Começando Concorrente: Uma Introdução Gentil à Programação Concorrente

Disponibilidade

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Sobre

Bem-vindo ao Começando Concorrente! Este livro foi concebido como um ponto de entrada para o desafiador domínio da computação multicore. Ele foi projetado para apresentar aos alunos a programação concorrente ao mesmo tempo em que eles aprendem os fundamentos da programação sequencial, no início da faculdade. Depois de dominar os conceitos abordados aqui, os alunos devem estar preparados quando se depararem com formas mais complexas de concorrência em cursos avançados e no local de trabalho. Uma geração de alunos que aprende a concorrência em seu primeiro curso estará pronta para explorar todo o poder dos chips com vários núcleos quando ingressar no mercado de trabalho.

Os processadores multicore são onipresentes. Quer você use um desktop, um laptop ou até mesmo um smartphone, é bem provável que seu computador tenha um chip multicore em seu coração. Computadores paralelos de baixo custo foram profetizados durante anos. Esse momento chegou. Os computadores paralelos estão em nossas mãos e em nossos bolsos. Esse progresso na tecnologia de microprocessadores lançou um desafio aos educadores: Como podemos ensinar programação concorrente?

A programação de computadores tem sido ensinada no meio acadêmico há décadas. No entanto, o objetivo não escrito em quase todas as aulas de programação para iniciantes tem sido ensinar os alunos a escrever, compilar, testar e depurar programas sequenciais. O material relacionado à programação concorrente geralmente é deixado para cursos sobre sistemas operacionais e linguagens de programação ou cursos de computação de alto desempenho. Agora que os computadores paralelos estão em toda parte, devemos considerar introduzir os fundamentos da programação simultânea em aulas para iniciantes em programação?

De nossa parte, acreditamos que a programação simultânea pode e deve ser ensinada aos alunos do primeiro ano. Este livro tem como objetivo apresentar a programação concorrente praticamente desde o primeiro dia. A justificativa para nossa crença deriva de outra crença de que o pensamento processual, tanto sequencial quanto concorrente, é natural. As pessoas sabiam como resolver problemas de maneira sequencial, muito antes de o estudo de algoritmos se tornar um disciplina formal e a ciência da computação um curso formal. E essa lógica se aplica à solução de problemas usando um conjunto de soluções sequenciais aplicadas simultaneamente. Observe um cozinheiro na cozinha e você verá a simultaneidade em ação. Assista a um filme e você verá a simultaneidade em ação à medida que várias subtramas, cenas e flashbacks história. Os pais usam soluções simultâneas para resolver problemas cotidianos enquanto lidam com os cuidados com os filhos, a carreira e a vida social.

Se as pessoas resolvem naturalmente os problemas de forma sequencial e simultânea, por que precisamos ensinar programação? A programação é uma maneira de mapear uma solução algorítmica de um problema em uma linguagem artificial, como Java. É uma atividade que requer análise formal, vocabulário especializado e lógica afiada. A verdadeira substância intelectual da programação está nesse processo de mapeamento. Qual é a melhor maneira de transformar uma solução sequencial em uma linguagem artificial? Como uma solução sequencial pode ser dividida em partes simultâneas que são executadas mais rapidamente do que a original? Como um problema grande problema pode ser dividido em partes pequenas e gerenciáveis que podem ser programadas separadamente e depois integrados em um todo? Além disso, há questões de testes, depuração, documentação e gerenciamento do processo de desenvolvimento de software, que se combinam para tornar a programação um campo ilimitado para o esforço intelectual.

Público alvo

Este livro foi concebido para ensinar estudantes de nível universitário sem experiência em programação em um período de dois semestres. Embora comecemos com conceitos de concorrência desde o início, é difícil para os alunos sem experiência prévia em programação escrever programas multithread úteis até o final do primeiro semestre. No entanto, ao final do segundo semestre, este livro pode levar o aluno de uma folha em branco a um programador capaz de programas paralelos complexos que exploram o poder dos processadores com vários núcleos.

O conteúdo deste livro também pode ser usado em cursos de um único semestre. Os capítulos 1 a 12 são destinados ao iniciante absoluto. Se você não quiser introduzir a programação simultânea em um primeiro curso, esses capítulos devem ser adequados. O material e os exercícios sobre concorrência nesses capítulos podem ser ignorados sem afetar negativamente o outro material. Em um segundo curso de programação, os Capítulos 1 a 12 devem ser usados como material de revisão, bem como uma introdução à programação simultânea. A maior parte do material dos Capítulos 13 em diante poderia ser abordada em um único semestre.

Material abordado

Java é uma linguagem complexa. Sua longa lista de recursos torna difícil para um instrutor decidir o que abordar e o que deixar de fora. Muitas vezes, há uma tendência de cobrir mais material do que menos. Percebemos que o aluno de hoje usa não apenas um livro didático, mas também o grande volume de material disponível na Web para aprender qualquer assunto, inclusive programação. Consequentemente, nosso foco está mais nos elementos fundamentais da programação e menos em fornecer uma descrição completa do Java, que ainda é uma linguagem viva e em evolução. Quando apropriado, direcionamos o aluno para sites onde é possível encontrar material de referência relevante.

Classes e objetos são uma parte essencial do Java. Alguns educadores adotaram a abordagem “objetos desde cedo”, que se concentra fortemente nos princípios orientados a objetos desde o início. Embora vejamos muitos méritos nessa abordagem, nos sentimos compelidos a começar com lógica, aritmética e fluxo de controle para que os alunos tenham uma base sólida do que colocar dentro de seus objetos. Um tratamento completo de classes e objetos se desenvolve ao longo do livro, passando naturalmente de programas monolíticos para a decomposição em métodos e para a orientação total a objetos.

Organização

O material abordado pode ser dividido de diferentes maneiras, dependendo das necessidades do instrutor ou do aluno. Os capítulos 1 a 12, com exceção do capítulo 7, foram criados para apresentar ao aluno o Java e a programação em geral. Os capítulos 7 e 15 abrangem o material relacionado às interfaces gráficas de usuário e podem ser ignorados se esses tópicos não forem de interesse. Os Capítulos 13 e 14 apresentam um tratamento detalhado dos recursos de concorrência do Java. Embora façamos um esforço para marcar o material sobre concorrência e mantê-lo independente do restante do conteúdo, os capítulos numerados a partir do 15 pressupõem algum conhecimento e interesse em concorrência. O próprio capítulo 15 aborda a depuração e os testes, o que é ainda mais crucial em um ambiente simultâneo. O restante do livro aborda material avançado relacionado a design de OO, estruturas de dados e E/S.

Resumo dos capítulos

Uma característica deste livro que o diferencia de muitos livros-texto de Java é sua abordagem orientada a problemas. A maioria dos capítulos é dividida nas seguintes partes.

Problema: Um problema motivador é apresentado no início de quase todos os capítulos. Esse problema tem o objetivo de mostrar o valor do material abordado no capítulo, além de esboçar uma aplicação prática.
Conceitos: Em cada capítulo, há uma ou mais seções curtas dedicadas a conceitos. Os conceitos descritos nessas seções são os tópicos fundamentais abordados no capítulo, bem como as principais ideias necessárias para resolver o problema motivador do capítulo. A intenção é que esses conceitos sejam amplos e neutros em termos de linguagem. A sintaxe Java é mantida em um mínimo absoluto nessas seções.
Sintaxe: Cada capítulo tem uma ou mais seções que descrevem a sintaxe Java necessária para implementar os conceitos já descritos nas seções Conceitos. Essas seções geralmente são mais longas e têm exemplos numerados em código Java espalhados por toda parte.
Solução: Após a apresentação dos conceitos apropriados e da sintaxe Java necessários para resolver o problema motivador, uma solução é fornecida perto do final do capítulo. Dessa forma, os alunos têm tempo suficiente para pensar sobre a abordagem necessária para resolver o problema antes que a resposta seja dada.
Concorrência: Em todos os capítulos, exceto nos Capítulos 13 e 14, os capítulos dedicados à concorrência, os conceitos e a sintaxe de concorrência relevantes adicionais são introduzidos nessas seções especialmente marcadas, disseminando a concorrência por todo o livro.
Exercícios: Cada capítulo termina com exercícios, que são divididos em três seções: Problemas conceituais, Prática de programação e Experimentos. A maioria dos problemas conceituais é simples e tem como objetivo testar rapidamente a compreensão do aluno. Os problemas de prática de programação exigem que os alunos implementem um pequeno programa em Java e podem ser usados como tarefas de casa. Os experimentos são um recurso especial deste livro-texto e são especialmente apropriados no contexto da concorrência. Os experimentos se concentram no desempenho de um programa, geralmente em termos de velocidade ou uso de memória. Os alunos precisarão executar programas curtos e medir seu tempo de execução ou outros recursos, obtendo uma visão prática do aumento de velocidade e de outras vantagens e desafios da simultaneidade. Referências a exercícios são fornecidas ao longo do texto do capítulo.

Esperamos que a estruturação dos capítulos dessa forma possa ser útil para muitos tipos diferentes de leitores. Os programadores iniciantes talvez queiram ler cada capítulo do início ao fim. Programadores experientes que nunca programaram em Java podem se concentrar principalmente nas seções de Sintaxe para aprender a sintaxe e a semântica apropriadas do Java. Os programadores Java mais experientes podem preferir se concentrar nos exemplos e exercícios claramente numerados. Obviamente, os instrutores são incentivados a usar os problemas motivadores para motivar suas aulas também.

Além disso, as seções Armadilhas especialmente marcadas ao longo do livro destacam erros e falhas comuns de programação.

O que esse livro não cobre?

Este livro não tem a intenção de ser um guia abrangente de Java. Em vez disso, ele pretende ensinar como usar os computadores para resolver problemas, especialmente de forma simultânea. O Java tem uma riqueza maravilhosa de pacotes e bibliotecas que não temos espaço para cobrir. Por exemplo, o pacote Swing para criar interfaces de usuário é discutido, mas não em sua totalidade. Para o material não encontrado neste livro, esperamos que os alunos consultem o material disponível no site de tutorial do Oracle Java e em outros livros e sites de referência.

Sugestões

IDE Java: É importante que os alunos sejam apresentados a uma IDE Java logo no início do curso. Recomendamos que os alunos usem uma IDE mais simples em vez de uma mais complexo. Usamos com sucesso o DrJava, embora outras IDEs simples possam funcionar igualmente bem. Para os instrutores que desejam que seus alunos tenham experiência com uma IDE de nível industrial, damos exemplos de uso do Eclipse e do DrJava no capítulo sobre teste e depuração e em algumas outras ocasiões, quando relevante.
Concorrência desde o começo: Muitos cursos começam com uma ou duas aulas sobre a relação entre a solução de problemas e os computadores. O Capítulo 2 aborda esse tópico. Durante essas primeiras aulas, os instrutores podem introduzir as noções de soluções sequenciais e concorrentes. Pode-se usar problemas simples de áreas como matemática ou física ou até mesmo do cotidiano que levem a soluções sequenciais e concorrentes. A exposição precoce a soluções desses problemas, programadas em Java, pode ser benéfica para os alunos, mesmo que eles não entendam toda a sintaxe.
Entrada e saída: A questão de qual material de Entrada e Saída (E/S) deve ser abordado pode ser tratada de várias maneiras. Embora a programação de GUIs atraentes possa ser empolgante, alguns instrutores preferem adiar o tratamento detalhado do material relacionado à GUI até o final do curso. Neste livro, decidimos seguir uma abordagem flexível. Começamos discutindo o uso de System.out.print() e Scanner e a classe JOptionPane como alternativas para entrada e saída básicas. Nossa suposição é de que a maioria dos instrutores preferirá a simplicidade da E/S de linha de comando; no entanto, aqueles que preferem uma abordagem mais pesada de GUI podem começar logo no Capítulo 7, para obter noções básicas de GUI, e eventualmente passar para o Capítulo 15, para se aprofundar em GUIs e Swing. Os instrutores que desejarem se concentrar apenas na E/S de linha de comando podem ignorar esses capítulos.

Agradecimentos

Várias pessoas tiveram um papel importante na motivação dos autores para a tarefa de escrever este livro e na escolha dos tópicos. Primeiro, durante a primavera de 2008, vários professores do Departamento de Ciência da Computação e um cientista do ITaP de Purdue participaram das primeiras discussões relacionadas ao ensino de programação simultânea em turmas de calouros. Apesar do grande número de questões levantadas, todos os participantes pareciam concordar em um ponto: que devemos introduzir a simultaneidade no início do currículo de graduação em Ciência da Computação. Agradecemos a todos os participantes, destacamos Buster Dunsmore, Ananth Grama, Suresh Jagannathan, Sunil Prabhakar, Faisal Saied e Jan Vitek. Nós nos beneficiamos com a orientação, o incentivo e o apoio de vários ex-alunos e parceiros corporativos; agradecimentos especiais a Kevin Kahn, Andrew Chien e Carl Murray.

Agradecemos aos vários revisores anônimos que leram cuidadosamente a versão 3.0 deste manuscrito e fizeram sugestões valiosas. Esta versão atual não existiria sem as muitas sugestões e críticas desses revisores.

No outono de 2008, oferecemos uma aula experimental para calouros intitulada “Introdução à Programação com Concorrência”. Essa aula foi certamente uma das melhores que já ministramos para calouros. Agradecemos a Alexander Bartol, Alexander Coe, Eric Fisher, Benjamin Gilliland-Sauer, John Graff, Tyler Holzer, Kelly, Jordan Kelly, Azfar Khandoker, Zackary Naas, Ravi Pareek, Carl Rhodes, Robert Schwalm, Andrew Wirtz e Christopher Womble.

Agradecimentos especiais a Azfar Khandoker, que não apenas participou dessa aula inicial, mas também trabalhou em um projeto de estudo independente para criar exercícios usando robôs Lego para ajudar os alunos a aprender programação. O trabalho de Azfar levou ao uso de robôs em duas aulas de programação para calouros ministradas em Purdue.

Agradecemos o apoio e a cooperação do corpo docente e de seus alunos, que são nossos primeiros usuários de teste: Professor David John, da Wake Forest University, e Professor Sunil Prabhakar, da Purdue University.

Por fim, agradecemos a todos da comunidade de código aberto que enviaram problemas, perguntas ou solicitações pull por meio do Github.