Programación multiproceso en C++

Desafíos y problemas de la concurrencia

• Limitaciones de hardware de las plataformas: hilos hardware, tuberías, coherencia de caché
• Conceptos básicos relacionados con la programación multiproceso (corrección del programa multiproceso, vigencia, inanición, interbloqueo, carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar el multiproceso y el multprocesamiento
• Implementación de la biblioteca estándar: elementos desde C++14 hasta la actualidad (C++2a)
• Implementación disponible en Boost: diferencias respecto a la biblioteca estándar

Procesos e hilos

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

Modelo de memoria en C++

• Objetos y ubicaciones en memoria
• Ordenamiento de operaciones y su imposición
• Relaciones: sincronización, precedencia, ordenación de operaciones para acciones atómicas, secuencias de liberación
• Barreras de memoria
• Operaciones atómicas

Gestión de hilos en C++14 y estándares posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación del hilo
• Anclaje y desanclaje de hilos
• Hilos frente a contenedores estándar
• Gestión de excepciones en hilos C++14

Exclusión mutua y secciones críticas

• Principios básicos de exclusión mutua
• Conceptos (tipos) de objetos bloqueantes disponibles
• Introducción rápida al manejo del tiempo en C++14 (biblioteca chrono)
• Clases std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex y derivadas
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos dependientes y retrasados (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 de nivel de bloqueo
• Variables condicionales y colaboración con bloqueos
• Implementación de barreras activas y pasivas (Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación de la ejecución de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo 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 tipos std::atomic

Especificidades del diseño de APIs multiproceso

• Diseño de estructuras mediante bloqueos: bloqueos granulares gruesos y finos
• Rendimiento de código concurrente: técnicas de estimación y medición
• Particionamiento de datos
• Escalabilidad de soluciones
• Gestión de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de aplicaciones

Pruebas y depuración de aplicaciones multiproceso

• Revisión de código orientada a operaciones multiproceso
• Especificidad de las pruebas de aplicaciones multiproceso
• Pruebas unitarias
• Aumento de la probabilidad de situaciones de error para pruebas
• Métodos formales de prueba de aplicaciones multiproceso
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multiproceso frente a pruebas y depuración (visión general)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la competición en el acceso a datos
• Parada controlada e interrupción de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de interrupciones
• Sustracción 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 para hilos (Thread Safe Queue)
• Patron productor-consumidor (Producer Consumer)
• Patrón monitor (Monitor)
• Seguridad multiproceso en patrones GoF