Programación funcional: Enfrenta a la concurrencia

Submitted by gwolf on Wed, 03/14/2012 - 19:06
TitleProgramación funcional: Enfrenta a la concurrencia
Publication TypeMagazine Article
Year of Publication2012
AuthorsWolf G
Refereed DesignationNon-Refereed
MagazineSoftware Gurú
Issue Number35
Pagination48-49
Date Published01/2012
Type of ArticleColumn
ISSN1870-0888
URLhttp://sg.com.mx/buzz/programar-es-un-estilo-vida
Full Text

El tema eje de el presente número de Software Gurú es el manejo de datos a muy gran escala (y disculparán que no use la frase más de moda en la industria, Big Data, habiendo otras igual de descriptivas en nuestro idioma). Al hablar de muy gran escala tenemos que entender que pueden ser juegos de datos mucho mayores de lo que acostumbramos — Estamos hablando de un aumento de por lo tres a seis órdenes de magnitud en la escala de los datos a analizar: Según las definiciones más comunes hoy en día, en el rango entre decenas de terabytes y petabytes.
Dar un salto tan grande nos presenta retos en muy diversas esferas. Para muchas de las necesidades que enfrentamos, tenemos que adecuar nuestros procesos de desarrollo, las herramientas que empleamos, el modelo con el cual almacenamos, solicitamos y procesamos la información, e incluso el hardware mismo. Enfocaré este texto a un paradigma de programación que permite enfrentar a la concurrencia de una forma más natural y menos traumática de lo que acostumbramos.
Una de las razones por las que este tema ha armado tanto alboroto en el campo del desarrollo de software es que, si bien la capacidad de cómputo a nuestro alcance ha crecido de forma francamente bestial desde casi cualquier métrica en el tiempo que nos ha tocado vivir como profesionales, nuestra formación sigue estando basada en un modelo de desarrollo muy difícil de escalar. Vamos, el problema no lo tienen las computadoras, sino nosotros los programadores: No sólo tenemos que explicar a la computadora lo que requerimos que haga, sino que además de ello tenemos que cuidar que no se tropiece –cual si fuera un ciempiés– con su propia marcha. Siempre que hablemos de muy gran escala debemos hablar, sí o sí, de un alto grado de paralelismo en nuestras aplicaciones. Y por muchos años, el paralelismo fue precisamente algo de lo que buena parte de los programadores buscaban escapar, por las complicaciones que conlleva ante una programación imperativa, necesariamente secuencial.
Las alarmas comenzaron a sonar fuertemente hacia el año 2005, en que los fabricantes de hardware tuvieron que cambiar su estrategia (y lograron, sorprendentemente, inyectarle algunos años más de vida a la ley de Moore, la cual indica que el número de transistores que componen a un chip se duplica aproximadamente cada dos años, ritmo que se ha mantenido por 40 años ya): Al migrar el desarrollo de procesadores una estrategia de multiprocesamiento (CPUs múltiples empaquetados como una sóla unidad), dejando de lado la carrera de los megahertz, aventaron la papa caliente hacia el lado de los desarrolladores: Tendríamos que adecuarnos a una realidad de concurrencia verdadera y ya no simulada.
Los sistemas multiprocesador no son, claro está, tan recientes. El gran cambio es que ahora prácticamente todas las computadoras de rango medio (incluso ya algunos teléfonos celulares) tienen esta tecnología disponible. Claro está, todo el software de infraestructura, desde los sistemas operativos, compiladores y bibliotecas tuvieron que irse adecuando gradualmente para poder administrar y ofrecer al usuario estos recursos.
Por muchos años, vivimos sabiéndolo en un mundo de falsa concurrencia: Una computadora sólo podía hacer una cosa a la vez, dado que contaba con un sólo procesador. Por la velocidad de su operación, y por el empeño que se puso en que los cambios de contexto fueran tan ágiles como fuese posible, nos daba la impresión de que varias cosas ocurrían al mismo tiempo. Esto, claro, no debe sorprender a ninguno de ustedes — El gran reto introducido por el paralelismo real es manejar correctamente escenarios mucho más complejos de condiciones de carrera que antes no se presentaban tan fácilmente. Antes del paralelismo, podíamos indicar al sistema operativo que nuestro programa estaba por entrar a una sección crítica, con lo cual éste podía decidir retirar el control a nuestro programa para entregarlo a otro si estaba cercano a finalizar su tiempo, o darle una prórroga hasta que saliera de dicha sección.
Cuando hay más de un procesador (un CPU multicore o multinúcleo alberga a varios procesadores, en ocasiones compartiendo elementos como uno de los niveles de memoria cache), la situación se complica: El sistema operativo puede, sí, mantener en ejecución a uno de los programas para reducir la probabilidad de conflictos, pero se hizo indispensable hacer la colaboración entre procesos algo explícito.
Claro, esto no fue un desarrollo repentino ni algo fundamentalmente novedoso. Los mutexes nos han acompañado por muy largos años, y la programación multihilos nos ha regalado dolores de cabeza desde hace muchos años. Sin embargo, en sistemas uniprocesador, la incidencia de condiciones de carrera era suficientemente baja como para que muchos las ignoraran.
Una de las razones por las que la concurrencia nos provoca esos dolores de cabeza es porque nos hemos acostumbrada a enfrentarnos a ella con las herramientas equivocadas. Un tornillo puede clavarse a martillazos, y no dudo que haya quien use destornilladores para meter clavos, pero tendremos mucho mayor éxito (y un tiempo de entrega mucho más aceptable) si usamos la herramienta correcta.
Los lenguajes basados en programación funcional resuelven en buena medida los problemas relacionados con la concurrencia, y pueden de manera natural desplegarse en un entorno masivamente paralelo. Sin embargo, requieren un cambio más profundo en la manera de pensar que, por ejemplo, cuando adoptamos la adopción de la programación orientada a objetos.
¿Cuál es la diferencia? Aprendimos a programar de forma imperativa, con el símil de la lista de instrucciones para una receta de cocina — Los lenguajes puramente funcionales son mucho más parecidos a una definición matemática, en que no hay una secuencia clara de resolución, sino que una definición de cómo se ve el problema una vez resuelto, y los datos se encargan de ir marcando el camino de ejecución. Los lenguajes puramente funcionales tienen una larga historia (Lisp fue creado en 1958), pero en la industria nunca han tenido la adopción de los lenguajes imperativos. Hay una tendencia en los últimos 20 años, sin embargo, de incorporar muchas de sus características en lenguajes mayormente imperativos.
La principal característica que diferencía a los lenguajes funcionales que nos hacen pensar en definiciones matemáticas es que la llamada a una función no tiene efectos secundarios — ¿Han depurado alguna vez código multihilos para darse cuenta que el problema venía de una variable que no había sido declarada como exclusiva? Con la programación funcional, este problema simplemente no se presentaría. Esto lleva a que podamos definir (en AliceML) el cálculo de la serie de Fibonacci como:

      fun fib 0 = 0
        | fib 1 = 1
        | fib n  if (n > 1) = spawn fib(n-1) + fib(n-2);
        | fib _ = raise Domain
    

A diferencia de una definición imperativa, la función es definida dependiendo de la entrada recibida, y la última línea nos muestra el comportamiento en caso de no estar contemplado por ninguna de las condiciones. Y el puro hecho de indicar la palabra «spawn» indica al intérprete que realice este cálculo en un hilo independiente (que podría ser enviado a otro procesador, o incluso a otro nodo, para su cálculo).
Otra de las propiedades de estos lenguajes, las funciones de órden superior (funciones que toman como argumentos a otras funciones). Por ejemplo, en Haskell:

      squareList = map (^2) list
    

Al darle una lista de números a la función squareList, nos entrega otra lista, con el cuadrado de cada uno de los elementos de la lista original. Y, obviamente, esto se puede generalizar a cualquier transformación que se aplicar iterativamente a cada uno de los elementos de la lista.
Hay varios tipos de funciones de órden superior, pero en líneas generales, pueden generalizarse al mapeo (repetir la misma función sobre los elementos de una lista, entregando otra lista como resultado) y la reducción (obtener un resultado único por aplicar la función en cuestión a todos los elementos de la lista). Y es, de hecho, basándose en juegos de mapeo/reducción que se ejecutan la mayor parte de las tareas intensivas en datos en Google.
Podemos encontrar frecuentemente otros dos patrones en estos lenguajes, aunque por simplicidad no los incluyo en estos ejemplos: Por un lado, al no tener efectos secundarios, tenemos la garantía de que toda llamada a una función con los mismos argumentos tendrá los mismos resultados, por lo que un cálculo ya realizado no tiene que recalcularse, y podemos guardar los resultados de las funciones (especialmente en casos altamente recursivos, como éste). En segundo, la evaluación postergada: Podemos indicar al intérprete que guarde un apuntador a un resultado, pero que no lo calcule hasta que éste sea requerido para una operación inmediata (por ejemplo, para desplegar un resultado, o para asignarlo a un cálculo no postergable).
Una de las grandes desventajas que enfrentó la programación funcional es que los lenguajes funcionales puros crecieron dentro de la burbuja académica, resultando imprácticos para su aplicación en la industria del desarrollo. Esto ha cambiado fuertemente. Hoy en día podemos ver lenguajes que gozan de gran popularidad y han adoptado muchas construcciones derivadas de la programación funcional, como Python, Ruby o Perl. Hay lenguajes funcionales que operan sobre las máquinas virtuales de Java (Clojure) y .NET (F#). Por otro lado, lenguajes como Erlang, OCaml y Scheme se mantienen más claramente adheridos a los principios funcionales, pero con bibliotecas estándar y construcciones más completas para el desarrollo de aplicaciones.
El manejo de cantidades masivas de datos están llevando a un pico de interés en la programación funcional. No dejen pasar a esta interesante manera de ver al mundo - Puede costar algo de trabajo ajustar nuestra mente para pensar en términos de este paradigma, pero los resultados seguramente valdrán la pena.

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