Programación multihilo en C++

Desafíos y problemas de la concurrencia

• Limitaciones de hardware en plataformas: hilos hardware, canales (pipes), coherencia de caché
• Conceptos elementales relacionados con programación multihilo (corrección de programas concurrentes, vivacidad, inanición, deadlock, condiciones de carrera, atomicidad, modelos de memoria, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar concurrencia y paralelismo
• Implementación de la biblioteca estándar - elementos desde C++14 hasta la actualidad (C++2a)
• Implementación disponible en Boost: diferencias con respecto a la biblioteca estándar

Procesos e hilos

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

Modelo de memoria en C++

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

Gestión de hilos en C++14 y versiones posteriores

• Clase std::thread e inicio de hilos
• Identificación del hilo
• Añadido (attach) y desvinculación (detach) de hilos
• Hilos versus contenedores estándar
• Gestión de excepciones en hilos C++14

Mutua exclusión y secciones críticas

• Reglas básicas de mutua exclusión
• 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 diferidos (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 con definición de nivel de bloqueo
• Variables decisorias y colaboración con bloqueos
• Implementación de barreras activas e inactivas (espera activa, espera en vacío)
• Reanudación del funcionamiento de los hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su gestión
• Futuros (futures)
• Promesas
• 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 de utilidad (libres) de tipos std::atomic

Específicos del diseño de APIs multihilo

• Diseño de estructuras con bloqueos: granularidad gruesa vs fina
• Rendimiento de código concurrente - técnicas de estimación y medición
• Particionamiento de datos
• Escalabilidad de soluciones
• Gestión de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de aplicaciones

Pruebas y depuración de aplicaciones multihilo

• Revisiones de código orientadas a operaciones multihilo
• Específicos del testeo de aplicaciones concurrentes
• Pruebas unitarias
• Aumento probabilístico de situaciones de error para fines de prueba
• Métodos formales de pruebas de aplicaciones multihilo
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multihilo y su relación con pruebas y depuración (visión general)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la competición por datos
• Detención controlada e interrupción de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de interrupciones
• Sustracción de tareas
• Interrupción de tareas al final del funcionamiento de la aplicación

Patrones de diseño multihilo

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