KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
TRƯỜNG ĐẠIHỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
HỆ ĐIỀU HÀNH
Giao tiếp giữa các tiến trìnhpg
Một số khái niệm cơ bản*
 Tiến trình độc lập không ảnh hưởng và không bị ảnh
hưởn
g bởi việc thực thi của các tiến trình khác.g
 Tiến trình hợp tác (không độc lập) có thể ảnh hưởng
và bị ảnh hưởng bởi việc thực thi của các tiến trình
khác.
 Ưu điểm của việc hợp tác tiến trình:

Chia sẻ thông tin

Tăng tốc tính toán (xử lý song song)
Tí h d l hó

Tính module hóa

Tiện lợi
2
Một số khái niệm cơ bản*
 Các tiến trình sử dụng và cập nhập dữ liệu chia sẻ
như các biến, file và cơ sở dữ liệu dùng chung.
ể Thao tác ghi phải độc lập từng đôi một để ngăn ngừa
tình trạng đụng độ, có thể dẫn đến tính không toàn
vẹndữ liệuvẹn dữ liệu.
 Các miền găng dùng để cung cấp sự toàn vẹn dữ liệu.

Mộttiếntrìnhđòi hỏimiềngăng phải không bị chờMột tiến trình đòi hỏi miền găng phải không bị chờ

mãi mãi: deadlock
3
Đụng độ (race condition)
 Race condition: tình huống mà nhiều tiến trình cùng
tru
y cập và thao tác dữ liệu chia sẻ một cách đồng y p g
thời. Dữ liệu cuối cùng phụ thuộc vào tiến trình cuối
cùng.
ể ế ồ Để ngăn ngừa đụng độ, các tiến trình đồng hành phải
được đồng bộ hóa.
4
Đụng độ (race condition)
5
Miền găng (critical section)
 n tiến trình đấu tranh với nhau để sử dụng một số dữ
liệu nào đó.
ế ề Mỗi tiến trình có một đoạn mã, gọi là miền găng
(critical section (CS)), tại đó dữ liệu chia sẻ được
truy cậptruy cập.
 Vấn đề: bảo đảm rằng khi một tiến trình đang thực
thi tron
g miền găng của nó, không có tiến trình nào g g g ,g
khác được quyền thực thi trong miền găng của nó.
6
Ngữ cảnh miền găng
 Khi một tiến trình thi hành đoạn mã thao tác trên dữ
liệu chia sẻ (hay tài nguyên), chúng ta nói rằng tiến
ìhđó đ iề ă ủ ótrình đó đang trong miền găng của nó.
 Việc thực thi các miền găng phải có tính duy nhất: tại
bấtkỳ thời điểm nào chỉ có duy nhấtmộttiếntrìnhbất kỳ thời điểm nào, chỉ có duy nhất một tiến trình

được quyền thực thi trong miền găng của nó (ngay cả
với nhiều bộ xử lý).
 Vì vậy mỗi tiến trình phải yêu cầu quyền trước khi
vào miền găng.
7
Ngữ cảnh miền găng
 Đoạn mã thể hiện yêu cầu này được gọi làEntry
Section
(ES).()
 Miền găng (CS) có thể theo sau là Leave/Exit
Section (LS).Section (LS).
 Phần đoạn mã còn lại là Remainder Section (RS).
 Vấn đề củamiềngăng là thiếtkế mộtgiaothứcmà Vấn đề của miền găng là thiết kế một giao thức mà
các tiến trình có thể sử dụng để hành động của chúng
sẽ không phụ thuộcvàothứ tự mà sự thi hành củasẽ không phụ thuộc vào thứ tự mà sự thi hành của
chúng được chen vào.
8
Giải pháp cho vấn đề miền găng
 Có 3 yêu cầu mà một giải pháp đúng cần phải thỏa
mãn:
ế1. Mutual Exclusion: không có 2 tiến trình cùng ở
trong miền găng một lúc
2 PMộttiế tìhbê ài iề ă2. Progress: Một tiến trình bên ngoài miền găng
không được ngăn cản các tiến trình khác vào
mi
ền găngg g
3. Bounded Waiting: không có tiến trình nào phải
chờ vô hạn để vào miền găng
 Chỉ cần một trong ba điều kiện trên sai thì giải
há đ là i

9
pháp đưa ra là sai.
Cấu trúc của các tiến trình
 Cấu trúc tổng quát của tiến trình P
i
(P
j
)
do
{{
entry section
critical section
leave section
remainder section
} hil (1)} while (1);
 Lưu ý: Các tiến trình có thể chia sẻ các biến dùng
chung để đồng bộ hóa hoạt động của chúngchung để đồng bộ hóa hoạt động của chúng.
10
Phân loại các giải pháp cho CS
 Giaûi phaùp busy-waiting

Alg. 1 & 2, Peterson, Dekker, Bakery, g y

TSL, Interrupt
 Giaûi phaùp sleep and wake-up

Semaphore

Monitor
11

Giải thuật 1
 Biến chia sẻ

int turn; /* khởi đầu turn = 0 */
á i đhùøii l i

nếu turn = i  P
i
được phép vào critical section
 Process P
i
do {do {
while (turn != i) ;
critical section
();()
turn = j;
remainder section();
i(1)} while (1);

Thoả mãn mutual exclusion (1)
12
Thoa man mutual exclusion (1)
 Progress (2) & bounded-waiting (3) ?
Giải thuật 1
Process P0:
do
Process P1:
do
do
while(turn !=0 );

Critical_Section();
turn=1
;
do
while(turn!=1);
Critical_Section();
turn=0
;
;
Remainder_Section();
while (1);
;
Remainder_Section();
while (1);
Ví dụ: P0 có RS rất lớn và P1 có RS nhỏ.
Nếu turn=0 P0 đươc vàoCSvà sau đó thưc thi vùng RS (turn=1)Neu turn=0, P0 được vao CS va sau đo thực thi vung RS (turn=1).
Đến P1 vào CS và sau đó thực thi RS (turn=0) và tìm cách vào CS một lần
õ h â à bò ø h ái !!! P1 hûi høP0 !!!
13
nữa nhưng yêu cầu bò từ chối !!! P1 phải chờ P0 !!!.
Giải thuật 2
 Biến chia sẻ

boolean flag[2]; /* khởi đầu flag [0] = flag [1] = false. */
Ná fl [i] t P üø øiil i

Nếu flag [i] = true  P
i
sẵn sàng vào critical section
 Process P

i
ocess
i
do {
flag[i] = true;
iwhile (flag[j]) ;
Critical_Section();
flag [i] = false;ag [ ] a se;
Remainder_Section();
} while (1);
14
Giải thuật 3 (Peterson)
 Biến chia sẻ: kết hợp cả giải thuật 1 và 2.
 Process P
i
do {
flag [i]= true;
turn = j;
while (flag [j] and turn == j) ;(g[j] j);
Critical_Section();
flag [i] = false;
Remainder_Section();
} while (1);
15
Giải thuật Bakery: N process
 Trước khi vào CS, process Pi nhận một con số. Process nào giữ
con số nhỏ nhất thì được vào CS
 Trường hợp Pi và Pj cùng nhận được một chỉ số:

Nếui<jthìPiđươcvàotrước ngươc lai Pj đươc vào


Neu i < j thì Pi được vao trươc, ngược lại Pj được vao
trước.
 Khi ra khỏi CS, Pi đặt lại số của mình bằng 0
áá á á á 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...
16
Lệnh TSL (Test-and-Set Lock)
 Kiểm tra và cập nhật một biến trong một thao tác đơn
(atomic)
bool TestandSet(bool &target)
{
n
Shared data:
bool lock = false;
{
bool rv = target;
target = true;
n
Process P
i
while (1)
{
return rv;
}
{
while (TestandSet(lock)) ;
Critical_Section;
lock = false;
Remainder_Section;

}
17
}
Semaphores
 Là một công cụ đồng bộ hóa được cung cấp bởi
HĐH không đòi hỏi “busy waiting”.
ế Một semaphore S là một biến nguyên mà ngoài lệnh
khởi tạo ra, chỉ có thể được truy xuất thông qua hai
thao tác độc quyềntruyxuất và nguyên tố:thao tác độc quyền truy xuất và nguyên tố:

wait(S)

signal(S)signal(S)
18
Semaphores
 Truy cập với 2 thao tác
wai
t (S): ( )
while S 0 do no-op;
S--;
signal (S):
S++;
Để t á h “b iti ” khi ộttiế tì h hải đ ióẽ Để tránh “busy waiting”: khi một tiến trình phải đợi, nó sẽ
được đặt vào hàng đợi block.
 Khi một tiến trình phải đợi một semaphore S, nó sẽ bị block ộ p ợ ộ p, ị
và đặt vào hàng đợi của semaphore tương ứng.
 Thao tác signal lấy một tiến trình từ trong hàng đợi và đặt nó
àt d háhátiế tì hở t thái ẵ à
19
vào trong danh sách các tiến trình ở trạng thái sẵn sàng.

Semaphores
 Định nghĩa cấu trúc:
typedef struct {typedef struct {
int value;
struct
process *L;p;
} semaphore;
 Giả sử có 2 thao tác cơ bản:

Block tạm cho tiến trình chờ.

wakeup(P) khôi phục lại sự thi hành của tiến trình bị
bl kblock P.
20
Semaphores
wait(S):
S.value--;
if (S.value < 0) {
add this process to S.L;
bl kblock;
}
signal(S):signal(S):
S.value++;
if (S.value <= 0){if (S.value 0) {
remove a process P from S.L;
wakeup(P);
21
}
Vấn đề deadlock trong hệ thống


Tình huống:
một tập các process bò blocked, mỗi process giữ tài
nguyên và đang chờ tài nguyên mà process khác trong tập đang
giữ.g

Ví dụ 1
– Giả sử hệ thống có 2 file trênđóa.Gia sư hệ thong co 2 file tren đóa.
– P1 và P2 mỗi process đang mở một file và yêu cầu mở file kia.

Ví du 2

Ví dụ 2
– Semaphore A và B, khởi tạo bằng 1
P0 P1
wait (A); wait(B);wait (A); wait(B);
wait (B); wait(A);
-8.22-
Mô hình hóa hệ thống

Hệ thống gồm các loại
tài nguyên
, kí hiệu
R
1
,
R
2
,…,
R
m

, bao
gồm:
– CPU cycle, không gian bộ nhớ, thiết bò I/O, file, semaphore,…C U cyc e, o g g a bộ ơ, t et bò /O, e, se ap o e,
•
Mỗi loại tài nguyên
R
i
có
W
i
thực thể (instance).

Process thường sử dung tài nguyên theo thứ tư sau

Process thương sư dụng tai nguyen theo thư tự sau
–
Yêu cầu
(request): process phải chờ nếu yêu cầu không được đáp
ứng ngay
–
Sử dung
(use): process sử dung tài nguyên
Sư dụng
(use): process sư dụng tai nguyen
–
Hoàn trả
(release): process hoàn trả tài nguyên

Cáctácvuyêucầu (request) và hoàntrả (release) đềulà


Cac tac vụ yeu cau (request) va hoan tra (release) đeu la
system call. Ví dụ
– request/release device
– open/close file
-8.23-
– open/close file
– allocate/free memory
– wait/signal
Điều kiện cần để xảy ra deadlock
Bốn điều kiện cần (necessary condition) để xảy ra
deadlock
1. Mutual exclusion:
ít nhất một tài nguyên được giữ
theo nonsharable modetheo nonsharable mode.
2. Hold and wait:
một process đang giữ ít nhất một tài pgg
nguyên và đợi thêm tài nguyên do quá trình khác
đang giữ.
-8.24-
Điều kiện cần để xảy ra deadlock (tt)
3. No preemption:
tài nguyên không thể bò lấy lại, mà
chỉ có thể được trả lại từ process đang giữ tài
nguyênđó khi nó muốnnguyen đo khi no muon.
4 Circular wait:
tồn tai một chu trình củacácyêucầu
4. Circular wait:
ton tại một chu trình cua cac yeu cau
tài nguyên và tài nguyên đã được cấp phát.
P

P
2
P
1
P
2
-8.25-