programación concurrente — datos compar9dos y exclusión mutua · 2015. 11. 16. · exclusión...

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Programaciónconcurrente— Datoscompar9dosy exclusiónmutuaJuanAntoniodelaPuente <[email protected]>

20151026

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.es_ES

mailto:[email protected]

Programaciónconcurrente—Exclusiónmutua ©2014JuanA.delaPuente

Referencias

•ScoBOaks&HenryWongJavaThreads O'ReillyMedia;3rded(2004)

•KathySierra&BertBates HeadFirstJava,ch.15O'ReillyMedia;2nded(2005)

2

http://proquest.safaribooksonline.com/book/programming/java/0596007825

http://proquest.safaribooksonline.com/book/programming/java/0596009208

Datoscompar9dos


Variablescompar9das

• Lashebrasdeunprogramapuedenserindependientes‣ laejecucióndeunahebranoafectaaloquehaganlasdemáshebras

• …peroamenudoesmásinteresantequevariashebrascooperenpararealizarunafuncióncomún

• Unmecanismodecooperaciónmuycorrienteconsisteenusarvariablescompar9das‣ variablesalasque9enenaccesovariashebras‣ lashebraspuedenconsultar(leer)elvalordelavariableenunmomentodeterminadoomodificarlo(escribir)

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Ejemplo

• Doshebrasqueincrementanconcurrentementeelvalordeuncontador

• Problema:elresultadodependedeenquéordenseentrelacelaejecucióndelasoperacionesdecadahebra‣ estosellamacondicióndecarrera

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hebra1 hebra2

contador

contador++ contador++


Operacionesatómicas

• Laoperacióncontador++noseejecutadeunasolavez‣ sedescomponeen

registro = contador // registro es una variable temporal local de cada thread

registro = registro + 1 // incrementar el valor del registro

contador = registro // actualizar el valor del contador

• Lasoperacionesquenosepuedendescomponersellamanatómicas‣ contador++noesatómica‣ perolasoperacionesenquesedescomponesíloson

✓ enrealidaddependedelaimplementación(JVMylenguajedemáquina)

• Cuandovariashebrasseejecutanconcurrentementeseentrelazalaejecucióndesusinstruccionesatómicas

• Veamosdossecuenciasdeejecuciónposibles‣ suponemosqueinicialmentecontador==0

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©2014JuanA.delaPuenteProgramaciónconcurrente—Exclusiónmutua

Secuenciasdeejecución(1)

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registro=contador

hebra1

registro=registro+1

hebra2

registro=contador

registro=registro+1

contador=registro

contador=registro

registro ⟵ 0

registro ⟵ 1

registro ⟵ 0

registro ⟵ 1

contador ⟵ 1

contador ⟵ 1

contador == 0

contador == 1


Secuenciasdeejecución(2)

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registro=contador

hebra1

registro=registro+1

hebra2

registro=contador

registro=registro+1

contador=registro

contador=registro

registro ⟵ 0

registro ⟵ 1

registro ⟵ 1

registro ⟵ 2

contador ⟵ 2

contador ⟵ 1

contador == 0

contador == 2


Condicióndecarrera

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• ¡Elresultadopuedeser1o2!‣ dependedelasvelocidadesdeejecuciónrela9vasdelashebras- “quiéncorremás”

• Elresultadodeunprogramanodebedependerdeestosdetalles‣ imposibledepreverdeantemano‣ cadaejecuciónesdis9nta- comportamientoindeterminado

‣ imposiblehacerensayos- cadavezunresultadodiferente


Ejemplo:variablecompar9da

public class PruebaCuenta {

static long cuenta = 0; /* variable compartida */

private static class Incrementa extends Thread { public void run () { for (int i = 0; i < 1000000; i++) { cuenta++; /* región crítica */ } } }

public static void main(String[] args) { new Incrementa().start(); /* hebra 1 */ new Incrementa().start(); /* hebra 2 */ System.out.println(“contador = “ + contador); } }

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Datoscompar9dosenobjetos

• Loscamposdedatosdeobjetosalosqueseaccededesdevariashebrastambiénsondatoscompar9dos‣ tambiénpuedendanlugaracondicionesdecarrera‣ daigualqueseaccedaalosdatosdirectamente(sisonvisibles)omediantemétodos

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hebra1 hebra2

Contador

- cuenta

+ incrementar() + valor()


Ejemplo:objetosconestado(1)

public class Contador { private long cuenta = 0; /* estado */ public Contador (long valorInicial) { cuenta = valorInicial; } public void incrementar () { cuenta++; /* modifica el estado */ } public long valor () { /* devuelve el valor */ return cuenta; } }

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public class PruebaContador {

private static class Incrementa extends Thread { Contador contador;

public Incrementa (Contador c) { contador = c; }

public void run () { ... contador.incrementar(); /* región crítica */ ... } }

// continúa

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// continuación

public static void main(String[] args) { Contador contador = new Contador(0); Thread hebra1 = new Incrementa(contador); Thread hebra2 = new Incrementa(contador); /* las dos hebras comparten el objeto contador */ hebra1.start(); hebra2.start(); ... }

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Regionescrí9casyexclusiónmutua

• Lossegmentosdecódigoenqueseaccedeavariablescompar9dassellamanregionescrí9cas

• Paraevitarcondicionesdecarreraesprecisoasegurarlaexclusiónmutuaentrelashebrasenlasregionescrí9cas

• Cuandounahebraestáenunaregióncrí9caningunaotrapuedeaccederalosmismosdatos‣ primerounahebraefectúatodaslasoperacionesdesuregióncrí9ca,luegolaotra‣ elordennoimporta,siemprequenoseentrelacenlasoperacioneselementales

• Deestaformaseconsiguequelasoperacionesconvariablescompar9dasseanatómicas

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Cerrojos


Cerrojos

• Uncerrojo(lock)esunmecanismodesincronizaciónparaasegurarlaexclusiónmutua

• Puedeestarenunodeestosdosestados:‣ bloqueado(cerrado)‣ desbloqueado(abierto)

• Dosoperacionesatómicas‣ bloquear(lock)- siyaestábloqueado,lahebrasequedaesperando

‣ desbloquear(unlock)- sihayhebrasesperando,con9núaunadeellas

• Paraasegurarlaexclusiónmutua‣ bloquearcerrojo//esperasiestáocupado‣ regióncrí9ca‣ desbloquearcerrojo//sialguienesperabapuedecon9nuar

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Ejemplo

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registro=contador

hebra1

registro=registro+1

hebra2

registro=contador

registro=registro+1

contador=registro

contador=registro

registro ⟵ 0

registro ⟵ 1

registro ⟵ 1

registro ⟵ 2

contador ⟵ 2

contador ⟵ 1

contador == 0

contador == 2

bloquearcerrojocerrojo bloqueado

bloquearcerrojo

desbloquearcerrojo

desbloquearcerrojo

cerrojo desbloqueado

(cerrojo desbloqueado)

(cerrojo bloqueado)


Problemasdeloscerrojos

• Esmuymecanismodemuybajonivelquenoesaconsejableu9lizardirectamente‣ hayquehacersiemprelock()yunlock(),eneseorden‣ puedesercomplicadoconestructurasdeprogramacomplejas‣ esfácilequivocarse,muchosproblemas

• Esmejordejarqueelcompiladorlohagapornosotros‣ integrarexclusiónmutuaconobjetos‣métodosybloquessincronizadosenJava

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Monitores


ExclusiónmutuaenJava

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• Javaproporcionamecanismosdesincronizaciónabstractos‣métodossincronizados‣ bloquessincronizados

• Definenpartesdelprogramaqueseejecutanenexclusiónmutua(regionescrí9cas)

• ElcompiladorylaJVMseencargandeges9onarloscerrojosdeformaimplícita


Métodossincronizados

• Unmétodosincronizadoseejecutaenexclusiónmutuaconlosdemásmétodossincronizadosdelmismoobjeto

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public class ContadorSincronizado {

private long cuenta = 0; /* estado */

public ContadorSincronizado (long valorInicial) { cuenta = valorInicial;

}

public synchronized void incrementar () {

cuenta++;

}

public synchronized long valor () { return cuenta;

}

}


Métodossincronizados(con9nuación)

• Lasllamadasconcurrentesamétodossincronizadosseejecutanenexclusiónmutua

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... public void run () { ... contador.incrementar(); /* región crítica */ ... } ...

• Cadaobjeto9eneasociadouncerrojo‣ Alempezaraejecutarunmétodosincronizadosebloqueaelcerrojo- siyaestababloqueado,lahebraqueinvocaelmétodosesuspende- lashebrasqueesperanestánenunalistaasociadaalobjeto(entryset)

‣ Alterminarsedesbloquea- sihayhebrasesperando,sereanudalaejecucióndeunadeellas

‣ Elcompiladorgeneraelcerrojoylosbloqueosydesbloqueos


Implementación

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lock

entryset

hebraen método

sincronizado

hebrasen espera


Algunosdetalles

• Sóloseejecutanenexclusiónmutualosmétodossincronizados‣ siseolvidasincronizaralgúnmétodosepuedenproducircondicionesdecarrera

• Losmétodosdeclasetambiénsepuedensincronizar‣ seusauncerrojoparalaclaseyunoporcadaobjeto

• Losconstructoresnosepuedensincronizar‣ perosóloseinvocanalcrearunobjeto

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Monitores

• Unmonitoresunaclasequeencapsuladatoscompar9dosyoperacionesconlosmismos‣ todosloscamposdedatossehacenprivados- sólosepuedeaccederaellosatravésdemétodos

‣ todoslosmétodosestánsincronizados

• Esunesquemaclásicoparaconstruirprogramasconcurrentes‣ inventadoporPerBrinchHansenyC.AnthonyHoare(1974)

• Ventajas‣ lasincronizaciónseespecificaalmismo9empoquelosdatos‣ lashebrasqueaccedenalosdatosno9enenqueincluirningúnmecanismoespecial‣ consistenteconlosprincipiosdelaprogramaciónconobjetos

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Bloquessincronizados

• Permitendefinirregionescrí9casmutuamenteexclusivasconunagranularidadmenor

• Lasinstruccionesdelcuerposeejecutanenexclusiónmutua

• Seusaelcerrojoasociadoalobjeto• Puedeserú9lparamejorarlasprestaciones• Peroesmásdiwcildeusarquelosmétodossincronizados

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synchronized(objeto) { instrucciones }


Precauciones

• Hayqueiden9ficarbienlasregionescrí9cas‣ secuenciadeinstruccionesdondeseleeysemodificaelestadointernodelosobjetoscompar9dos‣ nosiempreesevidentedóndeestán‣ puedehaberregionescrí9casfueradelosdatosencapsuladossinosehandiseñadobienlosmétodos

• Hayquesincronizartodaslasregionescrí9cas‣ iden9ficarlasoperacionescondatoscompar9dosyrealizarlascomométodossincronizados

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Ejemplo(incorrecto)

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public class Variable { private long valor = 0;

public Variable (long valorInicial) { valor = valorInicial; }

public synchronized void modificar(long v) { valor = v; }

public synchronized long valor() { return valor; } }

… Variable v = new Variable(0); … long x = v.valor(); // ¡La región crítica es x +=1; // todo esto!! v.modificar(x); // ¡No está sincronizada! ...


Ejemplo(correcto)

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public class Variable { private long valor = 0;

…

public synchronized void incrementar() { valor++; }

… }

… v.incrementar (); // Ahora está sincronizado …

Datosvolá9les


Datosvolá9les

• Algunoscamposdedatossepuedendeclararvolatile ‣ indicaqueelvalorpuedecambiardesdeotrashebras‣ enmul9procesadoresnosehacencopiasprivadas‣ seaseguraquelaslecturasyescriturassonatómicas- ¡nadamás!

• Puedesereficientesiloúnicoquesehaceescambiarelvalorenunahebrayleerloenotra‣ porejemplo,parapararlaejecucióndeunahebra

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Ejemplo

public class Tarea extends Thread {

private volatile boolean vivo = true;

public void run() { while (vivo) { // actividad concurrente } }

public void para() { vivo = false; } }

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Precauciones

• Sólosonatómicaslalecturaylaescrituradedatosprimi9vos

volatile int i; … i++; // ¡no es atómico, puede haber carreras

• Sisedeclarancomovolá9lesarraysuobjetos,loselementosindividualesnoestánprotegidos

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Ejemplo


Ges9óndeunestacionamiento

• Variasentradasysalidas‣ sensoresqueavisancuandopasauncoche

• Supervisor‣muestralaocupacióndelestacionamiento(númerodecoches)

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P

Entrada N

Entrada S Salida S

Sensor

Sensor Sensor

Supervisor


Diseño

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«monitor»Parking

- n : natural+ entra+ sale+ ocupado: natural

«thread»Sensor

- acceso, id

«thread»Supervisor


Parking

public class Parking {

private int n = 0; // número de coches en el parking

// entra un coche por una de las puertas

public synchronized void entra (String puerta) {

n++;

}

// sale un coche por una de las puertas

public synchronized void sale (String puerta) {

n--;

}

// consulta

public synchronized int ocupado() {

return n;

}

}

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Sensor

public class Sensor extends Thread {

private String id; private Parking p; private Acceso acceso; // ENTRADA o SALIDA

public Sensor(Parking p, String id, Acceso acceso) { this.p = p; this.id = id; this.acceso = acceso; }

@Override public void run() { while (true) { … // detecta un coche switch (acceso) { case ENTRADA: p.entra(id); break; case SALIDA: p.sale(id); break; } } } }

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Supervisor

public class Supervisor extends Thread {

private Parking p;

public Supervisor(Parking p) {

this.p = p;

}

@Override

public void run() {

// comprueba el estado del parking cada 10 s

while (true) {

System.out.println("Número de plazas ocupadas: " + p.ocupado());

try {

sleep(10*1000);

} catch (InterruptedException e) {

System.err.println(e.toString());

}

}

}

}

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Crí9ca

• Elmonitorprotegeelestadointernodelestacionamiento‣ nohaycarrerasalactualizaroleer

• Peronoseaseguraqueelestadoseacorrecto‣ nodeberíanentrarcochessielestacionamientoestálleno

• Hacefaltaunmecanismoquepermitaimponerestascondiciones‣ sincronizacióncondicional

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Resumen


Resumen

• Elaccesoconcurrenteavariablescompar9daspuededarlugararesultadoserróneos‣ carreras

• Laformadeevitaresteproblemaesasegurarlaexclusiónmutuaentrelaszonasdondeseusanesasvariables‣ regionescrí9cas

• Elmecanismobásicoparaconseguirlaexclusiónmutuaeselcerrojo‣ bloqueoydesbloqueoatómicos

• EnJavaseusanmétodosybloquessincronizados‣ usanuncerrojoasociadoimplícitamenteacadaobjeto

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Resumen(con9nuación)

• Losmonitoressonclasesqueaseguranunaccesocorrectoaobjetoscompar9dos‣ todosloscamposdedatossonprivados‣ todoslosmétodosestánsincronizados- exceptolosconstructores

• Unaclasequesepuedeusarsinproblemasdesdevariashebrassedicequeessegura(threadsafe)

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programación concurrente — datos compar9dos y exclusión mutua · 2015. 11. 16. · exclusión...

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