Programación concurrente en C++

Desafíos y problemas de la concurrencia

• Limitaciones de hardware de las plataformas: hilos de hardware, tuberías, coherencia de memoria en caché
• Conceptos elementales relacionados con la programación concurrente (corrección del programa, ciclo de vida, inanición, interbloqueo, condiciones de carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar concurrencia y paralelismo
• Implementación de la biblioteca estándar: componentes desde C++14 hasta la actualidad (C++2a)
• Implementación disponible en Boost: diferencias con respecto a la biblioteca estándar

Procesos y hilos

• Aplicaciones multi-proceso versus multi-hilo
• Sistema operativo y hilos (visión general breve de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos y hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especifidades de la implementación de la concurrencia en un enfoque orientado a objetos (papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

• Objetos y ubicaciones en memoria
• Ordenación de operaciones y su aplicación
• Relaciones: sincronización, ordenamiento de operaciones a favor de 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
• Adjuntar y desvincular hilos
• Hilos versus contenedores estándar
• Manejo de excepciones en hilos de C++14

Exclusión mutua y secciones críticas

• Reglas básicas 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 sus derivados
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos dependientes y diferidos (std::lock)
• Propiedad y co-propiedad de bloqueos y hilos
• Problema lectores-escritores
• Inicialización única
• Memoria local (privada) del hilo (std::thread_local)

Bloqueos y sincronización de hilos

• Operaciones con semáforos
• Bloqueos recursivos
• Bloqueos con definición de nivel de bloqueo
• Variables de decisión y cooperación con bloqueos
• Implementación de barreras activas y pasivas (esperas ociosas, esperas activas)
• Reanudación de la ejecución de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su manejo
• Futuros
• Promesas
• Tareas preparadas

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

Especifidades del diseño de API concurrente

• Diseño de estructuras con bloqueos: bloqueos gruesos y finos
• Eficiencia 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 concurrentes

• Revisiones de código enfocadas en operaciones concurrentes
• Especifidades de pruebas de aplicaciones concurrentes
• Pruebas unitarias
• Aumentar la probabilidad de fallas para pruebas
• Métodos formales de pruebas de aplicaciones concurrentes
• Patrones de arquitectura de aplicaciones concurrentes vs pruebas y depuración (visión general)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la contención en el acceso a datos
• Detención y interrupción controlada de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Manejo de interrupciones
• Robo de tareas
• Interrupción de tareas durante el cierre de la aplicación

Patrones de diseño concurrentes

• Tipos y propósito de los patrones concurrentes
• Alcance de aplicación de los patrones
• Pools de hilos (Thread Pool)
• Patrón de objeto activo (Active Object)
• Cola segura para hilos (Thread Safe Queue)
• Patrón productor-consumidor (Producer Consumer)
• Patrón de monitor (Monitor)
• Seguridad concurrente de los patrones GoF