Programación multihilo en C++

Desafíos y problemas de la concurrencia

• Limitaciones de hardware en plataformas: hilos de hardware, pipes (tuberías), coherencia de caché
• Conceptos básicos relacionados con la programación multihilo (correctez de un programa multihilo, vida útil, inanición, interbloqueo, condiciones de carrera, atomicidad, modelos de consistencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar multihilo y multiproceso
• Implementación de la biblioteca estándar: elementos desde C++14 hasta el día de hoy (C++2a)
• Implementaciones disponibles en Boost: diferencias respecto a la biblioteca estándar

Procesos e hilos

• Aplicaciones multiproceso frente a multihilo
• Sistema operativo y hilos (breve repaso de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos e hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especificidades de la implementación multihilo en el enfoque orientado a objetos (el papel del patrón RAII)

Modelo de memoria en C++

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

Gestión de hilos en C++14 y versiones posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación del hilo
• Vinculación y desvinculación del hilo
• Hilos y contenedores estándar
• Gestión de excepciones en C++14 (hilos)

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 sus derivadas
• Patrón RAII en el manejo de bloqueos (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Bloqueos perezosos y diferidos (std::lock)
• Propiedad y corresponsabilidad de bloqueos e hilos
• Problema lectores-escritores
• Inicialización única
• Memoria local (privada) del hilo (en inglés: std::thread_local)

Bloqueos y sincronización de hilos

• Operaciones con semáforos
• Bloqueos recursivos
• Bloqueos definidos por nivel de bloqueo
• Variables de decisión y cooperación con bloqueos
• Implementación de barreras activas e inactivas (en inglés: Idle Waits, Busy Waits)
• Reanudación de la ejecución de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actor y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su manejo
• Futuros (en inglés: future)
• Promesas (en inglés: promise)
• Tareas preparadas (en inglés: 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

Especificidades del diseño de APIs multihilo

• Diseño de estructuras mediante bloqueos: bloqueos granulares gruesos y finos
• 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 aplicaciones

Pruebas y depuración de aplicaciones multihilo

• Revisiones de código con enfoque en operaciones multihilo
• Especificidades de las pruebas de aplicaciones multihilo
• Pruebas unitarias
• Aumento de la probabilidad de situaciones de error para mejorar las pruebas
• Métodos formales de pruebas de aplicaciones multihilo
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multihilo: pruebas y depuración (repaso)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar la contención en el acceso a datos
• Parada controlada e interrupción de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Gestión de interrupciones
• Robo de tareas
• Interrupción de tareas durante la finalización de la aplicación

Patrones de diseño multihilo

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