Concorrência e paralelismo no desenvolvimento de aplicações

Anny Caroline Correa Chagas

Quem sou eu?

Participante do programa Google Summer of Code 2018

Um pouco �sobre �multitarefas

MS-DOS

primeiro passo para a multitarefa, com o uso de TSR’s

Sistemas operacionais atuais

• Tarefas tratadas como processos;
• Conceito de escalonador de processos: escolhe que processo deve executar;
• Priorização de tarefas;

Os escalonadores

• As tarefas 3 e 4 precisam esperar alguma tarefa terminar de executar

Tarefa 1

Tarefa 2

?

• Aumentar a quantidade de núcleos de processamento

• Utilizar uma tarefa específica para controlar quem executa e por quanto tempo

Multiplexação por tempo

• Cada programa usa o recurso por um dado intervalo de tempo
• Vários programas residentes na memória
• Cada programa usa a CPU em um intervalo de tempo.

​

​

A

B

C

A

B

C

A, B, C: programas

Sistema Operacional

Entrada e saída

• A CPU não fica ociosa em operações de E/S.

A

B

C

A

Sistema Operacional

Requisição de E/S

Término de E/S

SO

Serviços do Sistema Operacional

• Interface de usuário (GUI e CLI)
• Execução de programas
• Operações de I/O
• Manipulação do sistema de arquivos
• Comunicações
• Memória compartilhada
• Troca de Mensagens
• Detecção de erros
• Alocação de Recursos
• Contabilização (estatísticas / responsabilidade)
• Proteção e segurança

​

Estados de

um processo

• Novo: O processo está sendo criado
• Em execução: Instruções estão sendo executadas
• Em espera (ou bloqueado): aguardando por algum evento ocorra (conclusão de I/O ou recebimento de um sinal)
• Pronto: esperando para ser atribuído a um processador
• Concluído: O processo terminou a sua execução

​

​

Transições

NOVO

PRONTO

EM ESPERA

EM EXECUÇÃO

CONCLUÍDO

admitido

conclusão de evento ou I/O

espera por evento ou I/O

saída

escalonado

interrupção

NOVO

PRONTO

EM ESPERA

EM EXECUÇÃO

CONCLUÍDO

admitido

conclusão de evento ou I/O

espera por evento ou I/O

saída

escalonado

interrupção

• Processo P
• É admitido
• É escolhido para execução
• Solicita uma operação de I/O e é bloqueado
• O I/O é finalizado
• É escolhido para execução (novamente)
• É interrompido
• É escolhido para execução (pela terceira vez)
• É concluído

Processos

• Informalmente, um processo é a execução de um programa junto com os dados usados por ele�
• “Um processo é uma instância em execução de um aplicativo. O que isso significa? Bem, por exemplo, quando você clica duas vezes no ícone do Microsoft Word, você inicia um processo que executa o Word”.�
• Sistema operacional trata a criação, execução e encerramento de processos

O que é um

processo

​

Um programa em execução

“Dados usados no processo” - Espaço de endereçamento

Pilha: parâmetros de função, endereços de retorno e variáveis locais.�

Heap: alocação dinâmica�

Dados do processo: globais�

Texto: código executável do processo

​

Pilha de execução

int multiplica(int N1, int N2) {� int resultado;� resultado = N1 * N2;� return(resultado);�}

int main(void) {� int v1, v2, resultado;� v1 = 3;� v2 = 5;

resultado = multiplica(v1, v2);� printf("Resultado = %d\n", resultado);�}

​

​

• Um processo tem um ambiente de execução independente. Geralmente possui um conjunto completo e privado de recursos básicos de tempo de execução; em particular, cada processo tem seu próprio espaço de memória.

O que é um

processo

​

Um programa em execução

Threads

• Um processo tem duas partes:
• O fluxo de controle;
• O espaço de endereçamento�
• Uma thread consiste somente no fluxo de controle e numa pilha de memória independente �
• O escalonamento de uma thread é uma operação mais simples, já que não envolve a mudança integral do espaço de endereçamento.

O que é uma

Thread

​

Uma linha de execução

“Um thread é um caminho de execução dentro de um processo. Além disso, um processo pode conter várias threads. Quando você inicia o Word, o sistema operacional cria um processo e começa a executar a thread principal desse processo”.

Diferenças

… “a diferença essencial entre uma thread e um processo é o trabalho que cada um é usado para realizar. As threads são usadas para pequenas tarefas, enquanto os processos são usados para tarefas mais "pesadas" - basicamente a execução de aplicativos.

Propósito

​

Threads dentro do mesmo processo compartilham o mesmo espaço de endereço, enquanto diferentes processos não.

Isso permite que as threads leiam e gravem nas mesmas estruturas e variáveis de dados, além de facilitar a comunicação entre elas. A comunicação entre processos - também conhecida como IPC, ou inter-process communication - é bastante difícil e exige muitos recursos.

​

Memória

​

Desenvolvimento de aplicações

Na programação sequencial todas as instruções de um programa são executadas através de uma única linha de execução

​

​

Programação

Sequencial

​

Fluxo único de execução

tarefa 1

tarefa 2

tarefa 3

Na programação concorrente e paralela um programa pode ser executado através de diversas linhas de execução

​

​

Programação

Concorrente

e Paralela

​

vários fluxos de execução

tarefa 1

tarefa 2

tarefa 3

Não se pode supor nenhuma ordem de execução

Problemas

X = 1

X = 2*X

X = 3+X

X = 1

X = 2*X

X = 3+X

5

?

• Preciso de mecanismos de sincronismo�
• Preciso identificar se meu problema é realmente paralelizável�
• Preciso de “travas” para quando uma operação estiver sendo realizada

“Travas” - Locks

• Operações não acontecem de maneira atômica, na verdade.
• X = 1, inicialmente

Benefícios da programação concorrente

• Ganho de desempenho se houver paralelismo físico�
• Ganho de desempenho no acesso a dispositivos de hardware - o acesso a discos ou a dispositivos de rede não precisa bloquear toda a aplicação, mas apenas uma thread�
• Maior responsividade da aplicação�
• Se adequa melhor a alguns problemas

Exemplo �AudioLab Geo

Exemplo AudioLab Geo

Browser

E em outros

ambientes?

• Um único processador�
• Aplicações concorrentes por natureza�
• Modelo Síncrono

Arduino

​

Modelos de Concorrência

Assíncrono

• sincronismo explícito
• implementação complexa
• execução paralela

Síncrono

• livre de sincronização
• tende a ser mais simples
• execução serializada

Exemplo

Piscar um led a cada 1 segundo

Parar ao pressionar um botão, mantendo o LED sempre acesso �(mesmo após soltar o botão)��

Alternativa

“Sistemas reativos interagem continuamente e em tempo real com o ambiente sob os quais estão inseridos. Eles representam um campo amplo de aplicações e plataformas: de jogos eletrônicos em desktops, passando por apps em celulares, até a emergente internet das coisas em sistemas embarcados”.

Programação reativa

Céu-Arduino

loop do

par/or do

loop do

await 1s;

_leds_toggle();

end

with

await PRESS;

end

end

1. O programa inicia na “reação de boot” em apenas uma trilha. �
2. Trilhas ativas executam até esperarem ou terminarem. Esse passo é conhecido como “reação” e sempre executa em tempo limitado. �
3. A ocorrência de um evento de entrada acorda todas as trilhas esperando aquele evento. Repete o “passo 2”.