Sistem Operasi 2009 Pertemuan 5 Concurrency: Mutual Exclusion & Synchronization H u s n i Lab. Sistem Komputer & Jaringan Teknik Informatika Univ. Trunojoyo
Ikhtisar Prinsip Mendasar dari Concurrency Mutual Exclusion: Dukungan Hardware Semaphore Monitor Message Passing Masalah Readers/Writers 2
Banyak Proses Sentral bagi perancangan SO modern adalah pengelolaan banyak proses Multiprogramming Multiprocessing Distributed Processing Isu besarnya adalah Concurrency Mengelola interaksi dari semua proses 3
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 4
Istilah Penting 5
Proses Interleaving & Overlapping Telah diketahui bahwa proses dapat diinterleave pada uniprocessor 6
Proses Interleaving & Overlapping Pada multi-processor, juga dapat overlapping 7
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. 8
Contoh Sederhana void echo() { chin = getchar(); chout = chin; putchar(chout); } 9
Contoh pada Multiprocessor Proses P1 Proses P2.. chin = getchar();.. chin = getchar(); chout = chin; chout = chin; putchar(chout);.. putchar(chout);.. 10
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 11
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 prosesyang terlibat. Output tergantung pada siapa yang terakhir menyelesaikan race. 12
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 13
Interaksi Proses 14
Kompetisi Antar Proses (Resources) Ada tiga masalah kendali utama: Kebutuhan Mutual Exclusion Critical section (bagian kritis dari proses) Deadlock Starvation 15
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 16
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) 17
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 18
Pseudo-Code while (true) { /* disable interrupts */; /* critical section */; /* enable interrupts */; /* remainder */; } 19
Instruksi Mesin Khusus Instruksi Compare & Swap Juga disebut compare and exchange instruction Intruksi exchange 20
Instruksi Compare&Swap int compare_and_swap (int *word, int testval, int newval) { int oldval; oldval = *word; if (oldval == testval) *word = newval; return oldval; } 21
Mutual Exclusion (gambar 5.2) 22
Instruksi Exchange void exchange (int register, int memory) { int temp; temp = memory; memory = register; register = temp; } 23
Instruksi Exchange (gambar 5.2) 24
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 25
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 26
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) 27
Primitif Semaphore 28
Primitif Semaphore Biner 29
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 30
Contoh Mekanisme Semaphore Kuat 31
Contoh Mekanisme Semaphore 32
MutEx Menggunakan Semaphore 33
Proses Menggunakan Semaphore 34
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 35
Fungsi Anggap suatu buffer tak terbatas b dengan suatu array linier elemen Producer while (true) { /* produce item v */ b[in] = v; in++; } Consumer while (true) { while (in <= out) /*do nothing */; w = b[out]; out++; /* consume item w */ } 36
Buffer 37
Solusi SALAH 38
Scenario yang Mungkin 39
Solusi BENAR 40
Semaphore 41
Buffer Terbatas 42
Semaphore 43
Fungsi dalam Bounded Buffer Producer while (true) { /* produce item v */ while ((in + 1) % n == out) /* do nothing */; b[in] = v; in = (in + 1) % n } Consumer while (true) { while (in == out) /* do nothing */; w = b[out]; out = (out + 1) % n; /* consume item w */ } 44
Demo Animasi Producer/Consumer Ilustrasi operasi buffer producer-consumer. Bounded-Buffer Problem Using Semaphores Demontrasi masalah consumer/producer buffer terbatas menggunakan semaphore. 45
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. 46
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 47
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 48
Struktur Monitor 49
Solusi Buffer Terbatas Menggunakan Monitor 50
Solusi Menggunakan Monitor 51
Monitor Buffer Terbatas 52
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. 53
Message Passing Fungsi aktual dari message passing normalnya disediakan dalam bentuk pasangan primitif: send (destination, message) receive (source, message) 54
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) 55
Blocking send, Blocking receive Sender & receiver diblok sampai message tersampaikan (delivered) Dikenal sebagai rendezvous Menmungkinkan sinkronisasi ketat (tight) antar proses. 56
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 57
Pengalamatan Proses pengiriman perlu mampu menentukan proses mana yang sebaiknya menerima message Direct addressing (langsung) Indirect Addressing (tidak langsung) 58
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. 59
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 60
Komunikasi Proses Tak Langsung 61
Format Message Umum 62
MutEx Menggunakan Message 63
Message Producer-Consumer 64
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 menulis 3.Jika suatu writer sedang menulis ke file, maka tidak ada reader yang dapat membacanya interaction of readers and writers. 65
Readers Dengan Prioritas 66
Writers dengan Priority 67
Writers Dengan Prioritas 68
Message Passing 69
Message Passing 70
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! 71