Processi sequenziali e processi paralleli sono due approcci fondamentali all’esecuzione di compiti e programmi in informatica. Essi si differenziano principalmente per il modo in cui le istruzioni vengono eseguite e le risorse del sistema vengono utilizzate. L’elemento software che gestisce l’esecuzione dei processi nella loro complessità è il sistema operativo.
1. Processi Sequenziali
I processi sequenziali (o processi seriali) eseguono le istruzioni in un ordine lineare, una dopo l’altra. In altre parole, una singola attività deve essere completata prima che la successiva possa iniziare. Questo tipo di esecuzione è tipico dei sistemi che utilizzano un singolo core del processore.
Caratteristiche dei Processi Sequenziali
- Esecuzione Lineare: Le istruzioni vengono eseguite in un ordine specifico, senza sovrapposizione.
- Semplicità : La programmazione sequenziale è spesso più semplice, poiché non è necessario gestire la sincronizzazione tra più compiti.
- Deterministico: L’ordine di esecuzione è fisso e prevedibile, rendendo il debug più semplice.
- Minor Utilizzo di Risorse Concorrenziali: Poiché viene utilizzato un solo thread o processo, non c’è concorrenza per le risorse di sistema come la CPU o la memoria.
- Limitazioni di Prestazioni: L’esecuzione sequenziale può essere lenta per compiti che possono essere suddivisi in parti indipendenti, poiché utilizza solo una parte delle risorse del sistema alla volta.
Esempi di Processi Sequenziali
- Semplici Applicazioni Monothread: Come un editor di testo, dove ogni operazione (scrittura, salvataggio, ecc.) viene eseguita in sequenza.
- Algoritmi Lineari: Come l’ordinamento a bolle o la ricerca lineare, dove gli elementi vengono processati uno dopo l’altro.
- Script di Shell: Dove ogni comando viene eseguito in ordine uno dopo l’altro.
2. Processi Paralleli
I processi paralleli eseguono più compiti contemporaneamente, utilizzando risorse multiple del sistema (come più core della CPU) per migliorare l’efficienza e le prestazioni. In un processo parallelo, diverse parti di un programma possono essere eseguite simultaneamente, a condizione che siano indipendenti o che possano essere suddivise in compiti più piccoli. E’ compito del sistema operativo dover gestire le richieste di tutti i processi che devono essere elaborati dal processore (o CPU).
Caratteristiche dei Processi Paralleli
- Esecuzione Concorrenziale: I processi o thread multipli lavorano simultaneamente su diversi core di una CPU o su diverse CPU.
- Prestazioni Migliorate: Aumenta la velocità di esecuzione dei compiti che possono essere suddivisi in sottocompiti indipendenti.
- Complessità Aggiuntiva: La programmazione parallela richiede gestione della sincronizzazione e della comunicazione tra processi, poiché i dati condivisi devono essere protetti da accessi concorrenti (utilizzando meccanismi come i lock o i semafori).
- Utilizzo Efficiente delle Risorse: Può massimizzare l’uso delle risorse hardware disponibili, come CPU, memoria e I/O.
- Non Deterministico: L’ordine di esecuzione può variare a causa delle operazioni simultanee, il che rende il debug più complesso.
Esempi di Processi Paralleli
- Elaborazione in Batch su Cluster di Calcolo: Esecuzione parallela di grandi dataset distribuiti su più server.
- Algoritmi Paralleli: Come l’ordinamento parallelo o la moltiplicazione parallela di matrici, dove le operazioni su diverse parti dei dati possono avvenire simultaneamente.
- Applicazioni Multi-threaded: Come un server web, dove ogni richiesta cliente viene gestita da un thread separato.
- Computazione GPU (Graphic Processing Unit): Utilizzo di migliaia di core di una GPU per elaborare in parallelo grandi quantità di dati, tipicamente utilizzato per il rendering grafico, l’apprendimento automatico, e la simulazione scientifica.
3. Vantaggi e Svantaggi
Vantaggi dei Processi Sequenziali
- Facilità di Debug: Più semplice da tracciare e correggere errori, poiché il flusso è prevedibile.
- Minor Overhead: Meno overhead rispetto alla gestione di thread multipli o alla sincronizzazione tra processi.
- Adatto a Compiti Semplici: Ideale per attività semplici o quando non c’è bisogno di eseguire operazioni simultanee.
Svantaggi dei Processi Sequenziali
- Performance Limitata: Sfrutta solo una parte delle risorse di sistema (come un singolo core della CPU).
- Non Scalabile: Poco efficace per applicazioni intensive in termini di calcolo o per grandi quantità di dati.
Vantaggi dei Processi Paralleli
- Maggiore Efficienza e Prestazioni: Aumenta la velocità di esecuzione per compiti grandi e complessi.
- Scalabilità : Può sfruttare al massimo l’hardware disponibile, specialmente nei sistemi multi-core o in cluster di calcolo.
- Adatto per Applicazioni Intensive: Ideale per applicazioni che richiedono elaborazione intensiva, come simulazioni scientifiche, rendering grafico, apprendimento automatico, ecc.
Svantaggi dei Processi Paralleli
- Complessità Maggiore: Richiede gestione accurata della sincronizzazione e della comunicazione tra thread o processi.
- Possibili Problemi di Concorrenza: Richiede attenzione a problemi di concorrenza come deadlock, race conditions, e stallo.
- Overhead di Gestione: La creazione, il coordinamento e la sincronizzazione dei thread o dei processi può introdurre un overhead significativo.
4. Differenza tra Concorrenza e Parallelismo
- Concorrenza: Si riferisce alla capacità di gestire più compiti apparentemente simultanei, ma in realtà si tratta di gestire più compiti in maniera interleaved su un singolo core (come nel multitasking cooperativo).
- Parallelismo: Implica l’esecuzione simultanea di più compiti su più core o processori. Per l’esecuzione ottimale della tecnica del parallelismo diventa fondamentale la gestione corretta, da parte del sistema operativo, della cosiddetta concorrenza dei processi.
5. Uso Combinato di Processi Sequenziali e Paralleli
Molte applicazioni moderne utilizzano un mix di processi sequenziali e paralleli per massimizzare le prestazioni. Ad esempio, un algoritmo potrebbe avere fasi di calcolo sequenziale e fasi che possono essere eseguite in parallelo per ottimizzare l’efficienza. Inoltre, molti sistemi operativi utilizzano concetti di multitasking per simulare la concorrenza in un ambiente multiutente, combinando così sia esecuzioni sequenziali che parallele.
Conclusione
Scegliere tra processi sequenziali e paralleli dipende dal tipo di applicazione, dalla natura del problema da risolvere e dalle risorse hardware disponibili. L’esecuzione parallela è ideale per migliorare le prestazioni quando sono disponibili risorse multiple, mentre l’esecuzione sequenziale è più semplice da implementare e debug, ed è adatta per compiti meno complessi.
