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Hay un tema que se estudia en todas las carreras de informática, el de «sincronización, concurrencia y exclusión mutua entre procesos». Surgió en la década de 1950 cuando empezaron a desarrollarse los primeros sistemas con multiprogramación. Aunque surgió como problemática de sistemas operativos se ha convertido en un tema de general y fundamental en informática. Todas las carreras de informática incluyen su estudio tanto en las asignaturas de sistemas operativos como en otras específicas de programación concurrente.
El tema de concurrencia (y su hermano más complejo «programación distribuida») es un típico tema de «ciencias de la computación», donde se estudian los algoritmos y se prueban formalmente que funcionan: se demuestra que aseguran exclusión mutua, que no produce inanición (starvation), ni interbloqueos (deadlocks). No es simple enseñar estos temas y sus soluciones obligan a pensar de otro manera, un programa ya no es una serie secuencial de instrucciones, sino que se mete por medio una intercalación «no controlada» y no determinística de otras instrucciones de procesos independientes.
El tema de exclusión mutua es un tema relativamente sencillo de demostrar, por ejemplo este código que suma una variable desde cero hasta 99.999.999 (cien millones menos uno), pero no lo hace de una forma tradicional, sino que son dos hilos (threads) los que la incrementan individualmente. Podéis compilarlo y probarlo (no olvidéis de compilarlo con la opción -pthread), veréis que produce unos errores enormes. El problema es que dos procesos diferentes acceden al mismo recurso compartido (la variable count) y se «pierden» operaciones debido a las interrupciones e intercalaciones.
Este caso es muy estudiado y todas las asignaturas comienzan con algo similar, es la exclusión mutua entre [solo] dos procesos. Así se estudian los «cuatro intentos» para solucionarlo, luego el algoritmo de Dekker y finalmente el de Peterson (aquí los tenéis a todos).
Así se puede demostrar formalmente que funciona correctamente, que asegura exclusión mutua y tal y cual. Pero si lo implementas (aquí lo tenéis listo para compilar y ejecutar con el ejemplo anterior) y lo pruebas en cualquier ordenador moderno verás que… falla como escopeta de feria.
¿Qué pasó? ¿Falla la teoría? ¿Fallan las demostraciones? ¿Los teóricos de las ciencias de la computación no sirven para nada?
Actualización: la respuesta.
Ninguna de ellas, este es un típico ejemplo donde la teoría se distanció de la «realidad», o mejor dicho, donde la evolución tecnológica de los microprocesadores modernos hace que las técnicas de concurrencia que dábamos por buenas (y que lo son formalmente y con todos los modelos de computación y/o de lenguajes «tradicionales») ya no funcionen. Es la diferencia entre hacer «sólo ciencia» y la «ingeniería» (es decir, resolver problemas que te impone la realidad, no tan perfecta como la teoría).
Tampoco es para los ingenieros se feliciten y miren por encima del hombro a los teóricos, porque la mayoría de «ingenieros» tampoco saben explicar o resolver este problema, muchas veces ni siquiera son capaces de identificarlo (no, si estás leyendo este blog no eres de la «media», eres bastante friki y al menos lo habrás oído, o sabrás buscar rápidamente en la Wikipedia o Stackoverflow 😉 ).
Si no tienes idea de qué está pasando, ya lo explicaré en un comentario (si nadie lo hace antes), pero mientras tanto puedes ir probando este otro código que sí funciona y sólo difiere en una línea con el anterior.
Sólo quería recordar que aún en ciencias tan «formales» como la informática la teoría no siempre funciona en la práctica, que el tema de concurrencia tiene sus complejidades no siempre a la vista, que un buen ingeniero debe saber reconocer esos problemas y poder solucionarlo, y que esto exige que conozcamos bastante de detalles del hardware y microprocesadores actuales.
No es nada simple, lleva su tiempo, y tendemos a pensar que lo sabemos todo. O que la «ingeniería informática» consiste en saber liderar sprints de Scrums con postits de colores fosforitos.
PS: Por estas cosas, entre muchas, la informática es apasionante.
Ricardo Galli, de software 