Paralelismo¶

Es aprovechar que existen varios núcleos en la CPU para poder distribuir una tarea en varias subtareas y así ganar speedup (terminar más rápido la ejecución).

Concurrencia¶

Capacidad de gestionar una tarea y resolverla en múltiples subtareas (diseño). No necesariamente tiene que haber paralelismo porque podemos manejar con una sola CPU haciendo planificación de procesos.

Concurrencia vs Paralelismo¶

Concurrencia: Juego, necesito varias cosas funcionando al tiempo, pero no me interesa que funcione más rápido.
Paralelismo: Necesito procesar 10 millones de datos que se pueden dividir.

Nivel de paralelismo¶

A nivel de bits: Esto lo hace la CPU con operaciones matemáticas o lógicas.
A nivel de instrucción: Aprovechar los ciclos de instrucción (pipeline, ejecución fuera de orden).
A nivel de tareas: Conjuntos de instrucciones que se pueden paralelizar.

Proceso vs Hilo¶

Proceso¶

Es una unidad de ejecución de un programa que es independiente en memoria. Un proceso no puede ver la memoria de otro. Un fallo de segmentación en C++ tiene que ver cuando un programa trata de acceder a memoria que no le corresponde; el S.O. bloquea esa acción y por ello se genera el error.

Hilo¶

Es una unidad de ejecución de instrucciones que pueden ir en paralelo. Los hilos están dentro de un mismo proceso (un proceso tiene uno o más hilos). Estos comparten la memoria principal (heap) pero no comparten su espacio propio (pila o stack) con variables locales.

Tabla resumen de conceptos¶

Concepto	Definición	Características principales
Paralelismo	Ejecución simultánea de múltiples tareas en distintos núcleos físicos	Busca speedup (reducir tiempo de ejecución); requiere hardware con múltiples núcleos
Concurrencia	Diseño que permite gestionar múltiples tareas de forma entrelazada	No requiere múltiples núcleos; se enfoca en la estructura del programa, no en la velocidad
Proceso	Unidad de ejecución independiente con espacio de memoria propio	Aislamiento de memoria; comunicación entre procesos requiere mecanismos explícitos (IPC)
Hilo (Thread)	Unidad de ejecución ligera dentro de un proceso	Comparte heap con otros hilos del mismo proceso; tiene su propia pila para variables locales
Condición de carrera	Comportamiento no determinista cuando múltiples hilos acceden a un recurso compartido sin sincronización	El resultado depende del orden de ejecución; se soluciona con exclusión mutua
Exclusión mutua	Mecanismo que garantiza que solo un hilo ejecute una sección crítica a la vez	Se implementa con `synchronized`, locks, semáforos o monitores
Sección crítica	Fragmento de código que accede a un recurso compartido	Debe protegerse para evitar condiciones de carrera

Comentarios adicionales¶

La Ley de Amdahl establece que el speedup máximo alcanzable mediante paralelismo está limitado por la porción secuencial del programa. Si el 10% del código debe ejecutarse secuencialmente, el speedup máximo teórico es 10x, sin importar cuántos núcleos se agreguen.
La planificación de procesos (scheduling) es la técnica que permite la concurrencia en un solo núcleo: el S.O. alterna rápidamente entre procesos/hilos dando la ilusión de ejecución simultánea.
En sistemas modernos, la memoria caché introduce problemas adicionales de coherencia cuando múltiples hilos modifican datos compartidos, lo que puede causar que un hilo no vea los cambios realizados por otro (problema de visibilidad).
Para evitar condiciones de carrera se pueden usar:
Mecanismos de sincronización: synchronized, Lock, Semaphore
Estructuras atómicas: AtomicInteger, AtomicReference
Modelos de memoria: volatile para garantizar visibilidad entre hilos
Estructuras de datos concurrentes: ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList