Programación multihilo en C++

Desafíos y problemas de concurrencia

• Limitaciones de hardware de las plataformas - hilos de hardware, pipelines, coherencia de caché
• Conceptos elementales relacionados con la programación multihilo (corrección del programa multihilo, vivacidad, inanición, punto muerto, carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar concurrencia y paralelismo
• Implementación de la biblioteca estándar: elementos desde C++14 hasta el día de hoy (C++2a)
• Implementación disponible en Boost - diferencias respecto a la biblioteca estándar

Procesos y hilos

• Aplicaciones multiproceso vs. multihilo
• Sistema operativo e hilos (visión general breve de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos y hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especificidad de la implementación multihilo desde un enfoque orientado a objetos (el papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

• Objetos y ubicaciones en la memoria
• Ordenación y aplicación de operaciones
• Relaciones: sincronización, precedencia, ordenamiento de operaciones hacia acciones atómicas, secuencias de liberación
• Barreras de memoria
• Operaciones atómicas

Gestión de hilos en C++14 y posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación del hilo
• Vinculación y desvinculación de hilos
• 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 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 (ang. std::thread_local)

Bloqueos y sincronización de hilos

• Operaciones en semáforos
• Bloqueos recursivos
• Bloqueos con definición del nivel de bloqueo
• Variables de decisión y colaboración con bloqueos
• Implementación de barreras activas y pasivas (ang. Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor 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 tipos std::atomic

Especificidad del diseño API multihilo

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

Pruebas y depuración de aplicaciones multihilo

• Revisiones de código para operaciones multihilo
• Especificidad de pruebas de aplicaciones multihilo
• Pruebas unitarias
• Aumento de la probabilidad de situaciones anómalas en aras de las pruebas
• Métodos formales para probar aplicaciones multihilo
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multihilo frente a pruebas y depuración (visión general)

Gestión avanzada de hilos

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

Patrones de diseño multihilo

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