Programación multiproceso en C++

Desafíos y problemas de concurrencia

• Limitaciones de hardware en plataformas: hilos de hardware, tuberías, coherencia de caché
• Conceptos básicos relacionados con la programación multiproceso (correctitud del programa multiproceso, vivacidad, inanición, deadlock, carrera de datos, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar multiprocessing y multithreading
• 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 revisión de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos e hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Específico de la implementación de multithreading en el enfoque orientado a objetos (papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

• Objetos y ubicaciones en memoria
• Secuenciación y fuerza operativa
• Relaciones: de sincronización, precedencia, ordenamiento de operaciones para acciones 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 de hilos
• Anclar y desanclar hilos
• Hilos y contenedores estándar
• Gestión de excepciones en hilos C++14

Mutua exclusión y secciones críticas

• Reglas básicas de mutua exclusión
• 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 sus derivados
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos dependientes y diferidos (std::lock)
• Poseía y copropiedad de bloqueos e hilos
• Problema lectores-escritores
• Inicialización única
• Memoria local (privada) del hilo (ang. std::thread_local)

Bloqueos y sincronización de hilos

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

Tareas asíncronas

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

Tipos atómicos

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

Específico del diseño de APIs multiproceso

• Diseño de estructuras con bloqueos: bloqueos finos y gruesos
• Rendimiento del código concurrente: técnicas de estimación y medición
• Partición de datos
• Escalabilidad de soluciones
• Gestión de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de la aplicación

Pruebas y depuración de aplicaciones multiproceso

• Revisión de código para operaciones multiproceso
• Específico de las pruebas de aplicaciones multiproceso
• Pruebas unitarias
• Aumentar la probabilidad de situaciones críticas para las pruebas
• Métodos formales de pruebas de aplicaciones multiproceso
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multiproceso y pruebas y depuración (revisión)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la competencia en el acceso a los datos
• Detención controlada y interrupción del hilo
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de interrupciones
• Sustraer tareas
• Interrumpir tareas al finalizar la aplicación

Patrones de diseño para multiproceso

• Tipos y propósitos de los patrones multiproceso
• Alcance de la aplicación de los patrones
• Pool de hilos (ang. Thread Pool)
• Patrón de objeto activo (ang. Active Object)
• Cola segura multiproceso (ang. Thread Safe Queue)
• Patrón productor-consumidor (ang. Producer Consumer)
• Patrón monitor (ang. Monitor)
• Seguridad multiproceso de los patrones GoF