Sistem Operasi Pertemuan 5 Concurrency: Mutual Exclusion & Synchronization

Pertemuan 5

Concurrency: Mutual

Exclusion &

Synchronization

Ikhtisar

• Prinsip Mendasar dari Concurrency

– Mutual Exclusion: Dukungan Hardware – Semaphore

– Monitor

– Message Passing

Banyak Proses

• Sentral bagi perancangan SO modern adalah pengelolaan banyak proses

– Multiprogramming – Multiprocessing

– Distributed Processing

• Isu besarnya adalah Concurrency

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

Proses Interleaving & Overlapping

• Telah diketahui bahwa proses dapat diinterleave pada uniprocessor

Proses Interleaving & Overlapping

• Pada multi-processor, juga dapat overlapping

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

Contoh Sederhana

void echo() { chin = getchar(); chout = chin; putchar(chout); }

Contoh pada Multiprocessor

Proses P1 Proses P2

. .

chin = getchar(); .

. chin = getchar(); chout = chin; chout = chin;

putchar(chout); .

. putchar(chout);

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

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.

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

Kompetisi Antar Proses

(Resources)

Ada tiga masalah kendali utama: • Kebutuhan Mutual Exclusion

– Critical section (bagian kritis dari proses)

• Deadlock • Starvation

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

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

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

Pseudo-Code

while (true) { /* disable interrupts */; /* critical section */; /* enable interrupts */; /* remainder */; }

Instruksi Mesin Khusus

• Instruksi Compare & Swap

– Juga disebut “compare and exchange instruction”

Instruksi Compare&Swap

int compare_and_swap (int *word, int testval, int newval) {

int oldval;

oldval = *word;

if (oldval == testval) *word = newval; return oldval;

Instruksi Exchange

void exchange (int register, int memory) { int temp; temp = memory; memory = register; register = temp; }

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

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.

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:

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

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

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

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 */ }

Demo Animasi

• Producer/Consumer

– Ilustrasi operasi buffer producer-consumer.

• Bounded-Buffer Problem Using Semaphores

– Demontrasi masalah consumer/producer buffer terbatas menggunakan semaphore.

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.

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

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

Solusi Buffer Terbatas

Menggunakan Monitor

Interaksi Proses

• Ketika proses berinteraksi satu dengan lainnya, dua syarat fundamental harus terpenuhi:

– Sinkronisasi, dan – komunikasi.

• Message Passing adalah (satu) solusi untuk syarat kedua

Message Passing

• Fungsi aktual dari message passing normalnya disediakan dalam bentuk pasangan primitif:

– send (destination, message) – receive (source, message)

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)

Blocking send, Blocking receive

• Sender & receiver diblok sampai message

tersampaikan (delivered)

• Dikenal sebagai rendezvous

• Menmungkinkan sinkronisasi ketat (tight) antar proses.

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

Pengalamatan

• Proses pengiriman perlu mampu

menentukan proses mana yang sebaiknya menerima message

– Direct addressing (langsung)

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

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

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

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 &