Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Đồng bộ và giải quyết tranh chấp (Process Synchronization) - Thoại Nam
Chöông 3
Ñoàng boä vaø giaûi quyeát
tranh chaáp
(Process Synchronization)
-1-
Noäi dung
Khaùi nieäm cô baûn
Baøi toaùn “Critical-Section”
Caùc giaûi phaùp phaàn meàm
– Peterson, Bakery
Ñoàng boä baèng hardware
Semaphore
Caùc baøi toaùn ñoàng boä
Critical Region
Monitor
-2-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
1
Khaùi nieäm cô baûn
Caùc process/thread thöïc thi ñoàng thôøi chia seû code, chia
seû döõ lieäu (qua shared memory, file).
Neáu khoâng coù söï ñieàu khieån khi truy caäp caùc döõ lieäu chia
seû thì coù theå xaûy ra tröôøng hôïp khoâng nhaát quaùn döõ lieäu
(data inconsistent).
Ñeå duy trì söï nhaát quaùn döõ lieäu, heä thoáng caàn coù cô cheá
baûo ñaûm söï thöïc thi coù thöù töï cuûa caùc process ñoàng thôøi.
Ví duï Bounded-Buffer (ch.4) theâm bieán ñeám count
#define BUFFER_SIZE 10
# typedef struct {
… } item;
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0, count = 0;
-3-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Bounded Buffer (t.t)
Producer
item nextProduced;
while (1){
while ( count == BUFFER_SIZE ); /* do nothing */
buffer[in] = nextProduced;
count++;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}
C
item nextConsumed;
while (1){
while ( count == 0 ); /* do nothing */
buffer[in] = nextConsumed;
count--;
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
}
-4-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
2
Race Condition
Caùc leänh taêng, giaûm bieán
töông ñöông trong ngoân ngöõ
maùy laø:
Race condition: nhieàu
process truy xuaát vaø thao
taùc ñoàng thôøi treân döõ lieäu
chia seû.
(P) count ++;
– register1 := count
– register1 := register1 +1
– count := register1
(C) count --;
– Keát quaû cuoái cuøng cuûa vieäc
truy xuaát ñoàng thôøi naøy phuï
thuoäc thöù töï thöïc thi cuûa caùc
leänh thao taùc döõ lieäu.
Chuùng ta caàn baûo ñaûm sao
cho taïi moãi thôøi ñieåm coù moät
vaø chæ moät process ñöôïc
truy xuaát, thao taùc treân döõ
lieäu chia seû. Do ñoù, caàn coù
cô cheá ñoàng boä hoaït ñoäng
cuûa caùc process naøy.
– register2 := count
– register2 := register2 -1
– count := register2
Trong ñoù, registeri laø caùc thanh
ghi cuûa CPU.
-5-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Ví duï veà Race Condition
Quaù trình thöïc hieän xen keõ cuûa leänh taêng/giaûm bieán count
Hieän taïi: count = 5
0: producer r e gi s t e r 1 : = c ount
1: producer r e gi s t e r 1 : = r e gi s t e r 1+1
2: consumer r e gi s t e r 2 : = c ount
3: consumer r e gi s t e r 2 : = r e gi s t e r 2- 1
4
5: consumer c ount : = r e gi s t e r 2
{register1 = 5}
{register1 = 6}
{register2 = 5}
{register2 = 4}
{count = 4}
0
Caû hai process thao taùc ñoàng thôøi treân bieán chung count. Keát
quaû cuûa bieán chung naøy khoâng nhaát quaùn döôùi caùc thao taùc
cuûa hai process ⇒ leänh count++, count-- phaûi laø atomic, nghóa
laø thöïc hieän nhö moät leänh ñôn, khoâng bò ngaét nöûa chöøng.
-6-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
3
Critical Section
Giaû söû coù n process cuøng truy xuaát ñoàng thôøi döõ lieäu
chia seû
Khoâng phaûi taát caû caùc ñoaïn code ñeàu phaûi ñöôïc
quan taâm giaûi quyeát vaán ñeà race condition maø chæ
nhöõng ñoaïn code coù chöùa caùc thao taùc treân döõ lieäu
chia seû. Ñoaïn code naøy ñöôïc goïi laø vuøng tranh chaáp
- critical section (CS).
Vaán ñeà ñaët ra: phaûi baûo ñaûm raèng khi moät process
ñang thöïc thi trong vuøng tranh chaáp, khoâng coù moät
process naøo khaùc ñöôïc pheùp thöïc thi caùc leänh trong
vuøng tranh chaáp ⇒ mutual exclusion (mutex): söï loaïi
tröø töông hoã.
-7-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Critical Section vaø Mutual Exclusion
A:enter(critical_section)
A:leave(critical_section)
ProcessA
Battemps
B:enter(critical_section)
ProcessB
Time
Bblocked
B:leave(critical_section)
t3
t1
t2
-8-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
4
Caáu truùc toång quaùt
Moät soá giaû ñònh:
Giaû söû moãi process thöïc thi bình
thöôøng (i.e, nonzero speed) vaø
khoâng coù söï töông quan giöõa toác
ñoä thöïc thi cuûa caùc process
Coù theå coù nhieàu CPU nhöng
khoâng cho pheùp coù nhieàu taùc
vuï truy caäp moät vò trí trong boä
nhôù cuøng luùc (simultaneous)
Caáu truùc toång quaùt cuûa moät
Khoâng raøng buoäc veà thöù töï
process:
thöïc thi cuûa caùc process
Caùc process coù theå chia seû
moät soá bieán chung nhaèm muïc
ñích ñoàng boä hoaït ñoäng cuûa
chuùng.
Giaûi phaùp cuûa chuùng ta caàn
phaûi ñaëc taû ñöôïc caùc phaàn
entry section vaø exit section.
DO {
entry section
critical section
exit section
remainder section
} WHILE (1);
-9-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Raøng buoäc cuûa baøi toaùn tranh chaáp
Mutual Exclusion
– Taïi moãi thôøi ñieåm, chæ coù moät process ñöôïc pheùp thöïc thi trong
vuøng tranh chaáp (CS)
Progress: neáu khoâng coù process naøo ñang thöïc thi trong
vuøng tranh chaáp vaø ñang coù moät soá process chôø ñôïi vaøo
vuøng tranh chaáp thì:
– Chæ nhöõng process khoâng phaûi ñang thöïc thi trong vuøng khoâng
o
– Quaù trình choïn löïa naøy khoâng ñöôïc trì hoaõn voâ haïn (postponed
indefinitely)
Bounded Waiting
– Moãi process chæ phaûi chôø trong ñeå ñöôïc vaøo vuøng tranh chaáp
trong moät khoaûng thôøi gian naøo ñoù. Khoâng ñeå xaûy ra tình traïng
“ñoùi taøi nguyeân” (starvation)
-10-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
5
Phaân loaïi giaûi phaùp
Giaûi phaùp phaàn meàm (software solutions)
– user/programmer töï thöïc hieän (thoâng thöôøng seõ coù söï
hoã trôï cuûa caùc thö vieän laäp trình)
– OS cung caáp moät soá coâng cuï (caùc haøm vaø caáu truùc
döõ lieäu) hoã trôï cho programmer qua system calls.
Giaûi phaùp phaàn cöùng (hardware solutions)
– Döïa treân moät soá leänh maùy ñaëc bieät
» Interrupt disable, Test-and-Set
-11-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Giaûi phaùp phaàn meàm
Tröôøng hôïp 2 process ñoàng thôøi
– Giaûi thuaät 1 vaø 2
– Giaûi thuaät 3 (Peterson’s algorithm)
Giaûi thuaät toång quaùt cho n process
– Bakery algorithm
-12-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
6
Giaûi thuaät 1
Bieán chia seû
– int turn;
/* khôûi ñaàu turn = 0 */
– neáu turn = i ⇒ Pi ñöôïc pheùp vaøo critical section
Process Pi
do {
while (turn != i) ;
Critical_Section();
turn = j;
Remainder_Section();
} while (1);
Thoaû maõn mutual exclusion (1)
Khoâng thoaû maõn yeâu caàu progress (2) vaø bounded-
waiting (3) vì tính chaát strict alternation.
-13-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Giaûi thuaät 1 (t.t)
Process P0:
do
Process P1:
do
while(turn!=1);
Critical_Section();
turn:=0;
while(turn !=0 );
Critical_Section();
turn:=1;
Remainder_Section();
while (1);
Remainder_Section();
while (1);
Ví duï:
P0 coù RS raát lôùn vaø P1 coù RS nhoû. Neáu turn=0, P0
ñöôïc vaøo CS vaø sau ñoù thöïc thi vuøng RS (turn=1). Ñeán
P1 vaøo CS vaø sau ñoù thöïc thi RS (turn=0) vaø tìm caùch
vaøo CS moät laàn nöõa nhöng yeâu caàu bò töø choái !!! P1
phaûi chôø P0 !!!.
-14-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
7
Giaûi thuaät 2
Bieán chia seû
– boolean flag[2]; /* khôûi ñaàu flag [0] = flag [1] = false. */
– Neáu flag [i] = true ⇒ Pi saün saøng vaøo critical section
Process Pi
do {
flag[i] := true;
while (flag[j]) ;
Critical_Section();
flag [i] = false;
Remainder_Section();
} while (1);
Baûo ñaûm ñöôïc mutual exclusion. Chöùng minh?
Khoâng thoaû maõn progress. Vì sao?
-15-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Giaûi thuaät 3 (Peterson)
Bieán chia seû: keát hôïp caû giaûi thuaät 1 vaø 2.
Process Pi
do {
flag [i]:= true;
turn = j;
while (flag [j] and turn = j) ;
Critical_Section();
flag [i] = fase;
Remainder_Section();
} while (1);
Thoaû maõn ñöôïc caû 3 yeâu caàu (chöùng minh - ?), giaûi
quyeát baøi toaùn “critical-section” cho 2 process.
-16-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
8
Giaûi thuaät Peterson-2 process
PROCESS P1
PROCESS P0
DO {
DO {
flag[1]:=true;
/* 1 wants in */
turn:=0;
flag[0]:=true;
/* 0 wants in */
turn:= 1;
/* 1 gives a chance to 0 */
WHILE
/* 0 gives a chance to 1 */
WHILE
( flag[0] && turn=0 );
CRITICAL_SECTION;
flag[1]:=false;
/* 1 no longer wants in */
REMAINDER_SECTION;
WHILE (1);
( flag[1] && turn=1 );
CRITICAL_SECTION;
flag[0]:=false;
/* 0 no longer wants in */
REMAINDER_SECTION;
WHILE (1);
-17-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Giaûi thuaät 3: Tính ñuùng ñaén
Mutual exclusion ñöôïc baûo ñaûm bôûi vì
– P0 vaø P1 ñeàu ôû trong CS neáu vaø chæ neáu flag[0] =
flag[1] = true vaø chæ neáu turn = i vôùi moãi Pi (khoâng theå
xaûy ra)
Chöùng minh thoaû yeâu caàu veà progress vaø
bounded waiting
– Pi khoâng theå vaøo CS neáu vaø chæ neáu bò keït taïi voøng
laëp while() vôùi ñieàu kieän flag[j] = true vaø turn = j.
– Neáu Pj khoâng muoán vaøo CS thì flag[j] = false vaø do ñoù
Pi coù theå vaøo CS.
-18-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
9
Giaûi thuaät 3: Tính ñuùng ñaén (t.t)
– Neáu Pj ñaõ baät flag[j]=true vaø ñang chôø taïi while() thì
coù chæ hai tröôøng hôïp laø turn=i hoaëc turn=j
– Neáu turn=i thì Pi vaøo CS. Neáu turn=j thì Pj vaøo CS
nhöng seõ baät flag[ j]=false khi thoaùt ra ⇒ cho pheùp Pi
vaøo CS
– Nhöng neáu Pj coù ñuû thôøi gian baät flag[ j]=true thì Pj
cuõng phaûi gaùn turn=i
– Vì Pi khoâng thay ñoåi trò cuûa bieán turn khi ñang keït
trong voøng laëp while(), Pi seõ chôø ñeå vaøo CS nhieàu
nhaát laø sau moät laàn Pj vaøo CS (bounded waiting)
-19-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Tröôøng hôïp process bò “cheát”
Neáu thoûa ñoàng thôøi 3 yeâu caàu (mutex, progress,
bounded waiting) thì giaûi phaùp giaûi quyeát tranh chaáp coù
khaû naêng phaùt hieän moät process bò “cheát” taïi nhöõng vuøng
khoâng coù tranh chaáp (remainder section)
– Khi ñoù, process bò “cheát” taïi caùc vuøng khoâng tranh chaáp cuõng coù
nghóa laø coù moät remainder section daøi voâ haïn.
Khoâng coù giaûi phaùp naøo coù theå cung caáp cô cheá ñuû
maïnh ñeå giaûi quyeát tröôøng hôïp process bò “cheát” beân
trong critical section (CS)
-20-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
10
Giaûi thuaät Bakery: N process
Tröôùc khi vaøo CS, process Pi nhaän moät con soá.
Process naøo giöõa con soá nhoû nhaát thì ñöôïc vaøo CS
Tröôøng hôïp Pi vaø Pj cuøng nhaän ñöôïc moät chæ soá:
– Neáu i < j thì Pi ñöôïc vaøo tröôùc, ngöôïc laïi Pj ñöôïc vaøo tröôùc.
Khi ra khoûi CS, Pi ñaët laïi soá cuûa mình baèng 0
Cô cheá caáp soá cho caùc process thöôøng taïo caùc soá
theo cô cheá taêng daàn, ví duï 1,2,3,3,3,3,4,5...
Kí hieäu
– (a,b) < (c,d) neáu a < c hoaëc if a == c vaø b < d
– max(a0,...ak) laø con soá b sao cho b >= ai vôùi moïi i=0,..k
-21-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Giaûi thuaät Bakery: N process
/* shared variable */
bool select[n];
/* initially, select[i] =false */
/* initially, num[i] = 0 */
integer num[n];
while (1) {
select[i] = true;
number[i] = max(num[0], num[1], …, num [n – 1]) + 1;
select[i] = false;
while (select[j]);
while ((num[j] != 0) && (num[j], j) < num[i], i));
}
Critical_Section();
num[i] = 0;
Remainder_Section();
}
-22-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
11
Töø software ñeán hardware
Khuyeát ñieåm cuûa caùc giaûi phaùp software
– Caùc process khi yeâu caàu ñöôïc vaøo vuøng tranh chaáp
ñeàu phaûi lieân tuïc kieåm tra ñieàu kieän (busy waiting),
tieâu toán laõng phí nhieàu thôøi gian xöû lyù cuûa CPU
– Neáu thôøi gian xöû lyù trong vuøng tranh chaáp lôùn, moät
giaûi phaùp hieäu quaû neân coù cô cheá block caùc process
ñang ñôïi.
Caùc giaûi phaùp phaàn cöùng (hardware)
– Caám ngaét (disable interrupts)
– Duøng caùc leänh ñaëc bieät
-23-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Caám ngaét
Trong heä thoáng uniprocessor:
ProcessPi:
mutual exclusion ñöôïc baûo
ñaûm tuy nhieân hieäu suaát thöïc
repeat
thi bò giaûm suùt vì khi coù
disable_interrupts();
Critical_Section();
process trong CS, chuùng ta
khoâng theå thöïc hieän caùch
thöïc thi xen keõ ñoái vôùi caùc
process ñang ôû vuøng khong
c
enable_interrupts();
n()
Treân heä thoáng multiprocessor: forever
mutual exclusion khoâng ñöôïc
ñaûm baûo
– CS coù tính atomic nhöng
khoâng mutual exclusive
-24-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
12
Duøng caùc leänh ñaëc bieät
YÙ töôûng cô sôû
– Vieäc truy xuaát vaøo vaøo moät ñòa chæ cuûa boä nhôù voán ñaõ coù
tính loaïi tröø töông hoã (chæ coù moät thao taùc truy xuaát taïi moät
thôøi ñieåm)
Môû roäng
– thieát keá moät leänh maùy coù theå thöïc hieän hai thao taùc chaäp
(atomic, indivisible) treân cuøng moät oâ nhôù (vd: read vaø write)
– Vieäc thöïc thi caùc leänh maùy nhö treân luoân baûo ñaûm mutual
exclusive (ngay caû vôùi heä thoáng multiprocessor)
Caùc leänh maùy ñaëc bieät coù theå ñaûm baûo mutual exclusion
tuy nhieân cuõng caàn keát hôïp vôùi moät soá cô cheá khaùc ñeå
thoaû maõn hai yeâu caàu coøn laïi laø progress vaø bounded
waiting cuõng nhö traùnh tình traïng starvation vaø deadlock.
-25-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Leänh test-and-set
Kieåm tra vaø caäp nhaät moät bieán
trong moät thao taùc ñôn (atomic).
boolTest&Set(booltarget)
Shareddata:
boollock=false;
{
boolrv=target;
ProcessPi
tqrget=true;
while
returnrv;
}
while(Test&Set(lock));
Critical_Section;
lock=false;
Remainder_Section;
}
-26-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
13
Leänh test-and-set (t.t)
Mutual exclusion ñöôïc baûo ñaûm: neáu Pi vaøo CS, caùc
process Pj khaùc ñeàu ñang busy waiting
Khi Pi ra khoûi CS, quaù trình choïn löïa process Pj vaøo CS
keá tieáp laø tuyø yù ⇒ khoâng baûo ñaûm ñieàu kieän bounded
waiting. Do ñoù coù theå xaûy ra starvation (bò boû ñoùi)
Caùc processor (ví duï Pentium) thoâng thöôøng cung caáp
moät leänh ñôn laø swap(a,b) coù taùc duïng hoaùn chuyeån noäi
dung cuûa a vaø b.
– swap(a,b) cuõng coù öu nhöôïc ñieåm nhö test-and-set
-27-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Swap vaø Mutual Exclusion
Bieán chia seû lock ñöôïc khôûi
Bieán chia seû (khôûi taïo laø false)
taïo giaù trò false
bool lock;
bool waiting[n];
Moãi process Pi coù bieán cuïc boä
key
Process Pi
Process Pi naøo thaáy giaù trò
lock=false thì ñöôïc vaøo CS.
do {
– Process Pi seõ loaïi tröø caùc
process Pj khaùc khi thieát laäp
key = true;
Swap(lock,key);
critical section
lock = false;
remainder section
}
voidSwap(boola,boolb)
{
booleantemp=a;
a=b;
b=temp;
}
-28-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
14
Thoaû maõn 3 yeâu caàu
Caáu truùc döõ lieäu duøng chung (khôûi taïo laø false)
– bool waiting[n];
– bool lock;
Mutual Exclusion: Pi chæ coù theå vaøo CS neáu vaø chæ neáu
hoaëc waiting[i]==false, hoaëc laø key==false
– key = false chæ khi Test&Set (hay Swap) ñöôïc thöïc thi
» Process ñaàu tieân thöïc thi Test&Set môùi coù key==false; caùc
process khaùc ñeàu phaûi ñôïi
– waiting[i] = false chæ khi process khaùc rôøi khoûi CS
» Chæ coù moät waiting[i] coù giaù trò false
Progress: chöùng minh töông töï nhö exclusion
Bounded Waiting: waiting in the cyclic order
-29-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Thoaû maõn 3 yeâu caàu (t.t)
while{
waiting[i]=true;
key=true;
while(waiting[i]&&key)
key = Test&Set(lock);
waiting[i]=false;
CriticalSection
while((j!=i)&&!waiting[i])
j=(j+1)% n;
if(j=i)
lock=false;
else
waiting[i]=false;
RemainderSection
}
-30-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
15
Semaphore
Laø coâng cuï ñoàng boä cung caáp bôûi OS maø khoâng ñoøi hoûi
busy waiting
Semaphore S laø moät bieán soá nguyeân, ngoaøi thao taùc
khôûi ñoäng bieán thì chæ coù theå ñöôïc truy xuaát qua hai taùc
vuï coù tính ñôn nguyeân (atomic) vaø loaïi tröø (mutual
exclusive)
– wait(S) hay coøn goïi laø P(S): giaûm giaù trò semaphore. Neáu giaù trò
naøy aâm thì process thöïc hieän leänh wait() bò blocked.
– signal(S) hay coøn goïi laø V(S): taêng giaù trò semaphore. Neáu giaù trò
naøy aâm, moät process ñang blocked bôûi moät leänh wait() seõ ñöôïc
hoài phuïc ñeå thöïc thi.
Traùnh busy waiting: khi phaûi ñôïi thì process seõ ñöôïc ñaët
vaøo moät blocked queue, trong ñoù chöùa caùc process ñang
chôø ñôïi cuøng moät söï kieän.
-31-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Hieän thöïc Semaphore
Ñònh nghóa semaphore nhö moät record
typedefstruct{
intvalue;
structprocess*L; /*processqueue*/
}semaphore;
Giaû söû coù hai taùc vuï ñôn:
– block: taïm treo process naøo thöïc thi leänh naøy.
– wakeup(P): hoài phuïc quaù trình thöïc thi cuûa moät
process P ñang blocked .
-32-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
16
Hieän thöïc Semaphore (t.t)
Caùc taùc vuï semaphore ñöôïc ñònh nghóa nhö sau
wait(S):
S.value--;
if (S.value < 0) {
add this process to S.L;
block;
}
signal(S):
S.value++;
if (S.value <= 0) {
remove a process P from S.L;
wakeup(P);
}
-33-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Hieän thöïc Semaphore (t.t)
Khi moät process phaûi chôø treân semaphore S, noù
seõ bò blocked vaø ñöôïc ñaët trong haøng ñôïi
semaphore
– Haøng ñôïi naøy laø danh saùch lieân keát caùc PCB
Taùc vuï signal() thöôøng söû duïng cô cheá FIFO ñeå
chuyeån moät process töø haøng ñôïi vaø ñöa vaøo
h
block() vaø wakeup() thay ñoåi traïng thaùi cuûa
process – ñoù laø caùc system call cô baûn.
– Block: chuyeån töø running sang waiting
– wakeup: chuyeån töø waiting sang ready
-34-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
17
Hieän thöïc Mutex vôùi Semaphore
Duøng cho n process
Shared data:
semaphore mutex;
/*initially mutex.value = 1*/
Khôûi taïo S.value = 1
Chæ duy nhaát moät 1
process ñöôïc vaøo CS
(mutual exclusion)
Process Pi:
do {
wait(mutex);
Ñeå cho pheùp k process
vaøo CS, khôûi taïo
S.value = k
critical section
signal(mutex);
remainder section
} while (1);
-35-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Ñoàng boä process baèng semaphore
Hai process: P1 vaø P2
Ñeå ñoàng boä hoaït ñoäng
theo yeâu caàu, P1 phaûi
ñònh nghóa nhö sau:
S1;
Yeâu caàu: leänh S1 trong
P1 caàn ñöôïc thöïc thi
signal(synch);
tröôùc leänh S2 trong P2
Vaø P2 ñònh nghóa nhö sau:
Ñ
S2;
“synch” duøng ñoàng boä
Khôûi ñoäng semaphore:
synch.value= 0
-36-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
18
Nhaän xeùt
Khi S.value >=0: soá process coù theå thöïc thi wait(S)maø
khoâng bò blocked = S.value
Khi S.value<0: soá process ñang ñôïi treân S = |S.value|
Atomic vaø mutual exclusion: khoâng ñöôïc xaûy ra tröôøng
hôïp 2 process cuøng ñang ôû trong thaân leänh wait(S) vaø
signal(S) (cuøng semaphore S) taïi moät thôøi ñieåm (ngay caû
vôùi heä thoáng multiprocessor)
⇒ do ñoù, ñoaïn maõ ñònh nghóa caùc leänh wait(S) vaø
signal(S) cuõng chính laø vuøng xaûy ra tranh chaáp (critical
section)
-37-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Nhaän xeùt (t.t)
wait() vaø signal() phaûi thöïc thi atomic vaø mutual
execution
Vuøng tranh chaáp cuûa caùc taùc vuï wait(S) vaø signal(S)
thoâng thöôøng raát nhoû: khoaûng 10 leänh.
Giaûi phaùp cho vuøng tranh chaáp wait(S) vaø signal(S):
interrupt) ñeå giaûi quyeát tranh chaáp (trong moät khoaûng thôøi
gian raát ngaén). Phöông phaùp naøy khoâng laøm vieäc treân heä
thoáng multiprocessor.
– Multiprocessor: coù theå duøng caùc giaûi phaùp software (nhö
Dekker, Peterson) hoaëc giaûi phaùp hardware (test-and-set,
swap). Vì CS raát nhoû neân chi phí cho busy waiting seõ raát
thaáp.
-38-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
19
Deadlock vaø Starvation
Deadlock – hai hay nhieàu process ñang chôø ñôïi voâ
haïn ñònh moät söï kieän khoâng bao giôø xaûy ra (vd: söï
kieän do moät trong caùc process ñang ñôïi taïo ra).
Goïi S vaø Q laø hai bieán semaphore ñöôïc khôûi taïo = 1
P0
P1
P(S);
P(Q);
M
P(Q);
P(S);
M
V(S);
V(Q);
V(Q)
V(S);
Starvation (indefinite blocking) coù theå xaûy ra khi
chuùng ta boû process vaøo haøng ñôïi vaø laáy ra theo cô
cheá LIFO.
-39-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
Caùc loaïi semaphore
Counting semaphore: moät soá nguyeân coù giaù trò
khoâng haïn cheá.
Binary semaphore: moät soá nguyeân coù giaù trò naèm
trong khoaûng [0,1]. Binary semaphore raát deã
hieän thöïc.
Chuùng ta coù theå hieän thöïc counting semaphore
S baèng binary semaphore.
-40-
Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin – Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM
20
Tải về để xem bản đầy đủ
30 trang
17020
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Đồng bộ và giải quyết tranh chấp (Process Synchronization) - Thoại Nam", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_he_dieu_hanh_chuong_3_dong_bo_va_giai_quyet_tranh.pdf
