Programa��o Paralela e Ass�ncrona no .NET Framework

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O desenvolvimento de aplicaç�es mais robustas, responsivas e que realizam diversos c�lculos por segundo tem se tornado corriqueiro principalmente devido � evoluç�o e o barateamento dos processadores, que passaram a possuir v�rios n�cleos de processamento.

Cada n�cleo de processamento � tamb�m conhecido como core que na verdade � um processador � parte, podendo haver dois, quatro, seis e at� oito dessas cores em um �nico chip de CPU. Este avanço incentivou o desenvolvimento da tecnologia multithread que torna o fluxo de execuç�o de uma aplicaç�o mais eficiente e din�mico.

O objetivo deste artigo � apresentar o ambiente multithreading, suas qualidades, os problemas que podem advir atrav�s do seu uso e as ferramentas que o .NET fornece, juntamente com a linguagem C#, para a criaç�o de aplicaç�es que possam proporcionar uma nova experi�ncia ao usu�rio.

Para que voc� possa entender o que � multithread, imagine uma montadora de autom�veis. Agora imagine que nesta montadora haja somente um funcion�rio que seja respons�vel por planejar os custos, projetar o autom�vel, organizar as peças, montar as peças, pintar o autom�vel, instalar o motor, realizar a bateria de testes do autom�vel e enviar o autom�vel para a concession�ria.

Quantos autom�veis voc� acha que seriam produzidos por dia? Melhor, por ano? Com certeza n�o seriam muitos. Atrav�s desse cen�rio de produç�o surreal � que pode se fazer uma analogia com os processos de software que todos os dias s�o processados pela CPU.

Mas o que s�o processos e como s�o formados? Para que voc� possa entender melhor como funciona as threads, ser� importante abordar alguns conceitos b�sicos de processos e threads.

Processos e threads

Processo � um dos conceitos mais importantes de qualquer sistema operacional, pois representam programas em execuç�o. Eles possuem um c�digo execut�vel, pilha de execuç�o, estado de processo e prioridade do processo que � definida pelo sistema operacional.

Possuem tamb�m um valor no registrador Program Counter (PC) e um valor do apontador de pilha Stack Pointer (SP). Com estes recursos, o sistema operacional realiza operaç�es concorrentes entre os processos realizando uma esp�cie de pseudoparalelismo, onde alterna entre os processos ativos, executando partes de cada um em um intervalo de tempo definido pelas prioridades de cada processo, sendo esta troca denominada troca de contexto ou context switching.

O sistema operacional n�o se perde porque possui endereços de cada intervalo de execuç�o e dos pr�ximos intervalos que ser�o executados, armazenados pelo registrador da CPU Program Counter. Os processos tamb�m podem ser classificados de acordo com o tipo de tarefa que realizam:

� Processos CPU-bound: Processos CPU-bound passam a maior parte do tempo utilizando recursos do processador para a execuç�o de suas tarefas. Aplicaç�es que realizam muitos c�lculos por segundo como jogos ou softwares de informaç�o geogr�fica precisam de maior poder de processamento e consequentemente possuem maiores prioridades de processamento;

� Processos I/O-bound: Processos I/O-bound n�o precisam de tanta atenç�o do processador como os processos CPU-bound, porque utilizam mais o disco em suas tarefas de gravaç�o e leitura de dados.

Geralmente estes processos s�o bem mais lentos que os processos CPU-bound porque n�o dependem exclusivamente da CPU, tendo seu gargalo de desempenho nos discos. A tend�ncia � que quanto maior for a velocidade do processador, mais gargalos de processos I/O ir�o surgir, pois o processador precisar� aguardar o disco terminar a maior parte do trabalho para que o processo continue.

Essa diferença de desempenho � mostrada na Figura 1.

Figura 1. Per�odos de uso da CPU alternando entre per�odos de espera por operaç�es de I/O. a) Processo CPU-bound b) Processo I/O-bound

As threads s�o bem parecidas com os processos, mas possuem entre elas diferenças fundamentais. Cada processo serial (que n�o possui paralelismo) possui seu pr�prio espaço de endereçamento definido pelo S.O, tendo somente uma thread principal.

Por�m h� ocasi�es em que um processo � custoso e encarregar somente uma thread de todo o trabalho acarreta em percas significantes de desempenho e efici�ncia do processador, portanto com a criaç�o de m�ltiplas threads no mesmo processo (possuindo o mesmo espaço de endereçamento) � poss�vel distribuir responsabilidades e partes de processamento do processo a cada thread e a mesma ir� executar em paralelo sua parte.

A Figura 2 ilustra as diferenças entre aplicaç�es seriais e multithread.

Figura 2. Diferenças entre aplicaç�es seriais (uma thread) e aplicaç�es multithread.

Ao final todo o trabalho realizado � reunido por cada thread e entregue como um s� processo, sendo este procedimento chamado de fork-join, como mostrado na Figura 3.

Figura 3. Representaç�o gr�fica do processo fork-join.

Se voltarmos ao primeiro exemplo dado de um cen�rio de produç�o, fica evidente que seria necess�ria mais m�o de obra em uma linha de produç�o para que mais carros fossem produzidos e entregues. Se transformarmos este cen�rio de produç�o em um processo de software, podemos afirmar que precisar�amos de mais threads para que o processo fosse feito mais rapidamente, por exemplo cinco pessoas pintariam os carros e 10 soldariam as peças, criando um ambiente multithread (fork). Ao final um resultado �nico seria entregue que � o autom�vel pronto em si (join).

Multithreading em .NET

A partir da vers�o 4.0 do .NET, novos recursos de programaç�o paralela e multithreading como a TPL (Task Parallel Library) representada principalmente pela classe Task e as cl�usulas async e await (inseridas na vers�o 4.5), tornaram a programaç�o paralela bem mais f�cil e r�pida. Neste artigo ser�o abordadas as principais classes de programaç�o em threads e suas funcionalidades.

Ser�o mostradas as classes Thread, ThreadPool e Task para programaç�o em threads. Tamb�m ser�o tratadas as funcionalidades PLINQ (Parallel Language Query), as cl�usulas async e await para responsividade de aplicaç�es.

Por �ltimo alguns recursos avançados de programaç�o paralela devem ser abordados tamb�m, como sem�foros, mutexes, monitors e coleç�es concorrentes.

Primeiro exemplo � A classe Thread

Para o nosso primeiro exemplo utilizando a linguagem C#, ser� mostrado um c�digo que realiza uma tarefa entre tr�s threads.

A thread main � a thread onde � executado o m�todo de entrada Main, padr�o na maioria das linguagens descendentes do C. Ap�s s�o criadas duas threads; a primeira thread ficar� respons�vel por apenas realizar exibir a mensagem: �Thread rodando�, onde ser� mostrado o seu identificador, por�m esta mensagem ser� exibida em um loop infinito.

Para cancel�-la, uma segunda thread ficar� respons�vel por interromper sua execuç�o se o usu�rio digitar �C�. O c�digo desse exemplo pode ser visto na Listagem 1.

Listagem 1. Primeiro exemplo utilizando a classe Thread


      01     bool stop = false;  
      02       
      03     Thread thread = new Thread(() =>
      04   {  
      05        while (!stop)
      06        {  
      07 Console.WriteLine("Thread  rodando...", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
      08              Thread.Sleep(500);  
      09          }  
      10          Console.WriteLine("Thread  cancelada.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
      11     });  
      12       
      13     var thread2 = new Thread((id) =>
      14  {  
      15 var key = Console.ReadKey(true);  
      16           if (key.Key == ConsoleKey.C)  
      17           {  
      18               stop = true;  
      19               Console.WriteLine("Thread  cancelou a execucao da thread ",  
      20               Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, (int) id);  
      21           }     
      22     });  
      23       
      24     thread.Start();  
      25     thread2.Start(thread.ManagedThreadId);  
      26       
      27     for (int i = 0; i< 100; i++)  
      28     {  
      29         Console.WriteLine("Main thread rodando...");  
      30         Thread.Sleep(500);  
      31     }  
      32       
      33     thread.Join();  
      34     thread2.Join();

Na linha 1 � declarada uma vari�vel booleana stop que ficar� respons�vel por terminar a execuç�o do c�digo executado pela thread1. A thread1 � declarada nas linhas 3 a 11. A classe Thread recebe como par�metro do construtor, um delegate do tipo ThreadStart.

O delegate ThreadStart � uma refer�ncia de um m�todo que n�o recebe valores como par�metro e retorna um tipo void. A notaç�o lambda � utilizada para escrever um m�todo an�nimo, que � representada pelo s�mbolo => (goes to), que indica ao compilador que o corpo do m�todo est� sendo iniciado.

Ao lado esquerdo s�o declarados os par�metros do m�todo an�nimo e a direita � escrito o c�digo do m�todo. O m�todo an�nimo � como se fosse um m�todo comum, por�m n�o possui nome.

Na linha 5, o bloco while � controlado pela vari�vel stop. Enquanto a mesma for falsa, este c�digo ser� executado.

Mas onde que o valor de stop � alterado? Nas linhas 13 a 22 � declarada uma segunda thread, a thread2 que ser� respons�vel por cancelar a thread1.

Ela ir� captar as teclas digitadas pelo usu�rio e ir� testar se � a tecla C (linhas 15 e 16). Se for a tecla correta, a thread1 � cancelada, juntamente com a thread2, exibindo uma mensagem que mostra os ID�s da thread cancelada e da thread que cancelou.

Nas linhas 24 e 25 s�o iniciadas as threads. A thread2 recebe como argumento do m�todo Start o ID da thread1 que ser� cancelada ao usu�rio pressionar C; este argumento � recebido pelo par�metro id declarado na lista de argumentos do m�todo an�nimo da linha 13, que exibir� na mensagem o ID da thread cancelada. " [...] continue lendo...

Programa��o Paralela no .NET Framework

Neste artigo entenderemos como funciona a programação paralela e assíncrona no .NET Framework, aplicando técnicas para otimizar o desempenho e responsividade das aplicações.

Processos e threads

Multithreading em .NET

Primeiro exemplo � A classe Thread

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