Programación multihilo en C++

Desafíos y problemas de la concurrencia

• Limitaciones hardware de las plataformas: hilos de hardware, tuberías (pipes), coherencia de caché
• Conceptos elementales relacionados con la programación multihilo (corrección del programa multihilo, vivacidad, inanición, bloqueo mutuo (deadlock), condición de carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar el multihilo y el multiproceso
• 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 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 del multihilo desde un enfoque orientado a objetos (papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

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

Gestión de hilos en C++14 y versiones posteriores

• Clase std::thread y lanzamiento de hilos
• Identificación del hilo
• Unión y desunión de hilos
• Hilos y contenedores estándar
• Gestión de excepciones en hilos de 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 derivadas
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos combinados y retrasados (std::lock)
• Propiedad y copropiedad de bloqueos e 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 definidos por nivel de bloqueo
• Variables condicionales y colaboración con bloqueos
• Implementación de barreras activas e inactivas (Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación del funcionamiento de los hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su gestión
• Futuros (futures)
• Promesas (promises)
• Tareas preparadas (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 APIs multihilo

• Diseño de estructuras con 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 multihilo

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

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la contención en el acceso a datos
• Detención controlada e interrupción de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de la interrupción
• Cesión de tareas
• Interrupción de tareas durante el cierre de la aplicación

Patrones de diseño multihilo

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