Sistem Operasi Komputer. Pertemuan VI Proses Sinkronisasi

Transkripsi

1 Sistem Operasi Komputer Pertemuan VI Proses Sinkronisasi Proses Sinkronisasi Latar belakang Critical section problem (low level synchronization) Sinkronisasi hardware Semaphores Problem klasik sinkronisasi Critical regions (high level synchronization) Monitors (high level synchronization) Sinkronisasi windows 2000 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 1

2 Latar belakang Konkurensi akses ke shared-data mungkin menyebabkan inkonsistensi data Perawatan konsistensi data memerlukan mekanisme untuk memastikan urutan eksekusi proses-proses yang bekerja sama Contoh: Solusi shared-memory untuk boundedbuffer, mengijinkan (n-1)items di dalam buffer untuk suatu waktu tertentu. Lihat slide tentang Proses (Pert. IV) Solusi untuk penggunaan nbuffer sulit diimplementasikan Modifikasi kode producer-consumer, dengan menambahkan variabel counter, diinisialisasi pada 0, dan dinaikkan setiap kali item baru masuk ke buffer Bounded-Buffer (1) Shared data #define BUFFER_SIZE 10 typedef struct {... item; item buffer[buffer_size]; int in = 0; int out = 0; int counter = 0; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 2

3 Bounded-Buffer (2) Producer process item nextproduced; while (1) { while (counter == BUFFER_SIZE) ; /* do nothing */ buffer[in] = nextproduced; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; counter ++; Bounded-Buffer (3) Consumer process item nextconsumed; while (1) { while (counter == 0) ; /* do nothing */ nextconsumed = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; counter --; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 3

4 Statement dalam counter ++; counter --; Bounded-Buffer (4) harus dieksekusi secara atomic. Berarti harus diselesaikan secara tuntas tanpa pada suatu proses tanpa interupsi/intervensi dari proses lainnya Bounded-Buffer (6) Statement count++ dapat diimplementasikan sebagai (dalam bahasa assembly): register1 = counter register1 = register1 + 1 counter = register1 Statement count-- dapat diimplementasikan sebagai: register2 = counter register2 = register2 1 counter = register2 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 4

5 Bounded-Buffer (7) Jika kedua proses produser dan konsumer berusaha untuk mengupdate buffer secara bersamaan (terjadi konkurensi), maka statement assembly akan memberikan interleaved (peralihan) Interleaving bergantung pada bagaimana proses consumer-produser dijadwalkan,apakah Pi atau Pj yang akan diberikan tempat pada CPU Bounded-Buffer (8) Anggap nilai awal counter5. Suatu contoh skema peralihan (interleaving), sebagai berikut: producer: register1 = counter(register1 = 5) producer: register1 = register1 + 1(register1 = 6) consumer: register2 = counter(register2 = 5) consumer: register2 = register2 1(register2 = 4) producer: counter = register1(counter = 6) consumer: counter = register2(counter = 4) Isi counter mungkin 6 atau 4, padahal nilai yang seharusnya adalah 5 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 5

6 Race condition Situasi dimana beberapa proses memasuki dan memanipulasi shared-data secara konkurensi Hasil akhir shared-data, bergantung pada urutan proses yang selesai terakhir Untuk menghindari race conditions, proses yang berkonkurensi harus disinkronisasikan (synchronized) Critical section problem (low level synchronization) Critical section adalah: bagian yang berisi sejumlah variabel yang akan di-share (dapat dipengaruhi dan mempengaruhi) proses yang lain Problem: Bagaimana untuk meyakinkan jika suatu proses sedang mengeksekusi critical section, tidak ada proses lain yang memasuki critical section yang sama pada saat yang bersamaan. Solusi harus memenuhi syarat: Mutual exclusion jika suatu proses sedang mengerjakan critical section, maka tidak boleh ada proses lain yang masuk critical section tersebut Progress jika tidak ada proses yang mengerjakan critical section dan ada beberapa proses yang akan masuk ke critical section, maka hanya prosesproses yang sedang berada pada entry-section saja yang boleh berkompetisi untuk mengerjakan critical section Bounded waiting besarnya waktu tunggu dari suatu proses yang akan masuk critical section, mulai dari meminta ijin hingga permintaan critical section dipenuhi. Suatu proses tidak boleh terlalu lama berada dalam critical section dan membiarkan proses lainnya menunggu Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 6

7 Usaha awal solusi critical section problem Struktur umum proses Pi (proses lainnya Pj) do{ entry section exit section while (true); critical section remainder section // Permohonan masuk critical // section Beberapa proses diijinkan share variabel untuk mengsinkronisasikan aksi-aksinya Solusi CS - Algoritma 1 (Variabel Turn) Shared variables: int turn; inisialisasi turn = 0 (atau 1) j = turn -i P j boleh memasuki CS Process P i do{ while (turn!=i) ; /* do nothing */ critical section turn = j; remainder section while (1); Memenuhi mutual exclusion, namun tidak memenuhi syarat progress, karena adanya ketidakluwesan penggunaan variabel turn. Contoh: jika turn = 0, maka Pj tidak dapat masuk CS walaupun ia berada pada entry section-nya. Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 7

8 Solusi CS Algoritma 2 (array Flag) Shared variables boolean flag [ ]; inisialisasi flag [ 0 ] = flag [ 1 ] = false. flag [ i ] = true P i siap untuk memasuki CS Process P i do { flag[ i ] := true; while (flag[ j ]); /* do nothing */ critical section flag [ i ] = false; remainder section while (1); Memenuhi mutual exclusion, namun tidak memenuhi persyaratan untuk progress, Pi dan Pj (proses lain) bisa berada pada keadaan looping bila keduanya terus bernilai true (tidak dapat ditentukan mana yang boleh masuk ke CS) Bergantung pada waktu pemrosesan timer CPU dapat digunakan, namun bahayanya keduanya bisa berada bersamaan pada CS, dan melanggar syarat mutual exclusion Solusi CS Algoritma 3 (turn dan flag) Kombinasi shared variabel: turn dan flag Process P i do{ flag [i]:= true; turn = j; turn bisa 1 atau 0 namun tidak keduanya (mutex) while (flag [ j ] and turn = j); /*do nothing */ critical section flag [ i ] = false; remainder section while (1); Karena Pi tidak mengubah nilai turn pada saat mengeksekusi while, Pi dapat memasuki CS (progress) setelah paling banyak satu Pj memasuki CS-nya (boundedwaiting) Memenuhi ketiga syarat, dapat digunakan efektif untuk sinkronisasi dua proses Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 8

9 Algoritma Bakery (antrian di tukang roti) banyak proses Critical section untuk n proses Sebelum memasuki CS, proses mendapat nomor urut. Yang mendapat nomor terkecil boleh memasuki CS Jika dua proses Pi dan Pj menerima nomor yang sama (i < j), maka Pi dilayani terlebih dahulu Skema penomoran selalu menggunakan nomor yang menaik, seperti1,2,3,3,3,3,4,5... Proses yang beroperasi di remainder section tidak dapat mencegah proses lain yang ingin masuk CS Notasi (#antrian, #proses_id) Algoritma Bakery (2) (a,b) < (c,d) jika a< cora= candb < d max (a 0,, a n-1 ) adalah, k, dimana k a i untuk i = 0,, n-1 Shared data boolean choosing[n]; int number[n]; Struktur data diinisialisasi dengan FALSE dan 0 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 9

10 Algoritma Bakery (3) do { choosing[ i ] = true; number[i] = max(number[0], number[1],, number [n 1]) + 1; choosing[ i ] = false; for (j = 0; j < n; j++) { while (choosing[ j ]) ; while ((number[ j ]!=0) && (number[ j ] < number[ i ])) ; critical section number[i] = 0; remainder section while (1); Sinkronisasi Hardware (test-and-set) Instruksi mesin untuk membantu implementasi mutual exclusion Test dan modifikasi isi dari word secara otomatis boolean TestAndSet(boolean &target) { boolean rv = target; target = true; return rv; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 10

11 Mutual exclusion dengan test-and-set Shared data: boolean lock = false; Process P i do { while (TestAndSet(lock)) ; critical section lock = false; remainder section Sinkronisasi hardware (swapping) Swap dua variabel secara atomik void Swap(boolean &a, boolean &b){ boolean temp = a; a = b; b = temp; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 11

12 Mutual exclusion dengan swap Shared data (inisialisasi dengan false): boolean lock; boolean waiting[n]; Process P i do { key = true; while (key == true) Swap(lock,key); critical section lock = false; remainder section Semaphores Alat sinkronisasi yang diupayakan tidak menyebabkan busy waiting (looping di dalam entry section, sementara ada proses yang berada di critical section) Semaphore S sebagai variabel integer Hanya dapat diakses melalui dua operasi atomik yang tidak terpisahkan wait(s): signal(s): S++; while S 0 do {nothing; S--; Catatan: Masih mungkin terjadi busy waiting Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 12

13 Critical section n proses Shared data: semaphore mutex; //inisialisasi mutex = 1 Process Pi: do { wait(mutex); critical section signal(mutex); remainder section while (1); Implementasi semaphore (1) Definisikan semaphore sebagai record typedef struct { int value; struct process *L; // daftar antrian proses semaphore; Andaikan dua operasi sederhana: block menghentikan proses yang memanggilnya wakeup( P )memulai kembali proses P yang diblok Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 13

14 Implementasi semaphore (2) Operasi semaphore sekarang dituliskan sebagai berikut (untuk menghindari spinlock, proses berputar pada saat menunggu lock): wait(s): S.value--; if (S.value <0) { add this process tos.l; block; Nilai absolut dari s.value menunjukkan jumlah proses yang sedang mengantri untuk mengakses critical section. signal(s): S.value++; if (S.value <=0) { remove a processp froms.l; wakeup(p); Semaphore sebagai alat sinkronisasi Eksekusi Bdalam P j hanya setelah Aselesai dieksekusi dalam P i Gunakan semaphore flag dengan inisialisasi 0 Skenario implementasi: P i M A signal(flag) P j M wait(flag) B Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 14

15 Rangkuman Sinkronisasi (Cooperating Process) Contoh Sinkronisasi: Shared Variable Teknik yang digunakan untuk untuk threads yang menggunakan ruang alamat memori yang sama. Hanya efektif jika informasi dapat dibagikan antara proses / threads, tanpa mempengaruhi hasil satu dengan yang lainnya. Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 15

16 Penggunaan Sinkronisasi (Resources Sharing) Bounded-Buffer Readers and Writers Dining-Philosophers P0 P1 wait (S) wait (Q) wait (Q) wait (S).... signal (S) signal(q) Sharing Resources: signal (Q) signal (S) dapat menyebabkan deadlock (Keadaan saling menunggu antara proses-proses yang ada, dimana event yang menyebabkan suatu proses dapat dieksekusi, juga sedang dalam keadaan waiting) dapat menyebabkan starvation (Keadaan dimana suatu proses menunggu giliran terus menerus tanpa pernah memperoleh resource yang diperlukannya Bounded-Buffer Problem (Producer-Consumer) Shared data Buffer terisi semaphore full, empty, mutex; Buffer kosong Tanda masuk buffer Nilai awal inisialisasi full = 0, empty = n, mutex = 1 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 16

17 Bounded-Buffer Problem Producer& Consumer do { produce an item innextp wait(empty); wait(mutex); add nextp to buffer signal(mutex); signal(full); while (1); do { wait(full) wait(mutex); remove an item from buffer to nextc signal(mutex); signal(empty); consume the item in nextc while (1); Producer mengisi buffer untuk consumer, atau consumer mengosongkan buffer untuk producer Readers-Writers Problem Proses-proses berkonkurensi memasuki shared data, ada yang hanya ingin membacanyaatau bahkan mengupdatenya(membaca + menulisi) Readers boleh secara eksklusif memasuki shared data (critical section) Shared data semaphore mutex, wrt; Dengan nilai awal mutex = 1, wrt = 1, readcount = 0 Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 17

18 Readers-Writers Problem Writer Process wait(wrt); writing is performed signal(wrt); Jika ada writer yang menunggu, maka tidak boleh ada reader yang membaca (prioritas writer lebih tinggi dari reader) Readers-Writers Problem Reader Process wait(mutex); readcount++; if (readcount == 1) wait(wrt); signal(mutex); reading is performed wait(mutex); readcount--; if (readcount == 0) signal(wrt); signal(mutex): Jika ada writer yang menunggu, sebuah reader tidak perlu menunggu reader lainnya untuk selesai (prioritas reader lebih tinggi dari writer) Jika ada satu writer dalam C.S., dan ada n reader menunggu, maka satu reader menunggu di wrt, dan (n-1) menunggu di mutex Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 18

19 Dining-Philosophers Problem (1) Shared data semaphore chopstick[5]; Nilai awal semua elemen array chopstick =1 Dining-Philosophers Problem (2) Philosopher i : do { wait(chopstick[ i ]) wait(chopstick[(i +1) % 5]) eat signal(chopstick[ i ]); signal(chopstick[(i +1) % 5]); think while (1); Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 19

20 Critical regions Region = Sekuensial program yang dienkapsulasi dalam proses yang sama Shared variable v dengan tipe T, dideklarasikan v : shared T Variabel v diakses hanya dalam statement S region v while B do S Ketikav diaksesoleheksekusistatement S, v tidak dapat diakses oleh proses manapun juga Contoh Bounded-buffer: Shared data: struct buffer { intpool [ n ]; int count, in, out; Bounded Buffer Producer Process Producer menyisipkan nextpke dalam buffer yang di-share regionbuffer when (count < n) { pool[in] = nextp; in:= (in+1) % n; count++; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 20

21 Bounded Buffer Consumer Process Consumer memindahkan item dari buffer yang di share dan menaruhnya dalam nextc regionbuffer when (count > 0) { nextc = pool[out]; out = (out+1) % n; count--; Monitors (1) Mengijinkan sharing yang aman antara sebuah abstract data typeantara beberapa proses yang berkonkurensi dalam prosedur lokal monitor monitor-name { shared variable declarations procedure bodyp1() {... procedurebodyp2 () {... procedure bodypn() {... { initialization code Kumpulan prosedur, variabel dan data struktur dalam satu modul Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 21

22 Untuk menjamin bahwa suatu proses menunggu dalam suatu monitor, harus ada variabel kondisi condition x, y Hanya dapat digunakan dengan operasi wait dan signal x.wait( ) proses yang melihatnya harus berhenti beraktivitas, sampai ada x.signal( ) mengaktifkan satu proses yang ditunda Keterbatasan: Tidak semua kompiler dapat mutual exclusion Tidak dapat diterapkan pada sistem terdistribusi Monitors (2) Contoh monitor Dining Philosopher (1) monitor dp { enum { thinking, hungry, eating state[5]; condition self[5]; void pickup(int i) // following slides void putdown(int i) // following slides void test(int i) // following slides void init( ){ for (int i = 0; i < 5; i++) state[ i ] = thinking; Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 22

23 Contoh monitor Dining Philosopher (2) void pickup (int i) { state[ i ] = hungry; test[ i ]; if (state[ i ]!= eating) self [ i ].wait(); void putdown (int i) { state[ i ] = thinking; void test (int i) { if ( (state[(i + 4) % 5]!= eating) && (state[ i ] == hungry) && (state[(i + 1) % 5]!= eating)) { state [ i ] = eating; self [ i ].signal(); //test left and right //neighbors test(( i + 4) % 5); test(( i + 1) % 5); void main ( ) { dp.init ( ) dp.pickup ( i ); eating dp.putdown ( i ); Sinkronisasi Windows 2000 Menggunakan interrupt masks(interrupt request linedihentikan, sebelum eksekusi sederetan instruksi kritis yang tidak dapat diinterupsi) untuk melindungi akses ke sumber daya global pada sistem uniprosesor Menggunakan spinlocks(tidak perlu adanya context switching apabila suatu proses sedang menunggu) pada sistem multiprosesor Menyediakan dispatcher objectsyang bertindak sebagai mutex dan semaphore Menyediakan pula events yang bertindak sebagai variabel kondisi Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 23

24 Latihan Soal Sinkronisasi 1. Apakah manfaat utama adanya sinkronisasi proses? 2. Dengan menghindari adanya mutual exclusion, apakah menjamin bahwa deadlock tidak akan terjadi? 3. Mengapa Algoritma-2 solusi sinkronisasi, tidak menunjukkan adanya progress? 4. Sebutkan kesulitan-kesulitan yang sering timbul pada masalah sinkronisasi! 5. Tunjukkan perbedaan antara busy waiting (spinlock) dengan blocking! 6. Apabila arsitektur suatu sistem komputer menggunakan interrupt untuk melakukan pergantian antara 2 proses, informasi apa saja yang dibutuhkan? 7. Bagaimana caranya menghindari masalah-masalah klasik dalam sinkronisasi? Jelaskan secara singkat! Kuis Algoritma Sinkronisasi 1. Apakah yang dimaksudkan dengan race condition pada kerja sama antar proses? (15 point) 2. Sebutkan syaratyang harus dipenuhi untuk solusi pada problem critical section! (15 point) 3. Mengapa algoritma 1tidak memenuhi syarat progress? Jelaskan dengan skenario! (20 point) 4. Mengapa algoritma 2tidak memenuhi syarat progress? Jelaskan dengan skenario! (20 point) 5. Apa yang dimaksud dengan busy waitingpada semaphore? (15 point) 6. Jelaskan alternatif implementasi semaphore dengan menggunakan block dan wakeup! (15 point) Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 24

25 Kuis Aplikasi Sinkronisasi 1. Apakah peran dari semaphoreemptydan full pada producer dan consumer process dalam bounded-buffer problem? (15 point) 2. Terangkan versi ke-2 masalah reader-writer yang memberi prioritas pada writer process! Berikan solusinya dengan semaphore wrt! (15 point) 3. Dalam problem nyatanya, seperti apakah kira-kira dining philosopher problem itu? Dan bagaimana ilustrasi DP dapat membantunya? (20 point) 1. Proses-proses KUIS yang Sinkronisasi bagaimanakah yang memerlukan D3 sinkronisasi 2005/06? 2. Jelaskan 3 syarat yang harus dipenuhi untuk mengatasi masalah critical section! 3. Jelaskan mengapa Algoritma-3 efektif untuk solusi sinkronisasi antara 2 proses! 4. Perhatikan 2 proses berikut ini, manakah yang akan dijalankan terlebih dahulu, jika keduanya diaktifkan secara pararel? Hasil apa yang akan di print? Jelaskan! 5. Pada keadaan di berikut, P0: apakah terjadi deadlock P1:? Jelaskan! Print dua Signal (S) Wait (S) Print satu P0: P1: wait (S) wait (Q) wait (Q) wait (S).... signal (S) signal(q) signal (Q) signal (S) Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 25

26 Jawaban Kuis 2005/06 1. Proses-proses yang saling bekerja sama (cooperating processes) dan memerlukan suatu resource yang sama. 2. Mutual exclusion, Progress, Bounded waiting Menggunakan 2 kondisi dalam entry section, yaitu variabel turn dan array flag[i], dengan dua index. -. Karena Pi tidak mengubah nilai turn pada saat mengeksekusi entry secton, Pi dapat memasuki CS (progress) setelah paling banyak satu Pj memasuki CS-nya (boundedwaiting) 4. P0 baru P1 ( dua, satu ) P0 dua P1 Wait (S) Signal (S) satu 5. Ya. P0 dan P1 saling menunggu untuk mengeksekusi signal(s), dan signal (Q). Pada saat P0 memerlukan S, S belum dilepaskan oleh P1, demikian pula pada saat P1 memerlukan Q, Q tersebut belum dilepaskan oleh P0. Universitas Kristen Maranatha -- IT Department 26