Conceptos de Programación y Sistemas Distribuidos

Conceptos Previos

Programa: Conjunto de órdenes diseñadas y almacenadas en ficheros que siguen la sintaxis de un lenguaje de programación específico, ejecutando tareas en un ordenador.
Proceso: Programa en ejecución que incluye el código, los datos y todo lo necesario para su ejecución, como el contador del programa, una imagen de memoria y el estado del procesador.

Ejecución y Sistemas

Ejecutable: Fichero necesario para crear un proceso y ponerlo en ejecución.
Demonio: Proceso no interactivo que se ejecuta en segundo plano, ofreciendo servicios básicos para otros procesos.
Sistema Operativo: Programa intermediario entre el usuario y el hardware del ordenador, facilitando la ejecución de programas, la gestión de procesos y la eficiencia en el uso de recursos.

Programación Multiproceso

Concurrencia: Ejecución simultánea de múltiples tareas.
Multiprogramación: Un solo procesador ejecuta un proceso a la vez, intercambiándolos sin mejorar el tiempo global de ejecución.
Multitarea: Un procesador con varios núcleos ejecuta varias instrucciones simultáneamente del mismo programa, mejorando el rendimiento.
Programación Distribuida: Ordenadores conectados en red, cada uno con su procesador y memoria, mejorando el rendimiento sin compartir memoria.

Procesos y Planificación

Estados de un Proceso: Creación, listo, ejecución, espera y finalización.
Creación y Terminación: Procesos se crean durante el arranque del sistema, por llamadas al sistema o por petición del usuario, y terminan por salida normal o errores.
Planificación de Procesos: El sistema operativo gestiona procesos en colas y selecciona su ejecución según algoritmos de planificación a corto y largo plazo.

Comunicación y Sincronización

Cambio de Contexto: Guardado y restauración del estado de un proceso al cambiar de uno a otro, lo cual implica un tiempo perdido por el procesador.
Árbol de Procesos: Jerarquía de procesos formada por procesos padre e hijo, identificados por un PID único.
Comunicación entre Procesos: Utilizando flujos de entrada y salida (stdin, stdout, stderr) y otras técnicas como memoria compartida o archivos.

Multiproceso en Java

Clase Process: Representa un proceso en Java, permitiendo su creación, gestión y comunicación.
ProcessBuilder y Runtime.exec(): Métodos para crear procesos nativos en el sistema operativo y controlarlos desde Java.
Comunicación de Procesos: A través de flujos de datos (OutputStream, InputStream, ErrorStream), permitiendo la interacción entre procesos padre e hijo.

Conceptos Básicos

Hilo (Thread): Es la unidad básica de ejecución de CPU dentro de un proceso, permitiendo que un programa realice múltiples tareas simultáneamente. Los hilos de un mismo proceso comparten recursos y espacio de memoria.

Ventajas de los Hilos

Respuesta y Eficiencia: Los hilos mejoran la capacidad de respuesta de los programas y permiten una gestión eficiente de recursos, al compartir memoria y otros recursos del proceso al que pertenecen.
Paralelismo Real: Aprovechan arquitecturas multicore para ejecutar múltiples hilos en paralelo, mejorando significativamente el rendimiento del programa.

Estados de un Hilo

Los hilos, al igual que los procesos, pasan por varios estados durante su ciclo de vida, incluyendo Nuevo (New), Ejecutable (Runnable), Bloqueado, y Muerto (Dead).

Hilos en Java

Clase Thread y Interfaz Runnable: Java incorpora la programación de hilos a través de la clase Thread y la interfaz Runnable, ofreciendo métodos para crear, ejecutar y gestionar hilos.

Gestión de Hilos

Creación y Ejecución: Los hilos pueden crearse implementando la interfaz Runnable o extendiendo la clase Thread, iniciando su ejecución con el método start().
Espera y Suspensión: Las operaciones join() y sleep() permiten gestionar la ejecución de hilos, ya sea esperando a que un hilo termine o suspendiendo su ejecución temporalmente.
Interrupción: La interrupción de hilos se maneja con el método interrupt(), permitiendo alterar el flujo normal de ejecución de un hilo.

Planificación y Sincronización de Hilos

Planificación: El SO y la JVM deciden cuándo y cómo se ejecutan los hilos, a menudo utilizando algoritmos basados en prioridades.
Sincronización: Es crucial para evitar problemas como condiciones de carrera e inconsistencias de memoria. Java ofrece mecanismos como semáforos, monitores y bloques sincronizados (synchronized) para gestionar el acceso a recursos compartidos.

Problemas Comunes en la Programación de Hilos

Se discuten varios problemas potenciales en la programación concurrente, incluyendo condiciones de carrera, interbloqueo (deadlock), y otros, junto con estrategias para manejarlos efectivamente.

Este resumen capta los aspectos esenciales de la programación de hilos, proporcionando una base sólida para comprender cómo diseñar y desarrollar aplicaciones concurrentes en Java de manera eficiente y segura.

Conceptos Básicos de Sistemas Distribuidos

Se introducen los sistemas distribuidos, donde múltiples ordenadores colaboran y se comunican a través de una red. La computación distribuida es esencial para el funcionamiento de internet y los servicios basados en la nube, permitiendo que los recursos y servicios sean accesibles de manera transparente.

Fundamentos de la Comunicación en Red

Se explican los elementos básicos de la comunicación, incluyendo el emisor, receptor, canal, mensaje, paquete, y protocolo. Estos conceptos son fundamentales para entender cómo se intercambia información entre aplicaciones a través de una red.

Redes de Ordenadores

Se describen los tipos de redes (LAN, MAN, WAN), que varían en extensión y propósito, desde redes de área local hasta redes de área extensa utilizadas para conectar dispositivos a gran escala geográfica.

Protocolos de Comunicaciones

Se discute la organización de redes en capas o niveles para simplificar su diseño y funcionamiento, destacando la jerarquía de protocolos que permite la interoperabilidad entre dispositivos y aplicaciones.

Programación con Sockets

Se introducen los sockets como mecanismo fundamental para la programación de comunicaciones en red, explicando cómo facilitan la transferencia de información entre aplicaciones, ya sea dentro de una LAN o a través de internet.

TCP y UDP

Se comparan los protocolos TCP (Protocolo de Control de Transmisión) y UDP (Protocolo de Datagrama de Usuario), subrayando sus diferencias en términos de confiabilidad, orden de entrega, y orientación a la conexión.

Direcciones IP y Puertos

Se explica el uso de direcciones IP y puertos para identificar dispositivos y aplicaciones en una red, permitiendo el enrutamiento preciso de mensajes y datos.

Tipos de Sockets

Se distinguen entre sockets de flujo (stream) y sockets de datagrama, resaltando sus aplicaciones y características según el protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP).

Modelos de Comunicación

Se presentan diferentes modelos de comunicación en red, como el modelo cliente/servidor y el modelo de comunicación en grupo, junto con sus aplicaciones y ventajas.

Modelos Híbridos y Redes P2P

Se discuten los modelos híbridos de comunicación, incluyendo las redes peer-to-peer (P2P), que combinan aspectos de los modelos cliente/servidor y comunicación en grupo para crear sistemas más robustos y tolerantes a fallos.