Programación multi-thread en C++

Desafíos y problemas de concurrente

• Limitaciones de hardware en plataformas - hilos de hardware, pipes, coherencia de caché
• Conceptos fundamentales relacionados con programación multi-thread (corrección de programas multi-thread, liveness, starvation, deadlocks, race conditions, atomicidad, modelos de coherencia, taxonomía de Flynn)
• Mecanismos disponibles en C++ para implementar multi-thread y multiproceso
• Implementación de la biblioteca estándar desde C++14 hasta hoy (C++2a)
• Implementación disponible en Boost - diferencias respecto a la biblioteca estándar

Procesos y hilos

• Aplicaciones multiproceso versus multi-thread
• Sistema operativo e hilos (breve resumen de implementaciones disponibles)
• Mecanismos de sincronización entre procesos y hilos
• Implementación estructural de la sincronización
• Especificidad de implementación de multi-thread en enfoque orientado a objetos (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 respecto a 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 de hilo
• Anclaje y desanclaje de hilos
• Hilos y contenedores estándar
• Gestión de excepciones en C++14 para hilos

Exclusión mutua y secciones críticas

• Reglas simples de exclusión mutua
• Conceptos (tipos) de objetos bloqueantes disponibles
• Introducción rápida al manejo de tiempo en C++14 (librería chrono)
• Clases std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex y derivadas
• Patrón RAII en manejo de locks (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Locks dependientes y pospuestos (std::lock)
• Propiedad y co-propiedad de locks e hilos
• Problema lectores-escritores
• Inicialización única
• Memoria local (privada) de hilo (std::thread_local)

Locks y sincronización de hilos

• Operaciones con semáforos
• Locks recursivos
• Locks con definición de nivel de bloqueo
• Variables de decisión y colaboración con locks
• Implementación de barreras activas y pasivas (Idle Waits, Busy Waits)
• Reinicio de hilos
• Comunicación entre hilos (modelo Actora y CSP)

Tareas asíncronas

• Eventos asíncronos y su manejo
• Futuros
• 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 auxiliares (libres) de tipos std::atomic

Especificidades del diseño de API multi-thread

• Diseño de estructuras usando locks - locks granulares finos y gruesos
• 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 multi-thread

• Revisiones de código enfocadas en operaciones multi-thread
• Especificidades de pruebas de aplicaciones multi-thread
• Pruebas unitarias
• Aumentar la probabilidad de situaciones excepcionales para las pruebas
• Métodos formales de prueba de aplicaciones multi-thread
• Patrones de arquitectura de aplicaciones multi-thread y su relación con pruebas y depuración (resumen)

Gestión avanzada de hilos

• Hilos dependientes (patrón Saga)
• Evitar competencia por acceso a datos
• Controlado stop e interrupción de hilos
• Interrupción de llamadas bloqueantes
• Manejo de interrupciones
• Robo de tareas
• Interrupción de tareas durante el cierre de aplicaciones

Patrones de diseño multi-thread

• Tipos y propósitos de patrones multi-thread
• Rango de aplicación de los patrones
• Pools de hilos (Thread Pool)
• Patrón objeto activo (Active Object)
• Cola segura multi-thread (Thread Safe Queue)
• Patrón productor-consumidor (Producer Consumer)
• Patrón monitor (Monitor)
• Seguridad multi-thread de patrones GoF