Programación multiproceso en C++

Desafíos y problemas de concurrencia

• Limitaciones de hardware de la plataforma - hilos de hardware, pipelines, coherencia de la caché
• Conceptos fundamentales relacionados con la programación multiproceso (corrección del programa multiproceso, vivacidad, inanición, bloqueo, carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Disponibles en C++ mecanismos de implementación de multiproceso y multiproceso
• Implementación de la biblioteca estándar - elementos desde C++14 hasta la actualidad (C++2a)
• Implementación disponible en Boost - diferencias con respecto a la biblioteca estándar

Procesos e hilos

• Aplicaciones multiproceso frente a multiproceso
• Sistema operativo e hilos (breve reseña de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos e hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Específicos de la implementación multiproceso en el enfoque orientado a objetos (papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

• Objetos y ubicaciones en memoria
• Ordenación de operaciones y su imposición
• Relaciones: de sincronización, precedencia, ordenamiento de operaciones en favor de las operaciones atómicas, secuencias de liberación
• Barreras de memoria
• Operaciones atómicas

Gestión de hilos en el estándar C++14 y posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación del hilo
• Unión y separación del hilo
• Hilos y contenedores estándar
• Manejo de excepciones en hilos C++14

Exclusión mutua y secciones críticas

• Principios simples de exclusión mutua
• Conceptos (tipos) de objetos de bloqueo disponibles
• Rápida introducción al manejo del tiempo en C++14 (biblioteca chrono)
• Clases std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex y derivados
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos dependientes y diferidos (std::lock)
• Propiedad y copropiedad de bloqueos e hilos
• Problema lectores-escritores
• Inicialización única
• Memoria local (privada) del hilo (std::thread_local)

Bloqueos y sincronización de hilos

• Operaciones en semáforos
• Bloqueos recursivos
• Bloqueos con definición del nivel de bloqueo
• Variables de decisión y cooperación con el bloqueo
• Implementación de barreras activas y pasivas (Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación de la ejecución de los hilos
• Comunicación entre hilos (modelo de Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su manejo
• Futuros (future)
• Promesas (promise)
• Tareas preparadas (packaged_task)

Tipos atómicos

• Tipos atómicos estándar
• Bandera atómica universal (std::atomic_flag)
• Plantilla de clase "std::atomic[T]" y sus especializaciones
• Funciones de utilidad (libres) de los tipos std::atomic

Específico del diseño de API multiproceso

• Diseño de estructuras usando bloqueos - bloqueos gruesos y finos
• Rendimiento del código concurrente - técnicas de estimación y medición
• Particionamiento de datos
• Escalabilidad de las soluciones
• Manejo de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de la aplicación

Pruebas y depuración de aplicaciones multiproceso

• Revisiones de código para operaciones multiproceso
• Específico de las pruebas de aplicaciones multiproceso
• Pruebas unitarias
• Aumento de la probabilidad de situaciones de falla para las pruebas
• Métodos formales de prueba de aplicaciones multiproceso
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multiproceso frente a pruebas y depuración (reseña)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la competencia en el acceso a datos
• Parada controlada e interrupción del hilo
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Manejo de interrupciones
• Robo de tareas
• Interrupción de tareas durante el cierre de la aplicación

Patrones de diseño multiproceso

• Tipos y propósitos de los patrones multiproceso
• Alcance de aplicación de los patrones
• Pool de Hilos (Thread Pool)
• Patrón de Objeto Activo (Active Object)
• Cola Segura Multiproceso (Thread Safe Queue)
• Patrón Productor-Consumidor (Producer Consumer)
• Patrón Monitor (Monitor)
• Seguridad multiproceso de los patrones GoF