busy waiting là gì?

I.1.1. Sử dụng các biến cờ hiệu:

Tiếp cân : các tiến trình chia sẻ một biến chung đóng vai trò «chốt cửa» (lock) , biến này được khởi động là 0. Một tiến trình muốn vào miền găng trước tiên phải kiểm tra giá trị của biến lock. Nếu lock = 0, tiến trình đặt lại giá trị cho lock = 1 và đi vào miền găng. Nếu lock đang nhận giá trị 1, tiến trình phải chờ bên ngoài miền găng cho đến khi lock có giá trị 0. Như vậy giá trị 0 của lock mang ý nghĩa là không có tiến trình nào đang ở trong miền găng, và lock=1 khi có một tiến trình đang ở trong miền găng.

while (TRUE) {

while (lock == 1); // wait
lock = 1;
critical-section ();
lock = 0;
Noncritical-section ();

}

Hình 3.5 Cấu trúc một chương trình sử dụng biến khóa để đồng bộ

Thảo luận : Giải pháp này có thể vi phạm điều kiện thứ nhất: hai tiến trình có thể cùng ở trong miền găng tại một thời điểm. Giả sử một tiến trình nhận thấy lock = 0 và chuẩn bị vào miền găng, nhưng trước khi nó có thể đặt lại giá trị cho lock là 1, nó bị tạm dừng để một tiến trình khác hoạt động. Tiến trình thứ hai này thấy lock vẫn là 0 thì vào miền găng và đặt lại lock = 1. Sau đó tiến trình thứ nhất được tái kích hoạt, nó gán lock = 1 lần nữa rồi vaò miền găng. Như vậy tại thời điểm đó cả hai tiến trình đều ở trong miền găng.

I.1.2. Sử dụng việc kiểm tra luân phiên :

Tiếp cận : Đây là một giải pháp đề nghị cho hai tiến trình. Hai tiến trình này sử dụng chung biến turn (phản ánh phiên tiến trình nào được vào miền găng), được khởi động với giá trị 0. Nếu turn = 0, tiến trình A được vào miền găng. Nếu turn = 1, tiến trình A đi vào một vòng lặp chờ đến khi turn nhận giá trị 0. Khi tiến trình A rời khỏi miền găng, nó đặt giá trị turn về 1 để cho phép tiến trình B đi vào miền găng.

while (TRUE) {

while (turn!= 0); // wait
critical-section ();
turn = 1;
Noncritical-section ();

}

(a) Cấu trúc tiến trình A

while (TRUE) {

while (turn!= 1); // wait
critical-section ();
turn = 0;
Noncritical-section ();

}

(b) Cấu trúc tiến trình B

Hình 3.6 Cấu trúc các tiến trình trong giải pháp kiểm tra luân phiên

Thảo luận: Giải pháp này dựa trên việc thực hiện sự kiểm tra nghiêm nhặt đến lượt tiến trình nào được vào miền găng. Do đó nó có thể ngăn chặn được tình trạng hai tiến trình cùng vào miền găng, nhưng lại có thể vi phạm điều kiện thứ ba: một tiến trình có thể bị ngăn chặn vào miền găng bởi một tiến trình khác không ở trong miền găng. Giả sử tiến trình B ra khỏi miền găng rất nhanh chóng. Cả hai tiến trình đều ở ngoài miền găng, và turn = 0. Tiến trình A vào miền găng và ra khỏi nhanh chóng, đặt lại giá trị của turn là1, rồi lại xử lý đoạn lệnh ngoài miền găng lần nữa. Sau đó, tiến trình A lại kết thúc nhanh chóng đoạn lệnh ngoài miền găng của nó và muốn vào miền găng một lần nữa. Tuy nhiên lúc này B vẫn còn mãi xử lý đoạn lệnh ngoài miền găng của mình, và turn lại mang giá trị 1! Như vậy, giải pháp này không có giá trị khi có sự khác biệt lớn về tốc độ thực hiện của hai tiến trình, nó vi phạm cả điều kiện thứ hai.

I.1.3. Giải pháp của Peterson

Tiếp cận : Petson đưa ra một giải pháp kết hợp ý tưởng của cả hai giải pháp kể trên. Các tiến trình chia sẻ hai biến chung :

int turn; // đến phiên ai

int interesse[2]; // khởi động là FALSE

Nếu interesse[i] = TRUE có nghĩa là tiến trình Pi muốn vào miền găng. Khởi đầu, interesse[0]=interesse[1]=FALSE và giá trị của est được khởi động là 0 hay 1. Để có thể vào được miền găng, trước tiên tiến trình Pi đặt giá trị interesse[i]=TRUE ( xác định rằng tiến trình muốn vào miền găng), sau đó đặt turn=j (đề nghị thử tiến trình khác vào miền găng). Nếu tiến trình Pj không quan tâm đến việc vào miền găng (interesse[j]=FALSE), thì Pi có thể vào miền găng, nếu không, Pi phải chờ đến khi interesse[j]=FALSE. Khi tiến trình Pi rời khỏi miền găng, nó đặt lại giá trị cho interesse[i]= FALSE.

while (TRUE) {

int j = 1-i; // j là tiến trình còn lại
interesse[i]= TRUE;
turn = j;
while (turn== j && interesse[j]==TRUE);
critical-section ();
interesse[i] = FALSE;
Noncritical-section ();

}

Hình 3.7 Cấu trúc tiến trình Pi trong giải pháp Peterson

Thảo luận: giải pháp này ngăn chặn được tình trạng mâu thuẫn truy xuất : mỗi tiến trình Pi chỉ có thể vào miền găng khi interesse[j]=FALSE hoặc turn = i. Nếu cả hai tiến trình đều muốn vào miền găng thì interesse[i] = interesse[j] =TRUE nhưng giá trị của turn chỉ có thể hoặc là 0 hoặc là 1, do vậy chỉ có một tiến trình được vào miền găng.

I.2. Các giải pháp phần cứng

I.2.1. Cấm ngắt:

Tiếp cân: cho phép tiến trình cấm tất cả các ngắt trước khi vào miền găng, và phục hồi ngắt khi ra khỏi miền găng. Khi đó, ngắt đồng hồ cũng không xảy ra, do vậy hệ thống không thể tạm dừng hoạt động của tiến trình đang xử lý để cấp phát CPU cho tiến trình khác, nhờ đó tiến trình hiện hành yên tâm thao tác trên miền găng mà không sợ bị tiến trình nào khác tranh chấp.

Thảo luận: giải pháp này không được ưa chuộng vì rất thiếu thận trọng khi cho phép tiến trình người dùng được phép thực hiện lệnh cấm ngắt. Hơn nữa, nếu hệ thống có nhiều bộ xử lý, lệnh cấm ngắt chỉ có tác dụng trên bộ xử lý đang xử lý tiến trình, còn các tiến trình hoạt động trên các bộ xử lý khác vẫn có thể truy xuất đến miền găng!

I.2.2. Chỉ thị TSL (Test-and-Set):

Tiếp cận: đây là một giải pháp đòi hỏi sự trợ giúp của cơ chế phần cứng. Nhiều máy tính cung cấp một chỉ thị đặc biệt cho phép kiểm tra và cập nhật nội dung một vùng nhớ trong một thao tác không thể phân chia, gọi là chỉ thị Test-and-Set Lock (TSL) và được định nghĩa như sau:

Test-and-Setlock(boolean target)
{

Test-and-Setlock = target;
target = TRUE;

}

Nếu có hai chỉ thị TSL xử lý đồng thời (trên hai bộ xử lý khác nhau), chúng sẽ được xử lý tuần tự . Có thể cài đặt giải pháp truy xuất độc quyền với TSL bằng cách sử dụng thêm một biến lock, được khởi gán là FALSE. Tiến trình phải kiểm tra giá trị của biến lock trước khi vào miền găng, nếu lock = FALSE, tiến trình có thể vào miền găng.

while (TRUE) {

while (Test-and-Setlock(lock));
critical-section ();
lock = FALSE;
Noncritical-section ();

}

Hình 3.8 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp TSL

Thảo luận : cũng giống như các giải pháp phần cứng khác, chỉ thị TSL giảm nhẹ công việc lập trình để giải quyết vấn để, nhưng lại không dễ dàng để cài đặt chỉ thị TSL sao cho được xử lý một cách không thể phân chia, nhất là trên máy với cấu hình nhiều bộ xử lý.

int busy; // 1 nếu miền găng đang bị chiếm, nếu không là 0 int blocked; // đếm số lượng tiến trình đang bị khóa while (TRUE) {

if (busy){
blocked = blocked + 1;
sleep();
}
else busy = 1;
critical-section ();

busy = 0;
if(blocked){
wakeup(process);
blocked = blocked - 1;
}

Noncritical-section ();

}

II.1. Semaphore

Tiếp cận: Được Dijkstra đề xuất vào 1965, một semaphore s là một biến có các thuộc tính sau:

Một giá trị nguyên dương e(s)

Một hàng đợi f(s) lưu danh sách các tiến trình đang bị khóa (chờ) trên semaphore s

Chỉ có hai thao tác được định nghĩa trên semaphore

Down(s): giảm giá trị của semaphore s đi 1 đơn vị nếu semaphore có trị e(s) > 0, và tiếp tục xử lý. Ngược lại, nếu e(s) £ 0, tiến trình phải chờ đến khi e(s) >0.
Up(s): tăng giá trị của semaphore s lên 1 đơn vị. Nếu có một hoặc nhiều tiến trình đang chờ trên semaphore s, bị khóa bởi thao tác Down, thì hệ thống sẽ chọn một trong các tiến trình này để kết thúc thao tác Down và cho tiếp tục xử lý.

Hình 3.10 Semaphore s

Cài đặt: Gọi p là tiến trình thực hiện thao tác Down(s) hay Up(s).

Down(s):

e(s) = e(s) - 1;

if e(s) < 0 {

status(P)= blocked;

enter(P,f(s));

}

Up(s):

e(s) = e(s) + 1;

if s £ 0 {

exit(Q,f(s)); //Q là tiến trình đang chờ trên s

status (Q) = ready;

enter(Q,ready-list);

}

Lưu ý cài đặt này có thể đưa đến một giá trị âm cho semaphore, khi đó trị tuyệt đối của semaphore cho biết số tiến trình đang chờ trên semaphore.

Điều quan trọng là các thao tác này cần thực hiện một cách không bị phân chia, không bị ngắt nữa chừng, có nghĩa là không một tiến trình nào được phép truy xuất đến semaphore nếu tiến trình đang thao tác trên semaphore này chưa kết thúc xử lý hay chuyển sang trạng thái blocked.

Sử dụng: có thể dùng semaphore để giải quyết vấn đề truy xuất độc quyền hay tổ chức phối hợp giữa các tiến trình.

Tổ chức truy xuất độc quyền với Semaphores: khái niệm semaphore cho phép bảo đảm nhiều tiến trình cùng truy xuất đến miền găng mà không có sự mâu thuẫn truy xuất. n tiến trình cùng sử dụng một semaphore s, e(s) được khởi gán là 1. Để thực hiện đồng bộ hóa, tất cả các tiến trình cần phải áp dụng cùng cấu trúc chương trình sau đây:

while (TRUE) {

Down(s)

critical-section ();

Up(s)

Noncritical-section ();

}

Hình 3.11 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp semaphore

Tổ chức đồng bộ hóa với Semaphores: với semaphore có thể đồng bộ hóa hoạt động của hai tiến trình trong tình huống một tiến trình phải đợi một tiến trình khác hoàn tất thao tác nào đó mới có thể bắt đầu hay tiếp tục xử lý. Hai tiến trình chia sẻ một semaphore s, khởi gán e(s) là 0. Cả hai tiến trình có cấu trúc như sau:

P1:

while (TRUE) {

job1();
Up(s); //đánh thức P2

}

P2:

while (TRUE) {

Down(s); // chờ P1
job2();

}

Hình 3.12 Cấu trúc chương trình trong giải pháp semaphore

Thảo luận : Nhờ có thực hiện một các không thể phân chia, semaphore đã giải quyết được vấn đề tín hiệu "đánh thức" bị thất lạc. Tuy nhiên, nếu lập trình viên vô tình đặt các primitive Down và Up sai vị trí, thứ tự trong chương trình, thì tiến trình có thể bị khóa vĩnh viễn.

Ví dụ: while (TRUE) {

Down(s)
critical-section ();
Noncritical-section ();

}

tiến trình trên đây quên gọi Up(s), và kết quả là khi ra khỏi miền găng nó sẽ không cho tiến trình khác vào miền găng!

Vì thế việc sử dụng đúng cách semaphore để đồng bộ hóa phụ thuộc hoàn toàn vào lập trình viên và đòi hỏi lập trình viên phải hết sức thận trọng.

II.2. Monitors

Tiếp cận: Để có thể dễ viết đúng các chương trình đồng bộ hóa hơn, Hoare(1974) và Brinch & Hansen (1975) đã đề nghị một cơ chế cao hơn được cung cấp bởi ngôn ngữ lập trình , là monitor. Monitor là một cấu trúc đặc biệt bao gồm các thủ tục, các biến và cấu trúc dữ liệu có các thuộc tính sau :

Các biến và cấu trúc dữ liệu bên trong monitor chỉ có thể được thao tác bởi các thủ tục định nghĩa bên trong monitor đó. (encapsulation).

Tại một thời điểm, chỉ có một tiến trình duy nhất được hoạt động bên trong một monitor (mutual exclusive).

Trong một monitor, có thể định nghĩa các biến điều kiện và hai thao tác kèm theo là Wait và Signal như sau: gọi c là biến điều kiện được định nghĩa trong monitor:

Wait(c): chuyển trạng thái tiến trình gọi sang blocked , và đặt tiến trình này vào hàng đợi trên biến điều kiện c.

Signal(c): nếu có một tiến trình đang bị khóa trong hàng đợi của c, tái kích hoạt tiến trình đó, và tiến trình gọi sẽ rời khỏi monitor.

Hình 3.13 Monitor và các biến điều kiện

Cài đặt : trình biên dịch chịu trách nhiệm thực hiện việc truy xuất độc quyền đến dữ liệu trong monitor. Để thực hiện điều này, một semaphore nhị phân thường được sử dụng. Mỗi monitor có một hàng đợi toàn cục lưu các tiến trình đang chờ được vào monitor, ngoài ra, mỗi biến điều kiện c cũng gắn với một hàng đợi f(c) và hai thao tác trên đó được định nghĩa như sau:

Wait(c) :

status(P)= blocked;
enter(P,f(c));

Signal(c) :

if (f(c)!= NULL){

exit(Q,f(c)); //Q là tiến trình chờ trên c
statusQ) = ready;
enter(Q,ready-list);

}

Sử dụng: Với mỗi nhóm tài nguyên cần chia sẻ, có thể định nghĩa một monitor trong đó đặc tả tất cả các thao tác trên tài nguyên này với một số điều kiện nào đó.:

monitor condition điều kiện>; ; procedure Action1(); { } .... procedure Actionn(); { } end monitor;

Hình 3.14 Cấu trúc một monitor

Các tiến trình muốn sử dụng tài nguyên chung này chỉ có thể thao tác thông qua các thủ tục bên trong monitor được gắn kết với tài nguyên:

while (TRUE) {

Noncritical-section ();
.Actioni;//critical-section();
Noncritical-section ();

}

Hình 3.15 Cấu trúc tiến trình Pi trong giải pháp monitor

Thảo luận: Với monitor, việc truy xuất độc quyền được bảo đảm bởi trình biên dịch mà không do lập trình viên, do vậy nguy cơ thực hiện đồng bộ hóa sai giảm rất nhiều. Tuy nhiên giải pháp monitor đòi hỏi phải có một ngôn ngữ lập trình định nghĩa khái niệm monitor, và các ngôn ngữ như thế chưa có nhiều.

II.3. Trao đổi thông điệp

Tiếp cận: giải pháp này dựa trên cơ sở trao đổi thông điệp với hai primitive Send và Receive để thực hiện sự đồng bộ hóa:

Send(destination, message): gởi một thông điệp đến một tiến trình hay gởi vào hộp thư.

Receive(source,message): nhận một thông điệp thừ một tiến trình hay từ bất kỳ một tiến trình nào, tiến trình gọi sẽ chờ nếu không có thông điệp nào để nhận.

Sử dụng: Có nhiều cách thức để thực hiện việc truy xuất độc quyền bằng cơ chế trao đổi thông điệp. Đây là một mô hình đơn giản: một tiến trình kiểm soát việc sử dụng tài nguyên và nhiều tiến trình khác yêu cầu tài nguyên này. Tiến trình có yêu cầu tài nguyên sẽ gởi một thông điệp đến tiến trình kiểm soát và sau đó chuyển sang trạng thái blocked cho đến khi nhận được một thông điệp chấp nhận cho truy xuất từ tiến trình kiểm soát tài nguyên.Khi sử dụng xong tài nguyên , tiến trình gởi một thông điệp khác đến tiến trình kiểm soát để báo kết thúc truy xuất. Về phần tiến trình kiểm soát , khi nhận được thông điệp yêu cầu tài nguyên, nó sẽ chờ đến khi tài nguyên sẵn sàng để cấp phát thì gởi một thông điệp đến tiến trình đang bị khóa trên tài nguyên đó để đánh thức tiến trình này.

while (TRUE) {

Send(process controler,request message);
Receive(process controler,accept message);
critical-section ();
Send(process controler,end message);
Noncritical-section ();

}

Thảo luận: Các primitive semaphore và monitor có thể giải quyết được vấn đề truy xuất độc quyền trên các máy tính có một hoặc nhiều bộ xử lý chia sẻ một vùng nhớ chung. Nhưng các primitive không hữu dụng trong các hệ thống phân tán, khi mà mỗi bộ xử lý sỡ hữu một bộ nhớ riêng biệt và liên lạc thông qua mạng. Trong những hệ thống phân tán như thế, cơ chế trao đổi thông điệp tỏ ra hữu hiệu và được dùng để giải quyết bài toán đồng bộ hóa.