Mutual Exclusion dan Sinkronisasi - Komputasi

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 Consumer
while (true) {
/* produce item v */
b[in] = v;
in++;
}
while (true) {
while (in

Buffer
37

Solusi SALAH
38

Scenario yang Mungkin
39

Solusi BENAR
40

Semaphore
41

Buffer Terbatas
42

Semaphore
43

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 */
}
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