Bài giảng Hệ điều hành - Chương 5: Đồng bộ (Phần 2) - Trường Đại học Công nghệ thông tin

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 5 – Đồng bộ (2)
1/17/2018
1/17/2018 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?
1/17/2018 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 
1/17/2018 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 
1/17/2018 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
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
Giải thuật 1 (tt)
Điều gì xảy ra nếu P 0 có RS (remainder section) rất lớn 
còn P1 có RS nhỏ?
1/17/2018 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?
1/17/2018 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
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 8
Giải thuật 3 (Peterson) cho 2 tiến trình
1/17/2018 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
1/17/2018 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)
1/17/2018 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
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 12
Giải thuật bakery: n process (tt)
1/17/2018 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
1/17/2018 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