Programación multihilo en C++

Desafíos y problemas de concurrencia

• Limitaciones del hardware de la plataforma: hilos de hardware, pipelines, coherencia de la memoria caché
• Conceptos elementales relacionados con la programación multihilo (corrección de programas multihilo, ciclo de vida, inanición, bloqueo, condiciones de carrera, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar multihilo y multiproceso
• Implementación de la biblioteca estándar: elementos desde C++14 hasta la actualidad (C++2a)
• Implementación disponible en Boost: diferencias en comparación con la biblioteca estándar

Procesos e hilos

• Aplicaciones multiproceso frente a multihilo
• Sistema operativo e hilos (breve revisión de las implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización de procesos e hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especificidad de la implementación multihilo en el enfoque orientado a objetos (rol 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 para acciones atómicas, secuencias de liberación
• Barreras de memoria
• Operaciones atómicas

Gestión de hilos en el estándar C++14 y versiones posteriores

• Clase std::thread y ejecución de hilos
• Identificación de hilos
• Unión y desvinculación de hilos
• Hilos y contenedores estándar
• Manejo de excepciones en hilos de C++14

Exclusión mutua y secciones críticas

• Principios básicos de exclusión mutua
• Conceptos (tipos) de objetos de bloqueo 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 propiedad compartida de bloqueos e hilos
• Problema de lectores y 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 colaboración con bloqueos
• Implementación de barreras activas y pasivas (Idle Waits, Busy Waits)
• Reactivación de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo de Actores y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su manejo
• Futuros (future)
• Promesas (promise)
• 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 los tipos std::atomic

Especificidad del diseño de APIs multihilo

• Diseño de estructuras con bloqueos: bloqueos de granularidad gruesa y fina
• Rendimiento de código concurrente: técnicas de estimación y medición
• Particionamiento de datos
• Escalabilidad de las soluciones
• Manejo de errores y situaciones excepcionales en la arquitectura de la aplicación

Pruebas y depuración de aplicaciones multihilo

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

Gestión avanzada de hilos

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

Patrones de diseño multihilo

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