo la exclusión mutua . [9]

Predominio

La concurrencia es omnipresente en la informática, y se da desde hardware de bajo nivel en un solo chip hasta redes mundiales. A continuación se ofrecen algunos ejemplos.

A nivel de lenguaje de programación:

A nivel del sistema operativo:

A nivel de red, los sistemas en red generalmente son concurrentes por su naturaleza, ya que constan de dispositivos separados.

Lenguajes que admiten programación concurrente

Los lenguajes de programación concurrente son lenguajes de programación que utilizan construcciones de lenguaje para la concurrencia . Estas construcciones pueden implicar subprocesamiento múltiple , compatibilidad con computación distribuida , paso de mensajes , recursos compartidos (incluida la memoria compartida ) o futuros y promesas . Dichos lenguajes a veces se describen como lenguajes orientados a la concurrencia o lenguajes de programación orientados a la concurrencia (COPL). [10]

En la actualidad, los lenguajes de programación más utilizados que tienen estructuras específicas para la concurrencia son Java y C# . Ambos lenguajes utilizan fundamentalmente un modelo de concurrencia de memoria compartida, con bloqueo proporcionado por monitores (aunque los modelos de paso de mensajes pueden y han sido implementados sobre el modelo de memoria compartida subyacente). De los lenguajes que utilizan un modelo de concurrencia de paso de mensajes, Erlang es probablemente el más utilizado en la industria en la actualidad. [ cita requerida ]

Muchos lenguajes de programación concurrente se han desarrollado más como lenguajes de investigación (por ejemplo, Pict ) que como lenguajes para uso en producción. Sin embargo, lenguajes como Erlang , Limbo y Occam han tenido un uso industrial en varias ocasiones durante los últimos 20 años. A continuación, se incluye una lista no exhaustiva de lenguajes que utilizan o proporcionan facilidades de programación concurrente:

Muchos otros lenguajes proporcionan soporte para concurrencia en forma de bibliotecas, en niveles aproximadamente comparables con la lista anterior.

Véase también

Notas

  1. ^ Esto no tiene en cuenta el paralelismo interno del núcleo de un procesador, como la segmentación o las instrucciones vectorizadas. Una máquina con un solo núcleo y un solo procesador puede ser capaz de lograr cierto paralelismo, como con un coprocesador , pero el procesador por sí solo no lo es.

Referencias

  1. ^ Conceptos de sistemas operativos , novena edición, Abraham Silberschatz. "Capítulo 4: Subprocesos"
  2. ^ Hansen, Por Brinch, ed. (2002). El origen de la programación concurrente. doi :10.1007/978-1-4757-3472-0. ISBN 978-1-4419-2986-0.S2CID 44909506  .
  3. ^ ab Pike, Rob (11 de enero de 2012). "La concurrencia no es paralelismo". Conferencia de Waza , 11 de enero de 2012. Recuperado de http://talks.golang.org/2012/waza.slide (diapositivas) y http://vimeo.com/49718712 (vídeo).
  4. ^ "Paralelismo vs. Concurrencia". Wiki Haskell .
  5. ^ Schneider, Fred B. (6 de mayo de 1997). Sobre programación concurrente . Springer. ISBN 9780387949420.
  6. ^ ab Ben-Ari, Mordechai (2006). Principios de programación concurrente y distribuida (2.ª ed.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-321-31283-9.
  7. ^ Patterson y Hennessy 2013, pág. 503.
  8. ^ Lamport, Leslie (1 de septiembre de 1979). "Cómo crear una computadora multiprocesador que ejecute correctamente programas multiproceso". IEEE Transactions on Computers . C-28 (9): 690–691. doi :10.1109/TC.1979.1675439. S2CID  5679366.
  9. ^ "PODC Influential Paper Award: 2002", Simposio ACM sobre Principios de Computación Distribuida , consultado el 24 de agosto de 2009
  10. ^ Armstrong, Joe (2003). "Creación de sistemas distribuidos fiables en presencia de errores de software" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de abril de 2016.
  11. ^ "Encabezado de biblioteca estándar <thread> (C++11)". en.cppreference.com . Consultado el 2024-10-03 .
  12. ^ "Encabezado de biblioteca estándar <coroutine> (C++20)". en.cppreference.com . Consultado el 2024-10-03 .
  13. ^ Marlow, Simon (2013) Programación paralela y concurrente en Haskell: técnicas para programación multinúcleo y multiproceso ISBN 9781449335946 
  14. ^ "Programación concurrente y paralela en Julia — JuliaCon India 2015 — HasGeek Talkfunnel". juliacon.talkfunnel.com . Archivado desde el original el 18 de octubre de 2016.
  15. ^ "PHP: paralelo - Manual" www.php.net . Consultado el 3 de octubre de 2024 .
  16. ^ "Concurrencia". docs.perl6.org . Consultado el 24 de diciembre de 2017 .
  17. ^ Documentación » La biblioteca estándar de Python » Ejecución concurrente
  18. ^ Blum, Ben (2012). "Estado mutable compartido con seguridad de tipos" . Consultado el 14 de noviembre de 2012 .
  19. ^ "Concurrencia". 2022 . Consultado el 15 de diciembre de 2022 .

Fuentes

Lectura adicional

Enlaces externos