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\graphics default
\default_output_format default
\output_sync 0
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\index_command default
\paperfontsize default
\spacing single
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\papersize default
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\cite_engine_type default
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\index Index
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\tocdepth 3
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\paragraph_indentation default
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\end_header
\begin_body
\begin_layout Standard
Para aprovechar los recursos de un multiprocesador se suele usar el modelo
\series bold
STMD
\begin_inset Foot
status open
\begin_layout Plain Layout
Nadie lo llama así.
\end_layout
\end_inset
\series default
(
\emph on
\lang english
Single Thread, Multiple Data
\emph default
\lang spanish
) o
\series bold
SPMD
\series default
(
\emph on
\lang english
Single Program, Multiple Data
\emph default
\lang spanish
), una forma de MIMD consistente en ejecutar el mismo programa con distintas
entradas en varios procesadores a la vez para obtener resultados más rápido.
\end_layout
\begin_layout Section
Cachés
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset ERT
status open
\begin_layout Plain Layout
\backslash
sremember{ETC}
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
\series bold
Políticas de escritura
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Escritura directa
\series default
(
\emph on
\lang english
write through
\emph default
\lang spanish
): Las escrituras se hacen a la vez en la caché y en memoria.
Si el bloque no está en caché, se suele escribir directamente [...] en memoria
[...] (
\emph on
\lang english
no write allocate
\emph default
\lang spanish
), [...] también se puede traer el bloque a la caché (
\emph on
\lang english
write allocate
\emph default
\lang spanish
) [...]
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Pos-escritura
\series default
(
\emph on
\lang english
write back
\emph default
\lang spanish
): Las escrituras se hacen sólo en la caché, y sólo se actualiza la [...] memoria
al sacar el bloque [...].
Es necesario un
\series bold
bit de modificación
\series default
[...] en cada bloque [...].
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset ERT
status open
\begin_layout Plain Layout
\backslash
eremember
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
En la práctica se usan
\series bold
cachés multinivel
\series default
, con niveles normalmente de L1 a L3, siendo L1 la caché más cercana al
procesador y con menor latencia pero menor capacidad.
La
\series bold
política de inclusión
\series default
indica si los datos en un nivel de caché están también en los niveles inferiore
s (de mayor número), y según esta la caché puede ser:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Inclusiva
\series default
: Todas las líneas en una caché están en las cachés de niveles inferiores,
por lo que comprobar si un procesador tiene en su caché una copia de una
línea solo requiere comprobar la caché externa.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Exclusiva
\series default
: Cada línea está en un único nivel de caché, y cuando un nivel requiere
una línea de caché, intercambia la línea con la caché inferior.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Ni inclusiva ni exclusiva
\series default
(
\series bold
\lang english
NINE
\series default
\lang spanish
,
\emph on
\lang english
Non-Inclusive Non-Exclusive
\emph default
\lang spanish
): Las líneas de un nivel de caché pueden estar o no en el nivel inferior.
\end_layout
\begin_layout Standard
Los fallos de caché pueden ser:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Obligatorios
\series default
, el primer acceso a una línea.
Ocurrirían incluso con una caché infinita, aunque se pueden mitigar con
\emph on
\lang english
prefetching
\emph default
\lang spanish
.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
De capacidad
\series default
, cuando la línea se expulsó previamente porque la caché no es lo suficientement
e grande.
Ocurrirían aun si la caché fuera totalmente asociativa.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
De conflicto
\series default
, debidas a la falta de asociatividad.
El resto.
\end_layout
\begin_layout Standard
Los núcleos en un CMP suelen ser
\series bold
multiprocesadores simétricos
\series default
(
\series bold
SMP
\series default
,
\emph on
\lang english
symmetric multiprocessors
\emph default
\lang spanish
), que acceden a una memoria común con latencia de acceso uniforme, pero
tienen cachés que pueden ser:
\end_layout
\begin_layout Enumerate
Totalmente separadas, una caché por procesador.
Es el caso de las cachés L1, de las que hay dos por procesador para datos
e instrucciones.
Dos cachés separadas pueden tener el mismo dato.
\end_layout
\begin_layout Enumerate
Compartidas, para aprovechar mejor el espacio a cambio de un acceso más
lento.
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
NUCA
\series default
(
\emph on
\lang english
Non-Uniform Cache Access
\emph default
\lang spanish
): Una caché por procesador pero lógicamente compartida, de modo que si
un procesador necesita un bloque que no está en su caché se lo pide a las
cachés de los otros procesadores.
\end_layout
\begin_layout Standard
También hay procesadores con
\series bold
DSM
\series default
(
\emph on
\lang english
Distributed Shared Memory
\emph default
\lang spanish
), una arquitectura
\series bold
NUMA
\series default
(
\emph on
\lang english
Non-Uniform Memory Access
\emph default
\lang spanish
, acceso a memoria no uniforme) en la que cada núcleo tiene una porción
de memoria y acceso a E/S y puede acceder a la porción de otros procesadores
mediante una red de interconexión.
\end_layout
\begin_layout Section
Coherencia de cachés
\end_layout
\begin_layout Standard
Un sistema de memoria multiprocesador es
\series bold
coherente
\series default
si todas las copias accesibles de la misma posición de memoria tienen el
mismo valor, esto es, si el resultado de cualquier ejecución de un programa
es tal que, para una posición de memoria, se puede construir una ordenación
secuencial de las operaciones realizadas sobre dicha posición y en la que
las operaciones emitidas por un mismo procesador aparecen en el orden en
que son emitidas por el procesador al sistema de memoria y el valor devuelto
por una operación de lectura es el escrito en la última escritura con la
ordenación secuencial.
\end_layout
\begin_layout Standard
Equivalentemente, es coherente si el resultado de cualquier ejecución de
un programa se puede obtener dividiendo la ejecución de cada hilo en una
secuencia de épocas o momentos lógicos de forma que en cada época o bien
hay un único procesador leyendo y escribiendo de una dirección o bien ningún
procesador escribe en la dirección, y el valor en una dirección al comienzo
de una época para cualquier lector es el mismo que el que tenía al final
de la última época en que se escribió a la dirección.
\end_layout
\begin_layout Standard
En sistemas de memoria compartida, el
\emph on
\lang english
hardware
\emph default
\lang spanish
mantiene la coherencia mediante un
\series bold
protocolo de coherencia
\series default
, que debe ser correcto y queremos que sea rápido sin consumir mucha energía
y requiera poco
\emph on
\lang english
hardware
\emph default
\lang spanish
.
Un procesador mononúcleo puede tener problemas de coherencia por la E/S,
pues un controlador DMA puede escribir a una zona de memoria pero el procesador
lee de caché.
Lo que se hace entonces es desactivar el uso de caché para esa zona.
Para procesadores multinúcleo los protocolos pueden ser:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Basados en invalidación
\series default
: Cuando un procesador modifica su copia, notifica al resto para que descarten
la suya.
Solo hay que comunicar la primera escritura, pues tras esta no existen
más copias hasta que otro nodo vuelva a acceder al dato, y el resto de
escrituras a la misma línea de caché son locales.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Basados en actualización
\series default
: Cuando un procesador modifica su copia, indica su modificación al resto
para que la actualicen.
No invalida copias de otros nodos, por lo que no aumenta la tasa de fallos,
pero usa mucho ancho de banda en actualizaciones que en general no son
accedidas de nuevo por otros nodos.
\end_layout
\begin_layout Standard
La invalidación o actualización de un bloque en un nivel de caché debe transmiti
rse a los niveles superiores.
La mayoría de sistemas usan protocolos basados en invalidación.
\end_layout
\begin_layout Subsection
MSI con fisgoneo
\end_layout
\begin_layout Standard
Los protocolos
\series bold
\emph on
\lang english
snoopy
\series default
\emph default
\lang spanish
o basados en
\series bold
fisgoneo
\series default
se basan en que los nodos puedan ver los fallos de caché del resto y actuar
en consecuencia, invalidando las copias si hace falta o proporcionando
los datos.
Esto requiere una red totalmente ordenada que permita la difusión, como
un bus o cualquier otra red si se obliga a los mensajes a pasar por un
punto de serialización, aunque hay sistemas modernos que usan variantes
del fisgoneo que funcionan con redes que no garantizan un orden total,
normalmente anillos.
Los protocolos basados en fisgoneo funcionan bien cuando hay pocos nodos,
pero con muchos nodos la red totalmente ordenada es un cuello de botella.
\end_layout
\begin_layout Standard
El protocolo
\series bold
MSI
\series default
es un protocolo basado en invalidación en el que los bloques pueden estar
en uno de tres estados:
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
\emph on
\lang english
Modified
\series default
\emph default
\lang spanish
: Los datos están actualizados, la copia en memoria es obsoleta y ninguna
otra caché tiene copia.
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
\emph on
\lang english
Shared
\series default
\emph default
\lang spanish
: Los datos están actualizados en caché y memoria, y otras cachés pueden
tener copia.
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
\emph on
\lang english
Invalid
\series default
\emph default
\lang spanish
: Bloque inválido.
\end_layout
\begin_layout Standard
Los mensajes intercambiados son:
\end_layout
\begin_layout Itemize
Del procesador (o nivel de caché superior) a la caché, petición de lectura
(
\family typewriter
ReqRd
\family default
) y de escritura (
\family typewriter
ReqWr
\family default
), a las que la caché siempre acaba respondiendo.
\end_layout
\begin_layout Itemize
En el bus, petición de lectura (
\family typewriter
BusRd
\family default
), de lectura exclusiva (con intención de modificar,
\family typewriter
BusRdX
\family default
) o de invalidación de bloque (
\family typewriter
BusUpd
\family default
), y envío de datos a otra caché (
\family typewriter
Flush
\family default
) o a memoria y opcionalmente a otra caché (
\family typewriter
FlushM
\family default
).
\end_layout
\begin_layout Standard
El diagrama de estados resultante está en la figura
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:msi-snoopy"
plural "false"
caps "false"
noprefix "false"
\end_inset
.
Una versión simplificada del protocolo sustituye
\family typewriter
Flush
\family default
y
\family typewriter
FlushM
\family default
por un solo mensaje
\family typewriter
BusWr
\family default
, equivalente a
\family typewriter
FlushM
\family default
, y
\family typewriter
BusUpd
\family default
por
\family typewriter
BusRdX
\family default
.
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Float figure
wide false
sideways false
status open
\begin_layout Plain Layout
\align center
\begin_inset External
template VectorGraphics
filename n3.1.dot
scale 50
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset Caption Standard
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset CommandInset label
LatexCommand label
name "fig:msi-snoopy"
\end_inset
Diagrama de estados del protocolo MSI con fisgoneo.
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
Cuando se recibe un
\family typewriter
BusRd
\family default
de un bloque modificado, hacer
\family typewriter
FlushM
\family default
y compartir el bloque permite que posteriores lecturas por el procesador
original resulten en acierto de caché, pero si el nuevo procesador escribe
en el bloque, tiene que notificar la actualización para invalidar el bloque
y la latencia de la escritura aumenta.
Si el patrón de acceso es migratorio; por ejemplo, si se va actualizando
un contador compartido, se escribe el bloque continuamente a memoria (más
comúnmente a caché L3 compartida), por lo que puede ser mejor hacer
\family typewriter
Flush
\family default
e invalidar el bloque.
\end_layout
\begin_layout Standard
En general es preferible compartir cuando es más probable que el procesador
original vuelva a leer y es preferible invalidar cuando es más probable
que el patrón de acceso sea migratorio.
Algunos procesadores adaptan el protocolo según el tipo de acceso observado.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Directorios
\end_layout
\begin_layout Standard
Un directorio es una tabla cuyas entradas están formadas por la etiqueta
de un bloque al que asocia bits de presencia, indicando en qué núcleos
está el bloque normalmente mediante un vector de bits, y bits de estado.
Se usa como punto de serialización para dar escalabilidad a los protocolos
de fisgoneo.
\end_layout
\begin_layout Standard
Puede ser centralizado, pero como tiene que ser consultado cada vez que
un acceso a memoria falla en una caché local, es mejor que sea distribuido,
con varios directorios cada uno encargado de un subconjunto de direcciones
de memoria.
La latencia de acceso es variable porque puede el directorio asociado a
una dirección puede estar conectado al nodo local de la red o a uno más
o menos remoto.
\end_layout
\begin_layout Standard
Para que un protocolo de directorio sea escalable debe tener buen rendimiento,
minimizando el ancho de banda por fallo, especialmente en el camino crítico,
y la frecuencia de los fallos, y reduciendo la sobrecarga de memoria asociada
al estado del directorio.
\end_layout
\begin_layout Standard
El protocolo MSI basado en directorio usa 3 estados posibles para una entrada
de directorio: NC (
\emph on
\lang english
Non-Cached
\emph default
\lang spanish
), S (
\emph on
\lang english
Shared
\emph default
\lang spanish
) y P (
\emph on
\lang english
Private
\emph default
\lang spanish
).
Los mensajes son:
\end_layout
\begin_layout Enumerate
Del procesador a la caché: Petición de lectura (
\family typewriter
ReqRd
\family default
) y de escritura (
\family typewriter
ReqWr
\family default
).
\end_layout
\begin_layout Enumerate
Del directorio a las cachés: Petición de invalidación (
\family typewriter
CInv
\family default
), de obtener copia para lectura (
\family typewriter
CRd
\family default
) y de enviar copia para escritura (
\family typewriter
CWr
\family default
).
\end_layout
\begin_layout Enumerate
De las cachés al directorio: Petición de lectura (
\family typewriter
DirRd
\family default
), escritura (
\family typewriter
DirWr
\family default
) y volcado en memoria (
\family typewriter
DirWB
\family default
); confirmación de invalidación (
\family typewriter
CInvOK
\family default
) y de envío de copia para lectura (
\family typewriter
CRdOK
\family default
, contiene el dato leído) y escritura (
\family typewriter
CWrOK
\family default
).
\end_layout
\begin_layout Enumerate
Respuesta con datos solicitados (
\family typewriter
Data
\family default
), de una caché a otra o, si el dato no estaba en ninguna caché, del directorio
a la caché, tras solicitar el dato de memoria.
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Float figure
wide false
sideways false
status open
\begin_layout Plain Layout
\align center
\begin_inset External
template VectorGraphics
filename n3.2.dot
scale 50
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset Caption Standard
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset CommandInset label
LatexCommand label
name "fig:msi-dir"
\end_inset
Transiciones del directorio en MSI con directorios, donde
\family typewriter
c
\family default
es la caché peticionaria y
\family typewriter
r
\family default
es una caché remota que tiene el dato.
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Float figure
wide false
sideways false
status open
\begin_layout Plain Layout
\align center
\begin_inset External
template VectorGraphics
filename n3.3.dot
scale 50
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset Caption Standard
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset CommandInset label
LatexCommand label
name "fig:msi-dir-cache"
\end_inset
Transiciones de las cachés en MSI con directorios, donde
\family typewriter
c
\family default
es la caché que pide un dato a esta.
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Standard
Los diagramas de transición se muestran en las figuras
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:msi-dir"
plural "false"
caps "false"
noprefix "false"
\end_inset
y
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:msi-dir-cache"
plural "false"
caps "false"
noprefix "false"
\end_inset
.
En la práctica queremos que varios procesadores puedan ejecutar transacciones
a la vez, incluso hacia la misma línea de caché, lo que supone mucha complejida
d.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Datos compartidos
\end_layout
\begin_layout Standard
Cuando varios procesadores usan la misma línea de caché a la vez se dice
que comparten la línea.
En los protocolos de invalidación, las escrituras frecuentes a una línea
compartida degradan el rendimiento.
Distinguimos:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Verdadera compartición
\series default
: Los hilos usan la misma variable.
Esto no es un problema si la variable es de sólo lectura, pero si se escribe
frecuentemente se deberían usar copias de la variable por hilo si el algoritmo
lo permite.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Falsa compartición
\series default
: Los hilos usan variables distintas en el mismo bloque.
La solución es almacenar las variables en bloques distintos o evitar el
entrelazamiento de los accesos.
\end_layout
\begin_layout Subsection
Mejoras a MSI
\end_layout
\begin_layout Standard
MSI se puede optimizar con nuevos estados:
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
\emph on
\lang english
Exclusive
\series default
\emph default
\lang spanish
: No se ha modificado el bloque pero ninguna otra caché tiene una copia.
Esto es habitual, y codificarlo en otro estado evita enviar mensajes de
coherencia para datos privados.
\end_layout
\begin_layout Enumerate
\series bold
\emph on
\lang english
Owner
\series default
\emph default
\lang spanish
: Otras cachés pueden tener copias en estado
\emph on
\lang english
Shared
\emph default
\lang spanish
, pero la copia en memoria no está actualizada y esta caché es la encargada
de dar los datos en caso de fallo.
Esto evita escribir en memoria cuando otro núcleo quiere leer un dato que
se ha modificado.
\end_layout
\begin_layout Standard
Esto nos da los protocolos
\series bold
MESI
\series default
(MSI con
\emph on
\lang english
Exclusive
\emph default
\lang spanish
, figura
\begin_inset CommandInset ref
LatexCommand ref
reference "fig:mesi-snoppy"
plural "false"
caps "false"
noprefix "false"
\end_inset
),
\series bold
MOSI
\series default
(MSI con
\emph on
\lang english
Owner
\emph default
\lang spanish
) y
\series bold
MOESI
\series default
(MSI con
\emph on
\lang english
Exclusive
\emph default
\lang spanish
y
\emph on
\lang english
Owner
\emph default
\lang spanish
).
\end_layout
\begin_layout Standard
\begin_inset Float figure
wide false
sideways false
status open
\begin_layout Plain Layout
\align center
\begin_inset External
template VectorGraphics
filename n3.4.dot
scale 50
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset Caption Standard
\begin_layout Plain Layout
\begin_inset CommandInset label
LatexCommand label
name "fig:mesi-snoppy"
\end_inset
Diagrama de transición de MESI basado en fisgoneo.
Una señal
\begin_inset Formula $E$
\end_inset
se activa cuando ningún nodo ha solicitado el bloque.
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\end_inset
\end_layout
\begin_layout Section
Modelos de consistencia de memoria
\end_layout
\begin_layout Standard
El compilador y los núcleos del procesador pueden cambiar el orden de cargas
y almacenamientos, por lo que en principio un hilo no puede depender del
orden en que otro carga y almacena los valores.
Como hace falta un orden para la sincronización, necesitamos un
\series bold
modelo de memoria
\series default
, una especificación de las restricciones en el orden en que las operaciones
de memoria de un hilo se hacen visibles al resto.
Todos los modelos son coherentes, pero la
\series bold
consistencia
\series default
, la generalización de la coherencia a posiciones de memoria distintas,
es rara.
Algunos modelos:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Consistencia estricta
\series default
: La escritura a una variable por un procesador es vista instantáneamente
por el resto.
Este modelo es determinista y asume un reloj global en el procesador, y
aunque es fácil de conseguir en procesadores mononúcleo cuando no hacen
E/S, enlentece mucho los sistemas distribuidos.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Consistencia secuencial
\series default
: Las escrituras no tienen que hacerse visibles instantáneamente, pero son
\series bold
atómicas
\series default
, vistas en el mismo orden por todos los hilos, y en particular las de un
mismo hilo se ven en el orden del programa.
\end_layout
\begin_deeper
\begin_layout Standard
Esto requiere esperar a que las escrituras terminen de propagarse antes
de emitir otra operación de memoria, rompiendo optimizaciones como los
\emph on
\lang english
buffers
\emph default
\lang spanish
de escritura y el adelantamiento y dificultando mecanismos como la segmentación
, lo que se puede aliviar con especulación pero añadiendo mucha complejidad.
Además, muchas optimizaciones de compiladores se basan en reordenar el
código fuente y en particular los accesos a memoria, o en usar registros.
Por eso x86, ARM, MIPS, PowerPC y RISC-V no lo implementan.
\end_layout
\end_deeper
\begin_layout Standard
En la práctica se usan modelos de consistencia relajados:
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Consistencia del procesador
\series default
o
\series bold
\emph on
\lang english
Processor Consistency
\series default
\emph default
\lang spanish
: Cada hilo ve las escrituras de un mismo procesador en orden.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Consistencia débil
\series default
: Los accesos a memoria pueden marcarse como de sincronización.
Estos accesos tienen consistencia secuencial entre sí y todos los hilos
ven el mismo conjunto de operaciones de memoria entre accesos de sincronización.
\end_layout
\begin_layout Itemize
\series bold
Consistencia de liberación
\series default
: Los accesos a memoria pueden marcarse como de
\series bold
adquisición
\series default
(
\emph on
\lang english
acquire
\emph default
\lang spanish
) o de
\series bold
liberación
\series default
(
\emph on
\lang english
release
\emph default
\lang spanish
).
Los accesos de adquisición y liberación tienen consistencia del procesador
entre sí, todos los accesos esperan a que los anteriores de adquisición
hayan terminado y los de liberación esperan a que todos los anteriores
hayan terminado.
Normalmente las secciones críticas empiezan con una
\emph on
\lang english
acquire
\emph default
\lang spanish
y terminan con una
\emph on
\lang english
release
\emph default
\lang spanish
.
\end_layout
\begin_deeper
\begin_layout Standard
Este es el modelo usado por C, C++ y Java,
\begin_inset Foot
status open
\begin_layout Plain Layout
C, C++ y Rust usan el mismo modelo, que también incluye consistencia débil,
aunque esta se puede implementar a través de consistencia de liberación.
\end_layout
\end_inset
y ARMv8 y RISC-V tienen modelos similares.
\end_layout
\end_deeper
\begin_layout Standard
Los accesos a memoria marcados especialmente se suelen traducir en ensamblador
como
\emph on
\lang english
memory fences
\emph default
\lang spanish
.
Programar con modelos relajados es más difícil, y se aconseja evitar las
\series bold
condiciones de carrera
\series default
, en que dos hilos acceden a la misma memoria sin ordenación y al menos
uno escribe en ella, y usar las primitivas de sincronización del lenguaje
de programación, que en general incluyen las
\emph on
\lang english
fences
\emph default
\lang spanish
necesarias.
\end_layout
\end_body
\end_document
|