Bài giảng Hệ điều hành - Chương 5, Phần 1: Đồng bộ

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 5 – Đồng bộ (1)
23/03/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Ôn tập chương 4
Tại sao phải định thời? Nêu các bộ định thời và mô 
tả về chúng?
Các tiêu chuẩn định thời CPU?
Có bao nhiêu giải thuật định thời? Kể tên?
Mô tả và nêu ưu điểm, nhược điểm của từng giải 
thuật định thời? FCFS, SJF, SRTF, RR, Priority 
Scheduling, HRRN, MQ, MFQ.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 2
Bài tập chương 4
 Sử dụng các giải thuật FCFS, SJF, SRTF, Priority -Pre, RR (10) 
để tính các giá trị thời gian đợi, thời gian đáp ứng và thời gian 
hoàn thành trung bình và vẽ giản đồ Gaint
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
Mục tiêu chương 5
Hiểu được vấn đề tranh chấp giữa các tiến trình 
trong hệ điều hành
Biết được các giải pháp để giải quyết tranh chấp
Hiểu được các vấn đề trong giải quyết tranh 
chấp
Biết được các yêu cầu của các giải pháp trong 
việc giải quyết tranh chấp và phân nhóm các 
giải pháp
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
Nội dung chương 5
Giới thiệu về race condition
Giới thiệu các giải pháp tổng quát để giải quyết 
tranh chấp
Phân tích các chi tiết các vấn đề trong việc giải 
quyết tranh chấp
Yêu cầu của giải pháp trong việc giải quyết 
tranh chấp
Phân nhóm các giải pháp
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
Vấn đề cần đồng bộ
Kh ảo sát các process/thread thực thi đồng thời và chia sẻ
dữ liệu (qua shared memory, file).
 Nếu không có sự kiểm soát khi truy cập các dữ liệu chia 
sẻ thì có thể đưa đến ra trường hợp không nhất quán dữ
liệu (data inconsistency).
 Để duy trì sự nhất quán dữ liệu, hệ thống cần có cơ chế
bảo đảm sự thực thi có trật tự của các process đồng thời.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
Q
Lp
R
Bài toán Producer - Consumer
P không được ghi dữ liệu vào buffer đã đầy
C không được đọc dữ liệu từ buffer đang trống
P và C không được thao tác trên buffer cùng lúc
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 7
P
C
Buffer (N)
Giới hạn, không giới hạn 
???
Bounded buffer
 Quá trình Producer
item nextProduce;
while(1){
while(count == BUFFER_SIZE); /*ko lam gi*/
buffer[in] = nextProducer;
count++;
in = (in+1)%BUFFER_SIZE;
 Quá trình Consumer
item nextConsumer;
while(1){
while(count == 0); /*ko lam gi*/
nextConsumer = buffer[out];
count--;
out = (out+1)%BUFFER_SIZE;
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 8
biến count được chia sẻ
giữa producer và consumer
Bounded buffer (tt)
Các lệnh tăng, giảm biến count tương đương trong ngôn ngữ 
máy là:
Producer (count++) 
register 1 = count
register 1 = register1 + 1
count = register 1
Consumer (count --)
register 2 = count
register 2 = register2 - 1
count = register 2
Trong đó, các register là các thanh ghi của CPU
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 9
Bounded buffer (tt)
 Mã máy của các lệnh tăng và giảm biến count có thể bị thực 
thi xen kẽ
 Giả sử count đang bằng 5. Chuỗi thực thi có thể xảy ra, khi 
quantum time = 2 chu kỳ lệnh
 0:producer register1 := count {register1 = 5}
 1:producer register1 := register1 + 1 {register1 = 6}
 2:consumer register2 := count {register2 = 5}
 3:consumer register2 := register2 – 1 {register2 = 4}
 4:producer count := register1 {count = 6}
 5:consumer count := register2 {count = 4}
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 10
Bounded buffer (tt)
Mã máy của các lệnh tăng và giảm biến count có thể bị thực thi 
xen kẽ
Giả sử count đang bằng  5. Chuỗi thực thi có thể xảy ra, khi 
quantum time = 3 chu kỳ lệnh
 0:producer register1 := count {register1 = 5}
 1:producer register1 := register1 + 1 {register1 = 6}
 2:producer count := register1 {count = 6}
 3:consumer register2 := count {register2 = 6}
 4:consumer register2 := register2 – 1 {register2 = 5}
 5:consumer count := register2 {count = 5}
 Cần phải có giải pháp để các lệnh count++, count-- phải là đơn nguyên 
(atomic), nghĩa là thực hiện như một lệnh đơn, không bị ngắt nửa chừng.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 11
Bounded buffer (tt)
Race condition : nhiều process truy xuất và thao tác đồng thời 
lên dữ liệu chia sẻ (như biến count)
 Kết quả cuối cùng của việc truy xuất đồng thời này phụ thuộc thứ tự
thực thi của các lệnh thao tác dữ liệu.
 Để dữ liệu chia sẻ được nhất quán, cần bảo đảm sao cho tại 
mỗi thời điểm chỉ có một process được thao tác lên dữ liệu 
chia sẻ. Do đó, cần có cơ chế đồng bộ hoạt động của các 
process này.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 12
Vấn đề Critical Section
Giả sử có n process truy xuất đồng thời dữ liệu chia sẻ
Cấu trúc của mỗi process Pi có đoạn code như sau:
Do {
entry section /* vào critical section */
critical section /* truy xuất dữ liệu chia xẻ */
exit section /* rời critical section */
remainder section /* làm những việc khác */
} While (1) 
Trong mỗi process  có những đoạn code có chứa các thao tác 
lên dữ liệu chia sẻ. Đoạn code này được gọi là vùng tranh 
chấp (critical section, CS).
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 13
Vấn đề Critical Section (tt)
 Vấn đề Critical Section: phải bảo đảm sự loại trừ tương hỗ
(mutual exclusion, mutex), tức là khi một process đang thực 
thi trong vùng tranh chấp, không có process nào khác đồng 
thời thực thi các lệnh trong vùng tranh chấp.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 14
Yêu cầu của lời giải cho CS Problem
Lời giải phải thỏa ba tính chất:
 (1) Loại trừ tương hỗ (Mutual exclusion): Khi một process P đang
thực thi trong vùng tranh chấp (CS) của nó thì không có process Q
nào khác đang thực thi trong CS của Q.
 (2) Progress: Một tiến trình tạm dừng bên ngoài miền găng không
được ngăn cản các tiến trình khác vào miền găng
 (3) Chờ đợi giới hạn (Bounded waiting): Mỗi process chỉ phải chờ
để được vào vùng tranh chấp trong một khoảng thời gian có hạn
định nào đó. Không xảy ra tình trạng đói tài nguyên (starvation).
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 15
Phân loại giải pháp
 Nhóm giải pháp Busy Waiting
 Sử dụng các biến cờ hiệu
 Sử dụng việc kiểm tra luân phiên 
 Giải pháp của Peterson 
 Cấm ngắt
 Chỉ thị TSL 
 Nhóm giải pháp Sleep & Wakeup
 Semaphore
 Monitor
 Message
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 16
Các giải pháp “Busy waiting”
Tiếp tục tiêu thụ CPU trong khi chờ đợi vào miền găng
Không đòi hỏi sự trợ giúp của Hệ điều hành
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 17
While (chưa có quyền) do_nothing() ;
CS;
Từ bỏ quyền sử dụng CS
Các giải pháp “Sleep & Wake up”
Từ bỏ CPU khi chưa được vào miền găng
Cần Hệ điều hành hỗ trợ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 18
if (chưa có quyền) Sleep() ;
CS;
Wakeup (somebody);
Tóm tắt lại nội dung buổi học
Race condition
Các giải pháp tổng quát để giải quyết tranh chấp
Các chi tiết các vấn đề trong việc giải quyết tranh chấp
Yêu cầu của giải pháp trong việc giải quyết tranh chấp
Các nhóm các giải pháp
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 19
THẢO LUẬN
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 20