Programación multiproceso en C++

Desafíos y problemas de concurrencia

• Limitaciones de hardware en plataformas: hilos de hardware, tuberías (pipes), coherencia de caché
• Conceptos elementales relacionados con la programación multiproceso (correción de programas multiproceso, livelock, deadlock, interbloqueo, race condition, atomicidad, modelos de consistencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar el multiproceso y multiprocessing
• 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 multiproceso basadas en hilos
• Sistema operativo e hilos (visión general breve de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos e hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especificidades de la implementación multiproceso en el enfoque orientado a objetos (papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

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

Gestión de hilos en C++14 y versiones posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación del hilo
• Unión y separación (detach) de hilos
• Hilos y contenedores estándar
• Gestión de excepciones en hilos con C++14

Exclusión mutua y secciones críticas

• Principios básicos de la exclusión mutua
• Conceptos (tipos) de objetos bloqueantes disponibles
• Rápida introducción 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)
• Propiedad 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 con semáforos
• Bloqueos recursivos
• Bloqueos definidos por el nivel de bloqueo
• Variables de decisión e interacción con bloqueos
• Implementación de barreras activas y pasivas (ang. Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación de la ejecución de los hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su gestión
• 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

Especificidades del diseño de API multiproceso

• Diseño de estructuras usando bloqueos: bloqueos de grano grueso y fino
• Rendimiento del código concurrente: técnicas de estimación y medición
• Particionamiento de datos
• Escalabilidad de las soluciones
• Gestión de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de la aplicación

Pruebas y depuración de aplicaciones multiproceso

• Revisiones de código enfocadas en operaciones multiproceso
• Especificidades de las pruebas de aplicaciones multiproceso
• Pruebas unitarias
• Aumento de la probabilidad de situaciones de error para facilitar las 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)
• Evitación de la contención en el acceso a datos
• Detención controlada e interrupción del hilo
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de interrupciones
• Hurto de tareas
• Interrupción de tareas durante el cierre de la aplicación

Patrones de diseño multiproceso

• Tipos y propósito de los patrones multiproceso
• Ámbito de aplicación de los patrones
• Pool de hilos (ang. Thread Pool)
• Patrón Active Object
• Cola segura para multiproceso (ang. Thread Safe Queue)
• Patrón productor-consumidor (ang. Producer Consumer)
• Patrón Monitor
• Seguridad multiproceso en los patrones GoF