[pt] A popularização dos processadores multinúcleo e de tecnologias como o hyper-threading evidencia uma mudança de foco na evolução dos processadores. Essa mudança fomenta o interesse por programação concorrente e a exploração de paralelismo para obtenção de melhor desempenho. Entretanto, os modelos atuais para programação concorrente são alvo de críticas recorrentes, o que estimula a elaboração de propostas alternativas. Este trabalho apresenta uma análise crítica do multithreading preemptivo com compartilhamento de memória, um modelo amplamente utilizado para programação concorrente, e faz um breve apanhado de trabalhos que abordam alternativas para programação concorrente. Em seguida, propõe um modelo para programação concorrente estruturado com a linguagem de programação Lua e descreve as suas principais características e vantagens. Finalmente, apresenta os resultados da avaliação de diversos aspectos de uma biblioteca desenvolvida para implementar o modelo proposto. / [en] The popularization of multi-core processors and of technologies such as hyper-threading indicates a different approach to the evolution of processors. This new approach brings about an increased interest in concurrent programming and the exploration of parallelism in order to achieve better performance. However, concurrent programming models now in use are subject to recurring criticism, which stimulates the development of alternative proposals. This work presents a critical analysis of preemptive multithreading with shared memory, which is a widely used model for concurrent programming, and brie y summarizes some studies that deal with alternatives for concurrent programming. It then, proposes a model for concurrent programming structured with the Lua programming language and describes its main characteristics and advantages. Finally, it presents the results of an evaluation of several aspects of a library developed to implement the proposed model.

[pt] Em aplicações Web, sessões cliente são organizadas em transações, envolvendo requisições que leem e atualizam dados compartilhados. Executando concorrentemente, estas sessões podem invalidar os dados umas das outras. O advento do movimento Linked Data vem estimulando sobremaneira a criação de aplicações que empregam o modelo de dados RDF em sua camada de informação. Além de consultas aos dados RDF, também se faz presente o requisito de atualizações online, com adequado controle de concorrência. Este trabalho apresenta um modelo de bloqueio, inspirado no protocolo de bloqueio multigranular, voltado para isolamento entre transações que manipulam dados RDF, considerando quatro problemas de concorrência, a saber: lost updates, dirty reads, non-repeatable read e phantoms reads. São oferecidos quatro grânulos hierarquicamente relacionados, bem como novos tipos de bloqueio de escrita e leitura, especificamente criados para o modelo RDF. Por fim, o desempenho do modelo de bloqueio proposto é avaliado por meio de simulação. / [en] Client sessions in Web applications are organized as transactions involving requests that read and write shared data. Executing concurrently, these sessions may invalidate each other s data. The advent of Linked Data is spurring the deployment of applications that use the RDF data model at the information tier. In addition to querying RDF data, there is also the requirement for online updates with suitable concurrency control. This work presents a locking model, inspired by the multigranularity locking protocol, to address isolation between transactions that manipulate RDF data, considering four concurrency-related issues, namely: lost updates, dirty reads, non-repeatable reads and phantom reads. Four hierarchically related granules are offered, as well as new read and write lock modes, specifically created for the RDF data model. Finally, the performance assessment of the proposed locking model is done through simulation.

[pt] Linguagens de programação dinâmicas estão cada vez mais populares e já foram utilizadas para desenvolver uma ampla gama de aplicações. Enquanto isso, processadores multi-núcleo se tornaram padrão, mesmo em computadores pessoais e dispositivos móveis. Dessa forma, os programadores precisam recorrer ao paralelismo para aprimorar o desempenho de seus programas. Entretanto, a programação concorrente permanece difícil. Adicionalmente, a despeito de avanços em linguagens estáticas, avaliamos que linguagens dinâmicas ainda carecem de suporte adequado à concorrência. Nesta tese argumentamos que o principal problema da programação concorrente é a imprevisibilidade - comportamentos inesperados de programas, tais como retornar valores descabidos. Observamos que a imprevisibilidade é mais provável quando memória compartilhada é utilizada. Consequentemente, propomos um modelo de comunicação para concorrência que visa disciplinar o compartilhamento de memória em linguagens dinâmicas. O modelo é baseado nos padrões emergentes de concorrência de não compartilhar dados por padrão, imutabilidade de dados e tipos e efeitos (que transformamos em capacidades). Ele demanda a utilização de objetos compartilháveis para compartilhar dados e utiliza troca de mensagens para comunicação entre fluxos de execução. Objetos compartilháveis podem ser compartilhados apenas para leitura ou para leitura e escrita, o que permite acesso individual de escrita e acessos paralelos de leitura. Implementamos um protótipo em Lua para experimentar com o modelo na prática, bem como para conduzir uma avaliação geral de desempenho. A avaliação demonstra que há benefícios na utilização de memória compartilhada, mas ao mesmo tempo revela que os controles utilizados para assegurar a disciplina ocasionam um impacto de desempenho. / [en] Dynamic programming languages have become increasingly popular and have been used to implement a range of applications. Meanwhile, multicore processors have become the norm, even for desktop computers and mobile devices. Therefore, programmers must turn to parallelism as a means to improve performance. However, concurrent programming remains difficult. Besides, despite improvements in static languages, we find dynamic languages are still lacking in concurrency support. In this thesis, we argue that the main problem with concurrent programming is unpredictability - unexpected program behaviors, such as returning out-of-thin-air values. We observe that unpredictability is most likely to happen when shared memory is used. Consequently, we propose a concurrency communication model to discipline shared memory in dynamic languages. The model is based on the emerging concurrency patterns of not sharing data by default, data immutability, and types and effects (which we turn into capabilities). It mandates the use of shareable objects to share data. Besides, it establishes that the only means to share a shareable object is to use message passing. Shareable objects can be shared as read-write or read-only, which allows both individual read-write access and parallel read-only access to data. We implemented a prototype in Lua, called luashare, to experiment with the model in practice, as well as to carry out a general performance evaluation. The evaluation showed us that safe data sharing makes it easier to allow for communication among threads. Besides, there are situations where copying data around is simply not an option. However, enforcing control over shareable objects has a performance cost, in particular when working with nested objects.

[pt] O uso de multithreading tem se popularizado como forma de separar a execução de tarefas concorrentes e de alcançar maior desempenho aproveitando melhor o tempo das CPUs. No entanto, a programação com threads não é uma tarefa fácil. O uso dos recursos compartilhados deve ser coordenado, pois o acesso concorrente aos mesmos, na maioria dos casos, gera inconsistência na aplicação. O modelo de desenvolvimento orientado a eventos foi apontado por alguns como uma boa alternativa na criação de aplicações. Nesse modelo, a tarefa é realizada por um ou mais eventos, e um loop principal fica responsável por receber e despachar esses eventos. Investigamos, neste trabalho, um modelo em Lua que combina orientação a eventos com preempção sem trazer de volta os problemas de programação concorrente. Investigamos também como características da linguagem podem ser utilizadas para prover mecanismos de coordenação flexíveis. Essas características podem ajudar, por exemplo, a compor novos mecanismos a partir de existentes. / [en] Multithreading has become popular as a way to organize concurrent tasks and achieve better performance from CPUs. However, programming with threads is not an easy task. Usage of shared resources needs to be coordinated because concurrent access to them, in most cases, may create inconsistency in the application. The event-driven model has been pointed as a good alternative to multithreaded programming. In this model, a task is performed by one or more events, where a main loop is responsible for receiving and dispatching these events. In this work, we investigate a model to combine event-driven and preemption in Lua without bringing back all the concurrent programming problems. We also investigate how the language’s characteristics can be used to provide flexible coordination mechanisms. These characteristics can aid, for example, to create new mechanisms based on the ones already existent.

[pt] Nos últimos anos, a tendência por aumentar o desempenho de um microprocessador, como uma solução alternativa para a crescente demanda por recursos computacionais de aplicações e sistemas, diminuiu significativamente. Isto levou a um aumento do interesse em utilizar ambientes multi-processados. Embora muitos modelos e bibliotecas tenham sido desenvolvidos para oferecer suporte à programação concorrente, garantir que vários fluxos de execução acessem recursos compartilhados de forma controlada continua a ser uma tarefa complexa. A biblioteca Luaproc, que oferece suporte para a concorrência em Lua, mostrou alguma promessa em termos de desempenho e casos de uso. Nesta tese, nós estudamos a biblioteca Luaproc e incorporamos-lhe novas funcionalidades a fim de torná-la mais amigável e estender o seu uso a novos cenários. Primeiro, nós apresentamos as motivações para nossas extensões a Luaproc, discutindo formas alternativas de lidar com as limitações existentes. Em seguida, nós apresentamos requisitos, características da implementação e limitações associadas a cada um dos mecanismos desenvolvidos como soluções alternativas a essas limitações. Finalmente, nós utilizamos as funcionalidades incorporadas na implementação de algumas aplicações concorrentes, a fim de avaliar o desempenho e testar o funcionamento adequado de tais mecanismos. / [en] In recent years, the tendency to increase the performance of a microprocessor, as an alternative solution to the increasing demand for computational resources of both applications and systems, has decreased significantly. This has led to an increase of the interest in employing multiprocessing environments. Although many models and libraries have been developed to offer support for concurrent programming, ensuring that several execution ows access shared resources in a controlled way remains a complex task. The Luaproc library, which provides support for concurrency in Lua, has shown some promise in terms of performance and cases of use. In this thesis, we study the Luaproc library and incorporate to it new functionalities in order to make it more user friendly and extend its use to new scenarios. First, we introduce the motivations to our extensions to Luaproc, discussing alternative ways of dealing with the existing limitations. Then, we present requirements, characteristics of the implementation, and limitations associated to each of the mechanisms implemented as alternative solutions to these limitations. Finally, we employ the incorporated functionalities in implementing some concurrent applications, in order to evaluate the performance and test the proper functioning of such mechanisms.

[pt] Os desenvolvedores de sistemas cliente-servidor constantemente se deparam com questões de desempenho e escalabilidade, muitas vezes o número de clientes simultâneos de um servidor pode crescer de forma significativa. Além disso, se esses sistemas podem executar códigos de terceiros, passa a existir a preocupação com a questão de segurança da execução destes trechos de códigos. O objetivo desse trabalho é testar o desempenho de diversas combinações de modelos de concorrência e sandboxes. Como exemplo de sistema sujeito a solicitações concorrentes que precisa permitir a execução de programas de terceiros, temos os servidores web. O Xavante é um servidor web desenvolvido na linguagem de programação Lua que originalmente utiliza um modelo de programação concorrente baseado em co-rotinas. Esse servidor já possuía a flexibilidade de mapear tipos de requisição a tratadores diferentes. Alguns desses tratadores de requisi ção permitem a utilização de código de terceiros em tempo de execução e, por isso, já fazem uso de sandboxes a fim de oferecer um ambiente de execução protegido. Nesse trabalho testamos o uso dessas sandboxes nativas ao Xavante além de outros tipos de sandboxes. Também aumentamos as possibilidades de extensão do servidor, flexibilizando a arquitetura de modo a permitir diferentes estratégias de concorrência. Utilizando a nova arquitetura testamos o desempenho das diversas combinações de sandboxes e modelos de programação concorrente, permitindo a comparação dos modelos não só do ponto de vista qualitativo mas também medindo o impacto de desempenho do seu uso. / [en] Client-server developers constantly have to deal with questions concerning performance and scalability, since the number of simultaneous clients can grow significantly. Moreover, if these systems can execute third-party code, there is also the concern of secure execution of these pieces of code. This work goal is to benchmark several combinations of concurrency and sandboxes models. As an example of a system exposed to several concurrent requests that must be able to execute third-party code, we have the web servers. Xavante is a web server developed in the Lua programming language that originally uses an concurrency programming model based on coroutines. This server offers the flexibility to map request types to different handlers. Some of these request handlers dynamically allow the use of third-party code, therefore they make use of sandboxes in order to offer a protected running environment. In this work we test the use of Xavante´s native sandboxes and other types of sandboxes.We also improve the extensibility of the server, using a different architecture in order to allow different concurrency strategies. Using the new architecture we tested the performance of several combinations of sandboxes and concurrency programming models, allowing the model comparison not only in a qualitative point of view but also measuring the related performance impacts.

[pt] Cada vez mais os aparelhos móveis estão se aperfeiçoando, com aumentos em suas capacidades de processamento e memória. Essa tendência acaba tornando o processamento móvel uma alternativa interessante. Este trabalho visa explorar esse mundo mobile e o seu potencial através do paralelismo, tanto localmente, na forma de exploração multicore, quanto distribuida, na forma de exploração multidispositivo. Exploramos isto através de uma biblioteca de paralelismo da linguagem de programação Lua, chamada Luaproc. Propomos um novo modelo de comunicação para esta biblioteca, para incluir esse cenário multidispositivo e combinar as facilidades de um serviço de enfileiramento de mensagens com o suporte para paralelismo já existente. Apresentamos algumas aplicações da biblioteca desenvolvida, avaliando sua utilização e desempenho em diferentes cenários. / [en] Mobile devices are undergoing constant increases in their processing and memory capabilities. This tendency is making mobile processing an interesting alternative. This work aims to support the programmer in exploring this potential by using parallelism, both local, in the form of multicore exploitation, as well as distributed, in the form of multidevice exploration. We explored this through a parallel library for the Lua programming language, called Luaproc. We propose an extension to this library and its communication model, to include this multidevice scenario and combine the facilities of a message queuing service with the existing facilities for multicore programming. We then present some applications to show different use cases with distribution and their performance.

[pt] O objetivo deste trabalho é explorar e estender a exibilidade provida pelo modelo híbrido de concorrência orientado a estágios, que visa integrar tanto loops de eventos cooperativos como threads preemptivas em um conceito único de mais alto nível. As contribuições deste trabalho estão centradas numa proposta de extensão do modelo de estágios que desacopla a especificação de aplicações concorrentes das decisões relacionadas ao ambiente de execução, permitindo que elas sejam fexivelmente mapeadas em diferentes configurações de acordo com as necessidades de escalonamento de tarefas e granularidade de processamento em partes específicas da aplicação. Procurando prover uma definição adequada para o conceito de modelos de concorrê- ncia híbridos, propomos um sistema de classificação que se baseia na combinação de características básicas de sistemas concorrentes e a possibilidade de execução paralela em múltiplos processadores. Com base nessa classificação, analisamos os benefícios e desvantagens associados a cada modelo de concorrência, justificando a adoção de modelos que combinam threads e eventos em um mesmo ambiente de programação, e descrevemos a extensão do paradigma de programação orientado a estágios. Finalmente, apresentamos a implementação do modelo proposto na linguagem Lua e seu uso em cenários de execução que confirmam os benefícios da extensão do modelo de estágios na especificação de aplicações concorrentes. / [en] The purpose of this work is to explore and extend the flexibility provided by the staged event-driven concurrency model to integrate both cooperative event loops and preemptive threads in a single high level abstraction. The contributions of this work are focused on the extension of the staged model that decouples the specification of concurrent applications of the decisions related to the execution environment, allowing them to be fl exibly mapped to different configurations according to the task scheduling needs and processing granularity in specific parts of the application. In order to provide an adequate definition of the concept of hybrid concurrency models, we propose a classification system that is based on the combination of basic features of concurrent systems and the possibility of parallel execution on multiple processors. Based on this classification, we analyze the benefits and drawbacks associated with each concurrency model, justifying the adoption of models that combine threads and events in the same programming environment and the extension of the staged model. Finally, we present the implementation of the proposed model in the Lua programming language and its use in execution scenarios that confirm the benefits of the extension of the staged model in the specification of concurrent applications.

[pt] Apesar da pesquisa contínua para facilitar a programação de redes de sensores sem fio, a análise de perigos de concorrência ainda é de responsabilidade do programador, que deve tratar manualmente de questões como sincronização e memória compartilhada. Nós apresentamos uma linguagem de sistema que garante concorrência segura tratando ameaças em tempo de compilação. A fundamentação estática e síncrona da nossa abordagem permite um raciocínio mais simples sobre questões de concorrência, permitindo uma análise em tempo de compilação que garante programas determinísticos. Como contra-partida, nosso modelo impõe em termos da expressividade da linguagem, tais como para efetuar cálculos demorados, ou atender prazos estritos em tempo real. Nós implementamos diversos protocolos de rede conhecidos e o driver para rádio CC2420 para mostrar que a expressividade e responsividade obtida com a linguagem é suficiente para uma gama considerável de aplicações para redes de sensores. As implementações mostram uma redução de tamanho de código, com um aumento de memória abaixo de 10 porcento em comparação com nesC. O uso da linguagem proposta implica em diversas propriedades de segurança que se baseiam em abstrações de controle de alto nível, também resultando em código mais conciso e legível. / [en] Despite the continous research to facilitate Wireless Sensor Networks development, most safety analysis and mitigation efforts in concurrency are still left to developers, who must manage synchronization and shared memory explicitly. We propose a system language that ensures safe concurrency by handling threats at compile time, rather than at runtime. The synchronous and static foundation of our design allows for a simple reasoning about concurrency that enables compile-time analysis resulting in deterministic and memory-safe programs. As a trade-off, our design imposes limitations on the language expressiveness, such as doing computationally-intensive operations and meeting hard real-time responsiveness. To show that the achieved expressiveness and responsiveness is sufficient for a wide rage of WSN applications, we implement widespread network protocols and the CC2420 radio driver. The implemetations show a reduction in source code size, with a penalty of memory increase below 10 percent in comparison to nesC. Overall, we ensure safety properties for programs relying on high-level control abstractions that also lead to concise and readable code.

[pt] A maioria das linguagens de programação modernas fornece ferramentas para programação concorrente sem restringir seu uso. Assim, fica a cargo do programador evitar a ocorrência de condições de corrida. Nessa dissertação, revisitamos o modelo de monitores, projetados para prevenir condições de corrida ao limitar o acesso à variáveis compartilhadas, e mostramos que monitores podem ser implementados em linguagens de programação com semântica referencial, dadas as regras de tipagem apropriadas. Nós descrevemos a linguagem de programação Aria, projetada com monitores nativos seguindo a proposta original do modelo. Através da resolução de problemas clássicos de concorrência, nós avaliamos o uso de monitores em Aria para sincronização em diferentes níveis de granularidade, e extendemos a linguagem com novos recursos a fim de contemplar as limitações do modelo envolvendo desempenho e expressividade. / [en] Most current programming languages do not restrict the use of the concurrency primitives they provide, leaving it to the programmer to detect data races. In this dissertation, we revisit the monitor model, which guards against data races by guaranteeing that accesses to shared variables occur only inside monitors, and show that this concept can be implemented in a programming language with referential semantics, given appropriate typing rules. We describe the Aria programming language, designed with native monitors according to these rules. Through the discussion of classic concurrency problems, we evaluate the use of Aria monitors for synchronization at different levels of granularity and extend the language with new features to address the limitations of monitors regarding performance and expressiveness.