Bài giảng Hệ điều hành - Chương 5, Phần 2: Đồng bộ

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 5 – Đồng bộ (2)
11/2/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Ôn tập chương 5 (1)
Khi nào thì xảy ra tranh chấp race condition?
Vấn đề Critical Section là gì?
Yêu cầu của lời giải cho CS problem?
Có mấy loại giải pháp? Kể tên?
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 2
Mục tiêu chương 5 (2)
 Hiểu được nhóm giải pháp Busy waiting bao gồm: 
 Các giải pháp phần mềm
 Các giải pháp phần cứng
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
Nội dung chương 5 (2)
 Các giải pháp phần mềm
 Sử dụng giải thuật kiểm tra luân phiên
 Sử dụng các biến cờ hiệu
 Giải pháp của Peterson
 Giải pháp Bakery
 Các giải pháp phần cứng
 Cấp ngắt
 Chỉ thị TSL
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
Giải thuật 1
Biến chia sẻ
int turn ; /* khởi đầu turn = 0 */
 nếu turn = i thì Pi được phép vào critical section, với i = 0 hay 1
Process Pi
do {
while (turn != i);
critical section
turn = j;
remainder section
} while (1);
Thỏa mãn Mutual exclusion ( 1)
Nhưng không  thoả mãn yêu cầu về progress (2) và bounded 
waiting (3) vì tính chất strict alternation của giải thuật
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
Giải thuật 1 (tt)
 Điều gì xảy ra nếu P0 có RS (remainder section) rất lớn 
còn P1 có RS nhỏ?
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
Process P0:
do 
while (turn != 0);
critical section
turn := 1;
remainder section
while (1);
Process P1:
do
while (turn != 1);
critical section
turn := 0;
remainder section
while (1);
Giải thuật 2
Bi ến chia sẻ
boolean flag [ 2 ]; /* khởi đầu flag[ 0 ] = flag[ 1 ] = false */
 Nếu flag[ i ] = true thì Pi “sẵn sàng” vào critical section.
Process Pi
do {
flag[ i ] = true; /* Pi “sẵn sàng” vào CS */
while ( flag[ j ] ); /* Pi “nhường” Pj */
critical section
flag[ i ] = false;
remainder section
} while (1);
Thỏa mãn Mutual exclusion ( 1)
Không  thỏa mãn progress. Vì sao?
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 7
Giải thuật 3 (Peterson)
Bi ến chia sẻ
Kết hợp cả giải thuật 1 và 2
Process Pi, với i =  0 hoặc i = 1
do {
flag[ i ] = true; /* Process i sẵn sàng */
turn = j; /* Nhường process j */
while (flag[ j ] and turn == j);
critical section
flag[ i ] = false;
remainder section
} while (1);
Tho ả mãn được cả 3 yêu cầu ?
⇒ giải quyết bài toán critical section cho 2 process
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 8
Giải thuật 3 (Peterson) cho 2 tiến trình
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 9
Process P0
do {
/* 0 wants in */
flag[0] = true;
/* 0 gives a chance to 1 */
turn = 1;
while (flag[1] &&turn == 1);
critical section
/* 0 no longer wants in */
flag[0] = false; 
remainder section
} while(1);
Process P1
do {
/* 1 wants in */
flag[1] = true;
/* 1 gives a chance to 0 */
turn = 0;
while (flag[0] && turn == 0);
critical section
/* 1 no longer wants in */
flag[1] = false;
remainder section
} while(1);
Giải thuật 3: Tính đúng đắn
Giải thuật  3 thỏa mutual exclusion, progress, và bounded waiting
Mutual exclusion được đảm bảo bởi vì
 P0 và P1 đều ở trong CS nếu và chỉ nếu flag[0] = flag[1] = true 
và turn = I cho mỗi Pi (không thể xảy ra)
Chứng minh thỏa yêu cầu về progress và bounded waiting
 Pi không thể vào CS nếu và chỉ nếu bị kẹt tại vòng lặp while() 
với điều kiện flag[j]=true và turn = j
Nếu Pj không muốn vào CS thì flag[j] = false và do đó Pi có 
thể vào CS
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 10
Giải thuật 3: Tính đúng đắn (tt)
Nếu Pj đã bật flag[j]=true và đang chờ tại while() thì có chỉ hai
trường hợp là turn = i hoặc turn = j
Nếu turn = i và Pi vào CS. Nếu turn = j thì Pj vào CS nhưng sẽ
bật flag[j]=false khi thoát ra -> cho phếp Pi và CS
Nhưng nếu Pj có đủ thời gian bật flag[j]=true thì Pj cũng phải
gán turn = i
Vì Pi không thay đổi trị của biến turn khi đang kẹt trong vòng
lặp while(), Pi sẽ chờ để vào CS nhiều nhất là sau một lần Pj vào
CS (bounded waiting)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 11
Giải thuật bakery: n process
Trư ớc khi vào CS, process Pi nhận một con số. Process nào giữ
con số nhỏ nhất thì được vào CS
Trư ờng hợp Pi và Pj cùng nhận được một chỉ số: 
 Nếu i < j thì Pi được vào trước. (Đối xứng)
Khi ra  khỏi CS, Pi đặt lại số của mình bằng 0
Cơ  chế cấp số cho các process thường tạo các số theo cơ chế tăng 
dần, ví dụ 1, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 5,
 Kí hiệu
 (a,b) < (c,d) nếu a < c hoặc if a = c và b < d
max (a0,,ak) là con số b sao cho b ≥ ai với mọi i = 0,, k
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 12
Giải thuật bakery: n process (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 13
/* shared variable */
boolean choosing[ n ]; /* initially, choosing[ i ] = false */
int num[ n ]; /* initially, num[ i ] = 0 */
do {
choosing[ i ] = true;
num[ i ] = max(num[0], num[1],, num[n − 1]) + 1;
choosing[ i ] = false;
for (j = 0; j < n; j++) {
while (choosing[ j ]); 
while ((num[ j ] != 0) && (num[ j ], j) < (num[ i ], i));
}
critical section
num[ i ] = 0;
remainder section
} while (1);
Từ software đến hardware
Khuyết điểm của các giải pháp software :
 Các process khi yêu cầu được vào vùng tranh chấp 
đều phải liên tục kiểm tra điều kiện (busy waiting), 
tốn nhiều thời gian xử lý của CPU
 Nếu thời gian xử lý trong vùng tranh chấp lớn, một 
giải pháp hiệu quả nên có cơ chế block các process 
cần đợi.
 Các giải pháp phần cứng:
 Cấm ngắt (disable interrupts)
 Dùng các lệnh đặc biệt
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 14
Cấm ngắt
 Trong hệ thống uniprocessor: 
mutual exclusion được đảm bảo
 Nhưng nếu system clock được cập 
nhật do interrupt thì
 Trong hệ thống multiprocessor: 
mutual exclusion không được 
đảm bảo
 Chỉ cấm ngắt tại CPU thực thi lệnh 
disable_interrupts
 Các CPU khác vẫn có thể truy cập 
bộ nhớ chia sẻ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 15
Process Pi:
do {
disable_interrupts()
;
critical section
enable_interrupts();
remainder 
section
} while (1);
Lệnh TestAndSet
 Đọc và ghi một biến trong một thao tác atomic (không 
chia cắt được)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 16
boolean TestAndSet( boolean *target){
boolean rv = *target;
*target = true;
return rv;
}
Shared data: 
boolean lock = false;
Process Pi :
do {
while (TestAndSet(&lock));
critical section
lock = false;
remainder section
} while (1);
Lệnh TestAndSet
Mutual exclusion  được bảo đảm: nếu Pi vào CS, các 
process Pj khác đều đang busy waiting
Khi Pi ra  khỏi CS, quá trình chọn lựa process Pj vào 
CS kế tiếp là tùy ý⇒ không bảo đảm điều kiện 
bounded waiting. Do đó có thể xảy ra starvation (bị bỏ
đói)
 Các processor (ví dụ Pentium) thông thường cung cấp 
một lệnh đơn là Swap(a, b) có tác dụng hoán chuyển 
nội dung của a và b.
Swap (a, b) cũng có ưu nhược điểm như TestAndSet
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 17
Swap và mutual exclusion
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 18
Biến chia sẻ lock được khởi tạo 
giá trị false
Mỗi process Pi có biến cục bộ
key
Process Pi nào thấy giá trị lock 
= false thì được vào CS.
Process Pi sẽ loại trừ các 
process Pj khác khi thiết lập 
lock = true
void Swap(boolean *a,
boolean *b) {
boolean temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
Bi➢ ến chia sẻ (khởi tạo là false) 
bool lock;
bool key;
Process ➢ Pi
do {
key = true;
while (key == true) 
Swap(&lock, &key);
critical section
lock = false;
remainder section
} while (1)
Không thỏa mãn bounded waiting
Giải thuật dùng TestAndSet thoả mãn 3 yêu cầu
 Cấu trúc dữ liệu dùng chung (khởi tạo là false)
bool waiting[ n ];
bool lock;
Mutual exclusion : Pi chỉ có thể vào CS nếu và chỉ nếu hoặc waiting[ i 
] = false, hoặc key = false
key = false chỉ khi TestAndSet (hay Swap) được thực thi
Process  đầu tiên thực thi TestAndSet mới có key == false; các 
process khác đều phải đợi
waiting [ i ] = false chỉ khi process khác rời khỏi CS
Ch ỉ có một waiting[ i ] có giá trị false
Progress : chứng minh tương tự như mutual exclusion
Bounded waiting: waiting in the cyclic order
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 19
Giải thuật dùng TestAndSet thoả mãn 3 yêu cầu (tt)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 20
waiting[ i ] = true;
key = true;
while (waiting[ i ] && key)
key = TestAndSet(lock);
waiting[ i ] = false;
j = (i + 1) % n;
while ( (j != i) && !waiting[ j ] )
j = (j + 1) % n;
if (j == i)
lock = false;
else 
waiting[ j ] = false;
critical section
remainder section
do {
} while (1)
Tóm tắt lại nội dung buổi học
Các giải pháp phần mềm
Sử dụng giải thuật kiểm tra luân phiên 
Sử dụng các biến cờ hiệu 
Giải pháp của Peterson 
Giải pháp Bakery 
Các giải pháp phần cứng
Cấp ngắt 
Chỉ thị TSL 
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 21
THẢO LUẬN
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 22