Bài giảng Hệ điều hành: Chương 5 - ThS. Hà Lê Hoài Thương

Chia sẻ: Fdgvxcc Fdgvxcc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu trình bày trong chương 5 Đồng bộ và giải quyết tranh chấp thuộc bài giảng hệ điều hành nhằm trình bày về các kiến thức: tại sao phải đồng bộ và giải quyết tranh chấp, vấn đề Critical section, các giải pháp phần mềm, đồng bộ bằng Critical region, đồng bộ bằng hardware, các bài toán đồng bộ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ điều hành: Chương 5 - ThS. Hà Lê Hoài Thương

Chöông V - Phaàn II Ñoàng Boä vaø Giaûi Quyeát Tranh Chaáp (Process Synchronization) 1
Noäi dung  Ñaët vaán ñeà (taïi sao phaûi ñoàng boä vaø giaûi quyeát tranh chaáp ?)  Vaán ñeà Critical section  Caùc giaûi phaùp phaàn meàm ‟ Giaûi thuaät Peterson, vaø giaûi thuaät bakery  Ñoàng boä baèng hardware  Semaphore  Caùc baøi toaùn ñoàng boä  Critical region  Monitor Khoa KTMT 2
Ñaët vaán ñeà „ Khaûo saùt caùc process/thread thöïc thi ñoàng thôøi vaø chia seû döõ lieäu (qua shared memory, file).  Neáu khoâng coù söï kieåm soaùt khi truy caäp caùc döõ lieäu chia seû thì coù theå ñöa ñeán ra tröôøng hôïp khoâng nhaát quaùn döõ lieäu (data inconsistency).  Ñeå duy trì söï nhaát quaùn döõ lieäu, heä thoáng caàn coù cô cheá baûo ñaûm söï thöïc thi coù traät töï cuûa caùc process ñoàng thôøi. Q p L R Khoa KTMT 3
Baøi toaùn Producer-Consumer 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 Giôùi haïn, khoâng giôùi haïn ??? P Buffer (N) C Khoa KTMT 4
Ñaët vaán ñeà  Xeùt baøi toaùn Producer-Consumer vôùi bounded buffer  Bounded buffer, theâm bieán ñeám count #define BUFFER_SIZE 10 /* 10 buffers */ typedef struct { ... } item; item buffer[BUFFER_SIZE]; int in = 0, out = 0, count = 0; Khoa KTMT 5
Bounded buffer (tt)  Quaù trình Producer item nextProduced; while(1) { while (count == BUFFER_SIZE); /* do nothing */ buffer[in] = nextProduced; count++; bieán count ñöôïc chia seû in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; giöõa producer vaø consumer }  Quaù trình Consumer item nextConsumed; while(1) { while (count == 0); /* do nothing */ nextConsumed = buffer[out] ; count--; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; } Khoa KTMT 6
Bounded buffer (tt)  Caùc leänh taêng, giaûm bieán count töông ñöông trong ngoân ngöõ maùy laø: „ (Producer) count++: „ register1 = count „ register1 = register1 + 1 „ count = register1 „ (Consumer) count--: „ register2 = count „ register2 = register2 - 1 „ count = register2  Trong ñoù, caùc registeri laø caùc thanh ghi cuûa CPU. Khoa KTMT 7
Bounded buffer (tt) „ Maõ maùy cuûa caùc leänh taêng vaø giaûm bieán count coù theå bò thöïc thi xen keõ  Giaû söû count ñang baèng 5. Chuoãi thöïc thi sau coù theå xaûy ra: „ 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} Caùc leänh count++, count-- phaûi laø ñôn nguyeân (atomic), nghóa laø thöïc hieän nhö moät leänh ñôn, khoâng bò ngaét nöûa chöøng. Khoa KTMT 8
Bounded buffer (tt)  Race condition: nhieàu process truy xuaát vaø thao taùc ñoàng thôøi leân döõ lieäu chia seû (nhö bieán 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.  Ñeå döõ lieäu chia seû ñöôïc nhaát quaùn, caàn baûo ñaûm sao cho taïi moãi thôøi ñieåm chæ coù moät process ñöôïc thao taùc leân döõ lieäu chia seû. Do ñoù, caàn coù cô cheá ñoàng boä hoaït ñoäng cuûa caùc process naøy. Khoa KTMT 9
Vaán ñeà Critical Section  Giaû söû coù n process cuøng truy xuaát ñoàng thôøi döõ lieäu chia seû  Caáu truùc cuûa moãi process Pi - Moãi process coù ñoaïn code nhö sau : Do { entry section /* vaøo critical section */ critical section /* truy xuaát döõ lieäu chia xeû */ exit section /* rôøi critical section */ remainder section /* laøm nhöõng vieäc khaùc */ } While (1)  Trong moãi process coù nhöõng ñoaïn code coù chöùa caùc thao taùc leân döõ lieäu chia seû. Ñoaïn code naøy ñöôïc goïi laø vuøng tranh chaáp (critical section, CS). Khoa KTMT 10
Vaán ñeà Critical Section  Vaán ñeà Critical Section: phaûi baûo ñaûm söï loaïi tröø töông hoã (MUTual EXclusion, mutex), töùc laø khi moät process ñang thöïc thi trong vuøng tranh chaáp, khoâng coù process naøo khaùc ñoàng thôøi thöïc thi caùc leänh trong vuøng tranh chaáp. Khoa KTMT 11
Yeâu caàu cuûa lôøi giaûi cho Critical Section Problem „ Lôøi giaûi phaûi thoûa boán tính chaát: (1) Ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual exclusion): Khi moät process P ñang thöïc thi trong vuøng tranh chaáp (CS) cuûa noù thì khoâng coù process Q naøo khaùc ñang thöïc thi trong CS cuûa Q. (2) Progress: Moät tieán trình taïm döøng beân ngoaøi mieàn gaêng (CS) khoâng ñöôïc ngaên caûn caùc tieán trình khaùc vaøo mieàn gaêng (CS) vaø vieäc löïa choïn P naøo vaøo CS phaûi coù haïn ñònh „ (3) Chôø ñôïi giôùi haïn (Bounded waiting): Moãi process chæ phaûi chôø ñeå ñöôïc vaøo vuøng tranh chaáp trong moät khoaûng thôøi gian coù haïn ñònh naøo ñoù. Khoâng xaûy ra tình traïng ñoùi taøi nguyeân (starvation). (4)Khoâng coù giaû thieát naøo ñaët ra cho söï lieân heä veà toác ñoä cuûa caùc tieán trình, cuõng nhö veà soá löôïng boä xöû lyù trong heä thoáng Khoa KTMT 12
Phaân loaïi giaûi phaùp  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 Khoa KTMT 13
Caùc giaûi phaùp “Busy waiting” While (chưa có quyền) do nothing() ; CS; Từ bỏ quyền sử dụng CS  Tiếp tục tiêu thụ CPU trong khi chờ đợi vào miền găng  Không đòi hỏi sự trợ giúp của Hệ điều hành Khoa KTMT 14
Caùc giaûi phaùp “Sleep & Wake up” if (chưa có quyền) Sleep() ; CS; Wakeup( somebody);  Từ bỏ CPU khi chưa được vào miền găng  Cần được Hệ điều hành hỗ trợ Khoa KTMT 15
Caùc giaûi phaùp “Busy waiting” Giaûi thuaät 1  Bieán chia seû „ Int turn; /* khôûi ñaàu turn = 0 */ „ neáu turn = i thì Pi ñöôïc pheùp vaøo critical section, vôùi i = 0 hay 1  Process Pi do { while (turn != i); critical section turn = j; remainder section } while (1);  Thoaû maõn mutual exclusion (1)  Nhöng khoâng thoaû maõn yeâu caàu veà progress (2) vaø bounded waiting (3) vì tính chaát strict alternation cuûa giaûi thuaät Khoa KTMT 16
Giaûi thuaät 1 (tt) Process P0: Process P1: do do while (turn != 0); while (turn != 1); critical section critical section turn := 1; turn := 0; remainder section remainder section while (1); while (1); Ví duï: P0 coù RS (remainder section) raát lôùn coøn P1 coù RS nhoû??? P0 (I/O) P1 P0 ? Hệ Thống bị treo Khoa KTMT 17
Giaûi thuaät 2  Bieán chia seû „ boolean flag[ 2 ]; /* khôûi ñaàu flag[ 0 ] = flag[ 1 ] = false */ „ Neáu flag[ i ] = true thì Pi “saün saøng” vaøo critical section.  Process Pi do { flag[ i ] = true; /* Pi “saün saøng” vaøo CS */ while ( flag[ j ] ); /* Pi “nhöôøng” Pj */ critical section flag[ i ] = false; remainder section } while (1);  Baûo ñaûm ñöôïc mutual exclusion. Chöùng minh?  Khoâng thoûa maõn progress. Vì sao? Khoa KTMT 18
Giaûi thuaät 3 (Peterson)  Bieán chia seû: keát hôïp caû giaûi thuaät 1 vaø 2  Process Pi , vôùi i = 0 hay 1 do { flag[ i ] = true; /* Process i saün saøng */ turn = j; /* Nhöôøng process j */ while (flag[ j ] and turn == j); critical section flag[ i ] = false; remainder section } while (1);  Thoaû maõn ñöôïc caû 3 yeâu caàu (chöùng minh?) giaûi quyeát baøi toaùn critical section cho 2 process. Khoa KTMT 19
Giaûi thuaät Peterson-2 process Process P0 Process P1 do { do { /* 0 wants in */ /* 1 wants in */ flag[0] = true; flag[1] = true; /* 0 gives a chance to 1 */ /* 1 gives a chance to 0 */ turn = 1; turn = 0; while (flag[1] && turn == 1); while (flag[0] && turn == 0); critical section; critical section; /* 0 no longer wants in */ /* 1 no longer wants in */ flag[0] = false; flag[1] = false; remainder section; remainder section; } while(1); } while(1); Khoa KTMT 20