Post on 11-Dec-2020
Pertemuan 5
Concurrency: Mutual Exclusion &
SynchronizationH u s n i
Lab. Sistem Komputer & JaringanTeknik Informatika Univ. Trunojoyo
Sistem Operasi 2009
2
Ikhtisar
• Prinsip Mendasar dari Concurrency– Mutual Exclusion: Dukungan Hardware– Semaphore– Monitor– Message Passing– Masalah Readers/Writers
3
Banyak Proses
• Sentral bagi perancangan SO modern adalah pengelolaan banyak proses– Multiprogramming– Multiprocessing– Distributed Processing
• Isu besarnya adalah Concurrency – Mengelola interaksi dari semua proses
4
Concurrency
Concurrency hadir pada:• Banyak aplikasi
– Waktu sharing
• Aplikasi terstruktur– Ekstensi dari rancangan modular
• Struktur sistem operasi– SO sendiri diimplementasikan sebagai
sekumpulan proses atau thread
5
Istilah Penting
6
Proses Interleaving & Overlapping
• Telah diketahui bahwa proses dapat diinterleave pada uniprocessor
7
Proses Interleaving & Overlapping
• Pada multi-processor, juga dapat overlapping
8
Kesulitan Concurrency
• Sharing sumber daya global– Penulisan suatu shared variable: urutan
penulisan sangat penting– Masalah besar adalah penulisan tidak
lengkap
• Pengelolaan alokasi resource secara optimal
• Sulit menemukan error pemrograman karena hasilnya bersifat tidak deterministic and reproducible.
9
Contoh Sederhana
void echo(){
chin = getchar();chout = chin;putchar(chout);
}
10
Contoh pada Multiprocessor
Proses P1 Proses P2. .
chin = getchar(); .. chin = getchar();
chout = chin; chout = chin;putchar(chout); .
. putchar(chout);
. .
11
Menerapkan Akses Tunggal
• Jika diterapkan suatu aturan yang hanya satu proses dapat memasuki fungsi tersebut pada suatu waktu, maka:
• P1 & P2 berjalan pada processor berbeda• P1 memasukkan echo lebih dahulu,
– P2 mencoba masuk tetapi diblok – P2 suspend
• P1 melengkapi eksekusi– P2 me-resume & mengeksekusi echo
12
Kondisi Race
• Race condition terjadi ketika – Banyak proses atau thread membaca &
menulis item data – Hasil akhir dari aktifitas baca & tulis tersebut
tergantung pada urutan eksekusi dari proses-yang terlibat.
• Output tergantung pada siapa yang terakhir menyelesaikan race.
13
Fokus SO
• Isu desain dan manajemen yang muncul karena adanya concurrency?
• SO harus – Menjaga track dari berbagai proses– Meng-alokasi-kan dan men-dealokasi-kan
sumber daya– Melindungi data & resource dari gangguan
proses lain– Memastikan bahwa proses & output terbebas
dari kecepatan pemrosesan
14
Interaksi Proses
15
Kompetisi Antar Proses (Resources)
Ada tiga masalah kendali utama:• Kebutuhan Mutual Exclusion
– Critical section (bagian kritis dari proses)
• Deadlock• Starvation
16
Syarat Mutual Exclusion (2)
• Hanya satu proses pada satu waktu yang dibolehkan ada dalam critical section bagi suatu resource
• Proses yang berhenti pada noncritical section-nya harus melakukan demikian tanpa gangguan dengan proses lain
• Tidak ada deadlock atau starvation
17
Syarat Mutual Exclusion (2)
• Proses harus tidak didelay akses ke suatu critical section saat tidak ada proses lain yang menggunakannya
• Tidak ada asumsi mengenai kecepatan proses relatif atau jumlah proses
• Proses tetap di dalam critical section-nya hanya selama waktu terbatas tertentu (finite)
18
Mutual Exclusion (Disabling Interrupts)
• Uniprocessor hanya membolehkan interleaving
• Interrupt Disabling– Proses berjalan sampai ia meng-invoke suatu
layanan SO atau sampai ia diinterupsi– Disabling interrupts menjamin terwujudnya
mutual exclusion– Tidak akan bekerja pada arsitektur
multiprocessor
19
Pseudo-Code
while (true) {/* disable interrupts */;/* critical section */;/* enable interrupts */;/* remainder */;
}
20
Instruksi Mesin Khusus
• Instruksi Compare & Swap – Juga disebut “compare and exchange
instruction”
• Intruksi exchange
21
Instruksi Compare&Swap
int compare_and_swap (int *word, int testval, int newval){
int oldval;oldval = *word;if (oldval == testval) *word = newval;return oldval;
}
22
Mutual Exclusion (gambar 5.2)
23
Instruksi Exchange
void exchange (int register, int memory){
int temp;temp = memory;memory = register;register = temp;
}
24
Instruksi Exchange (gambar 5.2)
25
Keuntungan Mutual Exclusion Hardware
• Dapat diterapkan terhadap banyak proses pada processor tunggal atau multi processor yang berbagi (sharing) main memory
• Simple, karena itu mudah diwujudkan• Dapat digunakan untuk mendukung
banyak critical section
26
Kerugian Mutual Exclusion Hardware
• Busy-waiting mengkonsumsi waktu processor
• Starvation mungkin ketika suatu proses meninggalkan critical section dan lebih dari satu proses menunggu (waiting). – Beberapa proses dapat ditolak aksenya
dalam waktu tak terbatas.
• Deadlock juga mungkin
27
Semaphore
• Semaphore: – Suatu nilai integer (bilangan bulat) yang
digunakan untuk pensinyalan (signalling) antar proses.
• Hanya tiga operasi dapat dikerjakan pada suatu semaphore, semuanya bersifat atomik: – initialize
– Decrement (semWait)
– increment (semSignal)
28
Primitif Semaphore
29
Primitif Semaphore Biner
30
Semaphore Kuat & Lemah
• Antrian (queue) digunakan untuk menangani proses yang menunggu (waiting) pada semaphore– Dalam urutan bagaimana proses dihapus dari
antrian?
• Semaphore Kuat menggunakan FIFO• Semaphore Lemah tidak menentukan
urutan penghapusan dari antrian
31
Contoh Mekanisme Semaphore Kuat
32
Contoh Mekanisme Semaphore
33
MutEx Menggunakan Semaphore
34
Proses Menggunakan Semaphore
35
Masalah Producer-Consumer
• Situasi Umum:– Satu atau lebih producer membangkitkan data &
menempatkannya dalam suatu buffer– Consumer tunggal mengambil item keluar buffer satu
pada satu waktu– Hanya satu producer atau consumer yang boleh
mengakses buffer pada satu waktu
• Masalahnya:– Pastikan bahwa Producer tidak dapat menambahkan
data ke dalam buffer yang penuh & comsumer tidak dapat menghapus data dari buffer kosong
Producer/Consumer Animation
36
Fungsi
Producer Consumer
while (true) { /* produce item v */ b[in] = v; in++; }
while (true) { while (in <= out) /*do nothing */; w = b[out]; out++; /* consume item w */}
• Anggap suatu buffer tak terbatas b dengan suatu array linier elemen
37
Buffer
38
Solusi SALAH
39
Scenario yang Mungkin
40
Solusi BENAR
41
Semaphore
42
Buffer Terbatas
43
Semaphore
44
Fungsi dalam Bounded Buffer
Producer Consumer
while (true) {/* produce item v */while ((in + 1) % n == out)
/* do nothing */;b[in] = v;in = (in + 1) % n}
while (true) {while (in == out)
/* do nothing */;
w = b[out];out = (out + 1) % n;/* consume item w */
}
45
Demo Animasi
• Producer/Consumer – Ilustrasi operasi buffer producer-consumer.
• Bounded-Buffer Problem Using Semaphores– Demontrasi masalah consumer/producer buffer
terbatas menggunakan semaphore.
46
Monitor
• Monitor merupakan suatu konsepsi bahasa pemrograman yang menyediakan fungsi sama dengan semaphore & lebih mudah dikontrol.
• Diimplementasikan dalam sejumlah bahasa pemrograman, termasuk– Concurrent Pascal, Pascal-Plus,– Modula-2, Modula-3, dan Java.
47
Karakteristik Utama
• Variabel data lokal hanya dapat diakses oleh monitor
• Proses memasuki monitor dengan menjalankan salah satu prosedurnya
• Hanya satu proses yang boleh berjalan (executing) dalam monitor pada satu waktu
48
Sinkronisasi
• Synchronisation dicapai dengan variabel kondisi dalam suatu monitor – Hanya dapat diakses oleh monitor.
• Fungsi monitor:
–Cwait(c): Men-suspend eksekusi dari proses yang memanggil pada kondisi c
–Csignal(c) Me-resume eksekusi dari beberapa proses yang diblok setelah cwait pada kondisi yang sama
49
Struktur Monitor
50
Solusi Buffer Terbatas Menggunakan Monitor
51
Solusi Menggunakan Monitor
52
Monitor Buffer Terbatas
53
Interaksi Proses
• Ketika proses berinteraksi satu dengan lainnya, dua syarat fundamental harus terpenuhi: – Sinkronisasi, dan – komunikasi.
• Message Passing adalah (satu) solusi untuk syarat kedua– Bonus: bekerja dengan shared memory &
dengan sistem terdistribusi.
54
Message Passing
• Fungsi aktual dari message passing normalnya disediakan dalam bentuk pasangan primitif:– send (destination, message)– receive (source, message)
55
Synchronization
• Komunikasi memerlukan sinkronisasi– Sender (pengirim) harus mengirim sebelum
receiver (penerima) dapat menerima
• Apa yang terjadi terhadap proses setelah ia menjalankan primitif send atau receive?– Sender & receiver mungkin (bisa pula tidak)
menjadi blocking (waiting for message)
56
Blocking send, Blocking receive
• Sender & receiver diblok sampai message tersampaikan (delivered)
• Dikenal sebagai rendezvous• Menmungkinkan sinkronisasi ketat (tight)
antar proses.
57
Non-blocking Send
• Lebih alami bagi banyak tugas pemrograman concurrent.
• Nonblocking send, blocking receive– Sender terus jalan– Receiver diblok sampai message yang
diminta tiba
• Nonblocking send, nonblocking receive– Tidak ada pihak yang harus menunggu
58
Pengalamatan
• Proses pengiriman perlu mampu menentukan proses mana yang sebaiknya menerima message– Direct addressing (langsung)– Indirect Addressing (tidak langsung)
59
Pengalamatan Langsung
• Primitif send menyertakan suatu pengenal (identifier) khusus dari proses tujuan
• Primitif receive segera dapat mengetahui proses mana yang menjadi tujuan message
• Primitif receive dapat memanfaatkan parameter source untuk mengembalikan suatu nilai ketika operasi receive selesai dikerjakan.
60
Pengalamatan Tak Langsung
• Message dikirim ke suatu struktur shared data yang mengandung antrian (queues)
• Queues disebut pula mailboxes• Satu proses mengirimkan suatu message
ke mailbox & proses lain mengambil message dari mailbox tersebut
61
Komunikasi Proses Tak Langsung
62
Format Message Umum
63
MutEx Menggunakan Message
64
Message Producer-Consumer
65
Masalah Readers-Writers
• Suatu area data dishare antar banyak proses– Beberapa proses hanya membaca area data,
beberapa hanya menulis ke area tersebut.
• Kondisi untuk dicapai:1.Banyak readers boleh membaca file at once.2.Hanya satu writer pada satu waktu yang
dapat menulis3.Jika suatu writer sedang menulis ke file, maka
tidak ada reader yang dapat membacanyainteraction of readers and writers.
66
Readers Dengan Prioritas
67
Writers dengan Priority
68
Writers Dengan Prioritas
69
Message Passing
70
Message Passing
71
Tugas Pertemuan 5
• Kerjakan problem 5.1 & 5.2!• Jelaskan definisi dari Proses, Thread,
Mutual Exclution, Race Condition, Sinkronisasi, Deadlock, Starvation, Monitor, dan Semaphore!
• Uraikan implementasi sinkronisasi & mutual exclusion di Windows & Linux!