Los ordenadores cada día son más potentes. Y una de las formas de poder ejecutar Tareas de forma más rápida, es simultanearlas. Por un lado, es lógico que si una tarea está esperando un dato (ese dato puede venir del disco, del usuario por medio del teclado o el ratón, o descargándoselo de Internet), es normal que el ordenador decida ejecutar otras cosas para no perder el tiempo. Y de hecho se ha aprovechado esto para tener varios programas en ejecución, constantemente dando y quitando el acceso al procesador. Aunque, con la evolución en el mundo del hardware, ahora es común tener ordenadores que comprenden varios núcleos de procesador y son capaces de disponer de varios hilos de ejecución simultáneos. Lo que quiere decir, que pueden hacer realmente varias cosas a la vez, por lo que tiene más sentido incluso ejecutar tareas en paralelo.

Ejecución concurrente en la shell

Normalmente, si queremos ejecutar varias tareas al mismo tiempo, o concurrentes desde una terminal Unix. Basta con ejecutar un programa de la siguiente manera:

Con un ampersand (&) al final. De esta forma, el terminal nos devolverá el control a nosotros como usuarios, permitiéndonos ejecutar otras cosas mientras la tarea que le hemos pedido que ejecute lo hace de fondo (en background). Es conveniente que la tarea no escriba muchas cosas en pantalla, porque si no va a ser un jaleo.
También podemos ejecutarla de forma normal, y en mitad de la ejecución pulsar Control+Z (Representado por ^Z). Control+Z enviará una señal SIGSTOP al programa en cuestión, por lo que la ejecución se detendrá, permitiéndonos ahora ejecutar otras cosas, y luego continuar la tarea anterior tanto en el frente (foreground), escribiendo fg o, de fondo (como hacíamos antes, en background), escribiendo bg.

Generalmente, si tenemos un ordenador con varios núcleos y capaz de ejecutar varias tareas al mismo tiempo. El núcleo del sistema operativo se encargará de repartir estas tareas entre los núcleos disponibles para que la ejecución global sea más rápida. Si tenemos 2 tareas que se ejecutan en un solo hilo y nuestro ordenador puede ejecutar dos hilos de forma simultánea, ¡vamos a ejecutar los dos al mismo tiempo y terminarán antes!
Concretamente, si tenemos dos programas:

• pi : Calcula el número PI con 4000 decimales, y tarda 10 segundos.
• color : Corrige el color de una imagen jpg enorme, y tarda 14 segundos.

Si ejecutamos los dos programas de forma secuencial (primero uno y luego otro), tardaremos 24 segundos en realizar las dos tareas. Pero si las ejecutamos a la vez, como nuestro procesador tiene dos núcleos y no está haciendo nada más, tardaremos en completar las dos tareas 14 segundos (lo que tarda la más lenta de las dos).

Cuando se nos queda corto…

Cuando hablamos de paralelizar tareas, Podemos hacerlo en casi cualquier lenguaje o entorno. Es más, justo con la información de antes podemos aprovechar para lanzar varias tareas. Incluso con algo de programación, establecer algún que otro bloqueo para guardar el orden de las ejecuciones. O incluso para poder ejecutar las tareas de dos en dos, o de tres en tres… aunque tratándose de Bash puede ser un poco duro programar ciertas cosas, sobre todo cuando tenemos prisa.

GNU Parallel nos permite ejecutar tareas de forma simultánea, agrupar tareas, ordenar la salida, e incluso nos evita tener que pelearnos con aquellos conceptos de concurrencia que a más de uno nos han traído de cabeza. Como extras, nos permite jugar con los Argumentos de entrada de los programas de forma muy divertida a la par que útil.

Instalación

GNU Parallel suele venir en los repositorios de las distribuciones de GNU/Linux más populares, así que podemos hacer:

En caso de Debian/Ubuntu y derivados
Si estamos en Fedora.
El programa no tiene muchas dependencias y es totalmente multiplataforma, ya que está escrito en Perl. Podremos ejecutarlo en nuestro ordenador, un servidor, un móvil, una Raspberry PI o cualquier cacharro que corra GNU/Linux.

Es importante saber la versión que tenemos instalada. Podemos averiguarlo con:

Aunque casi todos los ejemplos del post corren con versiones anteriores, para algunas cosas necesitaremos como mínimo la versión 20161222. Si tu distribución no la tiene por defecto, siempre podemos descargarlo de la página oficial.

Calcular el número PI

Un programa que suelo utilizar para este tipo de ejemplos es el cálculo del número Pi. Sobre todo porque es una tarea que tarda un rato y utiliza intensamente el procesador. Sólo necesitamos tener bc instalado. El script es muy sencillo y lo he llamado pi:

Ahora debemos dar permiso de ejecución a dicho archivo:

Y podemos hacer una prueba sin concurrencia ni nada para ver lo que tarda en ejecutarse en nuestro ordenador:

Si quieres seguir esta guía y ves que la ejecución de pi tarda mucho, puedes bajar el número de dígitos (donde pone scale=4000, puedes bajar el número). El objetivo es no eternizarnos, pero darnos cuenta de cómo se está ejecutando todo.

Varias ejecuciones de un programa

GNU Parallel está diseñado para pasar argumentos de forma variable a cada una de las instancias que ejecutemos del programa. Siempre tendremos que pasar argumentos al programa a ejecutar aunque, en este caso, solo queremos ejecutar varias veces pi, sin argumentos. Una forma fácil es generar una secuencia de números del 1 al total de veces que queremos ejecutar el programa, lo podemos hacer con seq (por ejemplo con 10):

Una vez que tenemos esta entrada, se la podemos pasar a GNU Parallel. En este caso, le diremos que a pi no le pase argumentos (-n0):

Esta ejecución tardará un tiempo. Eso sí, mientras se ejecuta, estaría bien que investigáramos un poco qué está haciendo el programa. En mi ordenador, puedo ejecutar hasta 8 hilos de forma simultánea. Eso quiere decir que, como pi es una tarea que tira mucho de CPU, ejecutar las 10 instancias del programa al mismo tiempo no haría que la ejecución global fuera más rápido que una ejecución secuencial puesto que dos procesos se pelearían por utilizar la CPU y el sistema operativo tendría que dar y quitar el paso a CPU de los procesos. La situación se agravaría si en lugar de 10 ejecuciones hiciéramos 100 o más, incluso podríamos tener otros problemas si intentamos ejecutar una tarea muy complicada demasiadas veces al mismo tiempo.

Podemos ver qué está haciendo la CPU en cada momento ejecutando top, un gestor de tareas o un monitor de CPU.

Lo que quiero que observemos es el número de procesos que estamos utilizando en cada momento. En este caso, la ejecución se hará de 8 en 8 porque GNU Parallel ha detectado que mi sistema puede correr 8 hilos simultáneamente. Podemos comprobarlo si mientras ejecutamos el comando anterior, en otro terminal ejecutamos:

Veremos ese 8 todo el tiempo. Ya que parallel controla ese número de ejecuciones.

Alternativamente, podemos especificar nosotros cuántas ejecuciones simultáneas tendrá el programa con el argumento -j. De la siguiente manera:

En este caso, ejecutaremos las tareas de 2 en 2. Podemos especificar el número de tareas simultáneas que necesitemos. Incluso puede exceder el número de núcleos o hilos disponibles en nuestro sistema. El objetivo es que da igual lo que dure la ejecución de pi, mantendremos el número de ejecuciones que le digamos a parallel hasta que ya no haya más instancias por lanzar.

Cambiando los argumentos de entrada

La gracia de ejecutar tareas en paralelo es que podamos variar los argumentos de entrada de dicho programa. Es más, un programa podrá tener argumentos fijos y argumentos variables. Esto lo podemos poner en práctica ejecutando echo de forma concurrente con diferentes parámetros. Vale, ejecutar echo no es ninguna tarea intensiva, pero nos vale para ver cómo se están produciendo las ejecuciones y algunas cosas curiosas más.

Argumentos desde teclado (entrada estándar)

Una forma muy sencilla de pasar argumentos de entrada a parallel es de forma interactiva, escribiéndolos por teclado y pulsando Control+D al finalizar:

Argumentos desde pipe

Estos argumentos podemos pasarlos desde una pipe o desde un archivo, pero tiene que haber uno por línea. Podemos introducir las provincias en un archivo o hacer lo siguiente (con tr estamos convirtiendo los espacios en retornos de carro), además, estamos introduciendo un argumento fijo “Saludos desde”:

Argumentos desde pipe en orden

Pero claro, no todos los programas aceptan los argumentos en el mismo lugar, imaginemos que queremos decir algo más tras el nombre de la provincia andaluza, para ello tendremos que introducir alguna cosa más:

Varios argumentos variables por ejecución

Ahora, vamos a crear un archivo, en el que introduciremos un número (el número de letras que tiene la provincia) y la provincia, de forma alternativa en cada línea. Lo llamaremos andalucia.txt:

Con este archivo podríamos hacer lo siguiente:

Con -n2 estamos indicando que echo llevará dos argumentos, por lo que cada ejecución de echo tomará dos líneas del fichero como argumentos. Con {1} y {2} indicamos el número de parámetro que estamos colocando. También podríamos hacer lo siguiente:

Argumentos de parallel como argumentos del programa

Otra forma de incluir argumentos variables es la siguiente:

Argumentos y combinaciones

Cuando tenemos que lanzar muchas tareas, a veces es útil que los argumentos hagan combinaciones de parámetros. De esta manera no tendremos que generar un fichero que reúna las combinaciones y luego pasárselo a Parallel. Por ejemplo, si queremos hacer una operación lógica AND, podemos hacer lo siguiente:

O, mucho más sencillo, si queremos todas las combinaciones que podemos hacer con 3 bits, podemos hacer lo siguiente:

Un paso más, ahora queremos averiguar con bc su valor en decimal:

Datos desde un fichero separado por columnas

Podemos utilizar un archivo cuyo contenido pueda ser determinado por columnas, como un CSV (Comma Separated Values) o TSV (Tab Separated Values). Podríamos coger el archivo de provincias y hacer lo siguiente (andalucia2.csv):

En este caso descartaremos el primer valor. No tenemos por qué utilizarlo si no queremos.

El orden de ejecución

Como se lanzan varios procesos a la vez y no todos tienen por qué tardar lo mismo. El orden en el que vemos los resultados puede variar. Lo podemos comprobar de la siguiente forma:

De esta forma hemos ejecutado 4 procesos que generarán esperas de 4, 8, 2 y 6 segundos, eso sí, la salida se irá generando por el orden en el que los procesos lleguen al echo. Aunque el orden de salida no es el orden de los argumentos que le hemos pasado. Es más, si queremos, podemos hacerlo más enrevesado:

En este caso ejecutamos dos hilos de forma simultánea, por lo que se lanzan los procesos que tardan 4 y 8 segundos a la vez. El de 4 segundos termina, y se lanza el de 2 (ahora están trabajando el proceso que tarda 8 (que va por su cuarto segundo) y el que tarda 2. Lógicamente acaba primero el que tarda 2 segundos y se lanza el de 6, pero al de 8 le quedan 2 segundos, por lo que acaba antes que el de 6.
El caso es que puedo forzar a parallel para que muestre la salida en el mismo orden en el que le paso los argumentos de entrada con el argumento -k:

Da igual qué hilos esté lanzando y cómo termine, la salida generada me la mostrará parallel en el orden que yo le he dicho, lo cual es útil para nuestros scripts si necesitamos controlar la salida generada.

Ejecutando funciones de Bash

Como hemos visto parallel nos permite ejecutar echo, palabra reservada de Bash, pero también es posible crear nuestras propias funciones y ejecutarlas. De esta forma, no solo podemos ejecutar un programa, podremos crear funciones y ejecutarlas también. Solo tenemos que exportarlas:

Con este ejemplo sacaremos muchas distancias entre ciudades con la ayuda de la API de mapas de Google. Es un ejemplo donde podemos ver que cada petición tarda un tiempo diferente, los resultados salen en orden de llegada.

Reemplazos de argumentos

Parallel permite no solo pasar los argumentos a los programas que ejecuta tal cual, sino que podemos hacer alguna operación de reemplazo por si no queremos el parámetro tal cual nos lo pasan. Algunos parámetros comunes pueden ser nombres de archivo (a los que podremos quitarle rutas o extensiones), cadenas de caracteres (que podremos recortar), o incluso extraer información de las tareas. Incluso podremos cambiar las cadenas si nos resulta incómodo utilizar estos caracteres en nuestros scripts. Esto podría ser muy extenso, así que voy a extraer algunos ejemplos rápidos:

Convertir imágenes de JPG a PNG

Con esta orden podremos buscar todas las imágenes jpg que hay en el directorio actual y convertirlas a png. Eso sí, utilizando toda la potencia de nuestro ordenador, iniciando tantos procesos convert simultáneos como núcleos tenga nuestra CPU. Podemos ver que {} muestra el argumento tal cual, pero {/.} extrae la ruta y la extensión. Si queremos investigar, {/} solo extrae la ruta y {.} solo extrae la extensión. En este caso guardamos las imágenes convertidas en el directorio convertidas.

Slots y tareas

Podemos saber qué número de tarea estamos ejecutando en cada momento. Es muy útil si por ejemplo cada tarea tiene que repartirse un tamaño muy grande y estas deben saber qué trozo de tarea les corresponde. Pensad en una imagen, divididla en cuadros numerados secuencialmente y cada tarea que lancemos debe atacar a uno de los cuadros. En este caso cada una de las tareas debe saber a qué cuadro tienen que ir. Por otro lado, los slots son grupos, como si fueran “cajas” en las que se ejecutan las tareas. Es decir, si vamos a ejecutar 3 tareas simultáneamente, tendremos 3 cajas y una tarea en ejecución ocupará una caja. De tal forma que nunca tendremos dos trabajos corriendo al mismo tiempo en el mismo slot. Podemos ver cómo funciona esto de los slots así:

Reemplazo con funciones

Parallel también soporta funciones (casi todas las funciones están disponibles a partir de la versión 20161222. Por ejemplo podemos decirle a una tarea el número total de tareas que vamos a ejecutar. Aunque {= ‘$_=total_jobs($_)’ =} podemos sustituirlo por {##}:

Aunque algo muy útil es la implementación de condiciones dentro de la propia ejecución, de la siguiente manera:

Con esto le decimos que la salida se produzca por /dev/tty si el número de la tarea (job->seq()) es par (si su división por dos da resto cero), y si no, mandamos la salida a /dev/null.

Hay muchos más reemplazos

Progreso

Como siempre, el usuario se desespera, y muchas veces necesita que le demos algo de información para que no se desespere. Una buena idea es mostrar un progreso para que sepa por dónde va la ejecución. Como parallel está pensado para ejecutar muchas tareas, puede medir el progreso mirando todas aquellas tareas que han finalizado y midiendo tiempos. Podemos utilizar el mismo ejemplo de antes para convertir fotos de la siguiente manera:

O también podemos utilizar –bar. O incluso mejor, pasarle la salida del progreso a un programa como zenity, para ver la salida de forma bonita:

También podemos utilizar –eta para que nos indique el tiempo estimado de finalización de la tarea.

Muchas más opciones

Las utilidades de este programa no han terminado. El propio parallel nos permite ejecutar tareas simultáneas en servidores desde nuestra máquina cliente. Además, junto con GNU Parallel encontramos utilidades para acceso a base de datos y para la realización de operaciones. Es un programa muy flexible que nos permite realizar multitud de operaciones muy útiles y muy interesantes.

Sobre GNU Parallel

El autor nos pide que le citemmos si utilizamos este programa para una publicación. Sólo hay que mencionar al autor, además, en el enlace encontramos un manual muy completo y actualizado:

• O. Tange (2018): GNU Parallel 2018, March 2018, https://doi.org/10.5281/zenodo.1146014

Encontramos otras formas de mención muy útiles si estamos escribiendo en LaTeX:

Foto principal: Jonathan Pendleton

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