Giáo trình Hệ điều hành (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Hệ điều hành (Phần 1)

1. BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH I.KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Hệ điều hành là một chương trình hay một hệ chương trình hoạt động giữa người sử dụng (user) và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của hệ điều hành là cung cấp một môi trường để người sử dụng có thể thi hành các chương trình. Nó làm cho máy tính dể sử dụng hơn, thuận lợi hơn và hiệu quả hơn. Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy tính. Một hệ thống máy tính thường được chia làm bốn phần chính : phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng. Phần cứng bao gồm CPU, bộ nhớ, các thiết bị nhập xuất, đây là những tài nguyên của máy tính. Chương trình ứng dụng như các chương trình dịch, hệ thống cơ sở dữ liệu, các trò chơi, và các chương trình thương mại. Các chương trình này sử dụng tài nguyên của máy tính để giải quyết các yêu cầu của người sử dụng. Hệ điều hành điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng cho những ứng dụng khác nhau của nhiều người sử dụng khác nhau. Hệ điều hành cung cấp một môi trường mà các chương trình có thể làm việc hữu hiệu trên đó. Hình 1.1 Mô hình trừu tượng của hệ thống máy tính Hệ điều hành có thể được coi như là bộ phân phối tài nguyên của máy tính. Nhiều tài nguyên của máy tính như thời gian sử dụng CPU, vùng bộ nhớ, vùng lưu trữ tập tin, thiết bị nhập xuất v.v được các chương trình yêu cầu để giải quyết vấn đề. Hệ điều hành hoạt động như một bộ quản lý các tài nguyên và phân phối chúng cho các chương trình và người sử dụng khi cần thiết. Do có rất nhiều yêu cầu, hệ điều hành phải giải quyết vấn đề tranh chấp và phải quyết định cấp phát tài nguyên cho những yêu cầu theo thứ tự nào để hoạt động của máy tính là hiệu quả nhất. Một hệ điều hành cũng có thể được coi như là một chương trình kiểm soát việc sử dụng máy tính, đặc biệt là các thiết bị nhập xuất. Tuy nhiên, nhìn chung chưa có định nghĩa nào là hoàn hảo về hệ điều hành. Hệ điều hành tồn tại để giải quyết các vấn đề sử dụng hệ thống máy tính. Mục tiêu cơ bản của nó là giúp cho việc thi hành các chương trình dễ dàng hơn. Mục tiêu thứ hai là hỗ trợ cho các thao tác trên hệ thống máy tính hiệu quả hơn. Mục tiêu này đặc biệt quan trọng trong những hệ thống nhiều người dùng và trong những hệ thống lớn(phần cứng + quy mô sử dụng). Tuy nhiên hai mục tiêu này cũng có phần tương phản vì vậy lý thuyết về hệ điều hành tập trung vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên của máy tính. 1
2. II.PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH II.1 Hệ thống xử lý theo lô Bộ giám sát thường trực : Khi một công việc chấm dứt, hệ thống sẽ thực hiện công việc kế tiếp mà không cần sự can thiệp của người lập trình, do đó thời gian thực hiện sẽ mau hơn. Một chương trình, còn gọi là bộ giám sát thường trực được thiết kế để giám sát việc thực hiện dãy các công việc một cách tự động, chương trình này luôn luôn thường trú trong bộ nhớ chính. Hệ điều hành theo lô thực hiện các công việc lần lượt theo những chỉ thị định trước. CPU và thao tác nhập xuất : CPU thường hay nhàn rỗi do tốc độ làm việc của các thiết bị nhập xuất (thường là thiết bị cơ) chậm hơn rất nhiều lần so với các thiết bị điện tử. Cho dù là một CPU chậm nhất, nó cũng nhanh hơn rất nhiều lần so với thiết bị nhập xuất. Do đó phải có các phương pháp để đồng bộ hóa việc hoạt động của CPU và thao tác nhập xuất. Xử lý off_line : Xử lý off_line là thay vì CPU phải đọc trực tiếp từ thiết bị nhập và xuất ra thiết bị xuất, hệ thống dùng một bộ lưu trữ trung gian. CPU chỉ thao thác với bộ phận này. Việc đọc hay xuất đều đến và từ bộ lưu trữ trung gian. Spooling : Spool (simultaneous peripheral operation on-line) là đồng bộ hóa các thao tác bên ngoài on-line. Cơ chế này cho phép xử lý của CPU là on-line, sử dụng đĩa để lưu các dữ liệu nhập cũng như xuất. II.2 Hệ thống xử lý theo lô đa chương Khi có nhiều công việc cùng truy xuất lên thiết bị, vấn đề lập lịch cho các công việc là cần thiết. Khía cạnh quan trọng nhất trong việc lập lịch là khả năng đa chương. Đa chương (multiprogram) gia tăng khai thác CPU bằng cách tổ chức các công việc sao cho CPU luôn luôn phải trong tình trạng làm việc . Ý tưởng như sau : hệ điều hành lưu giữ một phần của các công việc ở nơi lưu trữ trong bộ nhớ . CPU sẽ lần lượt thực hiện các phần công việc này. Khi đang thực hiện, nếu có yêu cầu truy xuất thiết bị thì CPU không nghỉ mà thực hiện tiếp công việc thứ hai Với hệ đa chương hệ điều hành ra quyết định cho người sử dụng vì vậy, hệ điều hành đa chương rất tinh vi. Hệ phải xử lý các vấn đề lập lịch cho công việc, lập lịch cho bộ nhớ và cho cả CPU nữa. II.3 Hệ thống chia xẻ thời gian Hệ thống chia xẻ thời gian là một mở rộng logic của hệ đa chương. Hệ thống này còn được gọi là hệ thống đa nhiệm (multitasking). Nhiều công việc cùng được thực hiện thông qua cơ chế chuyển đổi của CPU như hệ đa chương nhưng thời gian mỗi lần chuyển đổi diễn ra rất nhanh. Hệ thống chia xẻ được phát triển để cung cấp việc sử dụng bên trong của một máy tính có giá trị hơn. Hệ điều hành chia xẻ thời gian dùng lập lịch CPU và đa chương để cung cấp cho mỗi người sử dụng một phần nhỏ trong máy tính chia xẻ. Một chương trình khi thi hành được gọi là một tiến trình. Trong quá trình thi hành của một tiến trình, nó phải thực hiện các thao tác nhập xuất và trong khoảng thời gian đó CPU sẽ thi hành một tiến trình khác. Hệ điều hành chia xẻ cho phép nhiều người sử dụng chia xẻ máy tính một cách đồng bộ do thời gian chuyển đổi nhanh nên họ có cảm giác là các tiến trình đang được thi hành cùng lúc. Hệ điều hành chia xẻ phức tạp hơn hệ điều hành đa chương. Nó phải có các chức năng : quản trị và bảo vệ bộ nhớ, sử dụng bộ nhớ ảo. Nó cũng cung cấp hệ thống tập tin truy xuất on- line Hệ điều hành chia xẻ là kiểu của các hệ điều hành hiện đại ngày nay. 2
3. II.4 Hệ thống song song Ngoài các hệ thống chỉ có một bộ xử lý còn có các hệ thống có nhiều bộ xử lý cùng chia xẻ hệ thống đường truyền dữ liệu, đồng hồ, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Các bộ xử lý này liên lạc bên trong với nhau . Có nhiều nguyên nhân xây dựng dạng hệ thống này. Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công việc được thực hiện nhanh chóng hơn, Nhưng không phải theo đúng tỉ lệ thời gian, nghĩa là có n bộ xử lý không có nghĩa là sẽ thực hiện nhanh hơn n lần. Hệ thống với máy nhiều bộ xử lý sẽ tối ưu hơn hệ thống có nhiều máy có một bộ xử lý vì các bộ xử lý chia xẻ các thiết bị ngoại vi, hệ thống lưu trữ, nguồn và rất thuận tiện cho nhiều chương trình cùng làm việc trên cùng một tập hợp dữ liệu. Một lý do nữa là độ tin cậy. Các chức năng được xử lý trên nhiều bộ xử lý và sự hỏng hóc của một bộ xử lý sẽ không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Hệ thống đa xử lý thông thường sử dụng cách đa xử lý đối xứng, trong cách này mỗi bộ xử lý chạy với một bản sao của hệ điều hành, những bản sao này liên lạc với nhau khi cần thiết. Một số hệ thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng, trong đó mỗi bộ xử lý được giao một công việc riêng biệt Một bộ xử lý chính kiểm soát toàn bộ hệ thống, các bộ xử lý khác thực hiện theo lệnh của bộ xử lý chính hoặc theo những chỉ thị đã được định nghĩa trước. Mô hình này theo dạng quan hệ chủ tớ. Bộ xử lý chính sẽ lập lịch cho các bộ xử lý khác. Một ví dụ về hệ thống xử lý đối xứng là version Encore của UNIX cho máy tính Multimax. Hệ thống này có hàng tá bộ xử lý. Ưu điểm của nó là nhiều tiến trình có thể thực hiện cùng lúc . Một hệ thống đa xử lý cho phép nhiều công việc và tài nguyên được chia xẻ tự động trong những bộ xử lý khác nhau. Hệ thống đa xử lý không đồng bộ thường xuất hiện trong những hệ thống lớn, trong đó hầu hết thời gian hoạt động đều dành cho xử lý nhập xuất. II.5 Hệ thống phân tán Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống chia xẻ thời gian nhưng các bộ xử lý không chia xẻ bộ nhớ và đồng hồ, thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các bộ xử lý thông tin với nhau thông qua các đường truyền thông như những bus tốc độ cao hay đường dây điện thoại. Các bộ xử lý trong hệ phân tán thường khác nhau về kích thước và chức năng. Nó có thể bao gồm máy vi tính, trạm làm việc, máy mini, và những hệ thống máy lớn. Các bộ xử lý thường được tham khảo với nhiều tên khác nhau như site, node, computer v.v tùy thuộc vào trạng thái làm việc của chúng. Các nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là: Chia xẻ tài nguyên : Một người sử dụng A có thể sử dụng máy in laser của người sử dụng B và người sử dụng B có thể truy xuất những tập tin của A. Tổng quát, chia xẻ tài nguyên trong hệ thống phân tán cung cấp một cơ chế để chia xẻ tập tin ở vị trí xa, xử lý thông tin trong một cơ sở dữ liệu phân tán, in ấn tại một vị trí xa, sử dụng những thiết bị ở xa đểõ thực hiện các thao tác. Tăng tốc độ tính toán : Một thao tác tính toán được chia làm nhiều phần nhỏ cùng thực hiện một lúc. Hệ thống phân tán cho phép phân chia việc tính toán trên nhiều vị trí khác nhau để tính toán song song. An toàn : Nếu một vị trí trong hệ thống phân tán bị hỏng, các vị trí khác vẫn tiếp tục làm việc. Thông tin liên lạc với nhau :Có nhiều lúc , chương trình cần chuyển đổi dữ liệu từ vị trí này sang vị trí khác. Ví dụ trong hệ thống Windows, thường có sự chia xẻ và chuyển dữ liệu giữa các cửa sổ. Khi các vị trí được nối kết với nhau trong một hệ thống mạng, việc trao đổi dữ liệu diễn ra rất dễ. Người sử dụng có thể chuyển tập tin hay các E_mail cho nhau từ cùng vị trí hay những vị trí khác. 3
4. II.6 Hệ thống xử lý thời gian thực Hệ thống xử lý thời gian thực được sử dụng khi có những đòi hỏi khắt khe về thời gian trên các thao tác của bộ xử lý hoặc dòng dữ liệu, nó thường được dùng điều khiển các thiết bị trong các ứng dụng tận hiến (dedicated). Máy tính phân tích dữ liệu và có thể chỉnh các điều khiển giải quyết cho dữ liệu nhập. Một hệ điều hành xử lý thời gian thực phải được định nghĩa tốt, thời gian xử lý nhanh. Hệ thống phải cho kết quả chính xác trong khoảng thời gian bị thúc ép nhanh nhất. Có hai hệ thống xử lý thời gian thực là hệ thống thời gian thực cứng và hệ thống thời gian thực mềm Hệ thống thời gian thực cứng là công việc được hoàn tất đúng lúc. Lúc đó dữ liệu thường được lưu trong bộ nhớ ngắn hạn hay trong ROM. Việc xử lý theo thời gian thực sẽ xung đột với tất cả hệ thống liệt kê ở trên. Dạng thứ hai là hệ thống thời gian thực mềm, mỗi công việc có một độ ưu tiên riêng và sẽ được thi hành theo độ ưu tiên đó. Có một số lĩnh vực áp dụng hữu hiệu phương pháp này là multimedia hay thực tại ảo. III. CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH III.1 Các thành phần của hệ thống Quản lý tiến trình Một chương trình không thực hiện được gì cả nếøu như nó không được CPU thi hành. Một tiến trình là một chương trình đang được thi hành, nhưng ý nghĩa của nó còn rộng hơn. Một công việc theo lô là một tiến trình. Một chương trình người dùng chia xẻ thời gian là một tiến trình, một công việc của hệ thống như soopling xuất ra máy in cũng là một tiến trình. Một tiến trình phải sử dụng tài nguyên như thời gian sử dụng CPU, bộ nhớ, tập tin, các thiết bị nhập xuất để hoàn tất công việc của nó. Các tài nguyên này được cung cấp khi tiến trình được tạo hay trong quá trình thi hành. Khi tiến trình được tạo, nó sử dụng rất nhiều tài nguyên vật lý và luận lý.cũng như một số khởi tạo dữ liệu nhập. Ví dụ , khảo sát tiến trình hiển thị trạng thái của tập tin lên màn hình. Đầu vào của tiến trình là tên tập tin, và tiến trình sẽ thực hiện những chỉ thị thích hợp, thực hiện lời gọi hệ thống để nhận được những thông tin mong muốn và hiển thị nó lên màn hình. Khi tiến trình kết thúc, hệ điềûu hành sẽ tái tạo lại các tài nguyên có thể được dùng lại Một tiến trình là hoạt động (active) hoàn toàn-ngược lại với một tập tin trên đĩa là thụ động (passive)-với một bộ đếm chương trình cho biết lệnh kế tiếp được thi hành.Việc thi hành được thực hiện theo cơ chế tuần tự , CPU sẽ thi hành từ lệnh đầu đến lệnh cuối. Một tiến trình được coi là một đơn vị làm việc của hệ thống. Một hệ thống có thể có nhiều tiến trình cùng lúc , trong đó một số tiến trình là của hệ điều hành, một số tiến trình là của người sử dụng. các tiến trình này có thể diễn ra đồng thời. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tiến trình là : Tạo và hủy các tiến trình của người sử dụng và của hệ thống. Ngưng và thực hiện lại một tiến trình. Cung cấp cơ chế đồng bộ tiến trình. Cung cấp cách thông tin giữa các tiến trình. Cung cấp cơ chế kiểm soát deadlock(khái niệm này sẽ được trình bày trong chương II). Quản lý bộ nhớ chính : Trong hệ thống máy tính hiện đại, bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý. Bộ nhớ chính có thể xem như một mảng kiểu byte hay kiểu word. Mỗi phần tử đều có địa chỉ. Đó là nơi lưu dữ liệu được CPU truy xuất một cách nhanh chóng so với các thiết bị nhập/xuất. CPU đọc những chỉ thị từ bộ nhớ chính. Các thiết bị nhập/xuất cài đặt cơ chế DMA(xem chương IV) cũng đọc và ghi dữ liệu trong bộ nhớ chính. Thông thường bộ nhớ chính chứa các thiết bị mà CPU có thể định vị trực tiếp. Ví dụ CPU truy xuất dữ liệu từ đĩa, những dữ liệu này được chuyển vào bộ nhớ qua lời gọi hệ thống nhập/xuất. Một chương trình muốn thi hành trước hết phải được ánh xạ thành địa chỉ tuyệt đối và nạp vào bộ nhớ chính.Khi chương trình thi hành, hệ thống truy xuất các chỉ thị và dữ liệu của chương 4
5. trình trong bộ nhớ chính. Ngay cả khi tiến trình kết thúc , dữ liệu vẫn còn trong bộ nhớ cho đến khi một tiến trình khác được ghi chồng lên. Để tối ưu hóa quá trình hoạt động của CPU và tốc độ của máy tính, một số tiến trình được lưu giữ trong bộ nhớ. Có rất nhiều kế hoạch quản trị bộ nhớ do có nhiều ứng dụng bộ nhớ khác nhau và hiệu quả của các thuật toán phụ thuộc vào tùy tình huống cụ thể. Lựa chọn một thuật toán cho một hệ thống được mô tả trước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là phần cứng của hệ thống. Hệ điều hành có những vai trò như sau trong việc quản lý bộ nhớ chính : Lưu giữ thông tin về các vị trí trong bộ nhớ đã được sử dụng và ai sử dụng. Quyết định tiến trình nào được nạp vào bộ nhớ chính, khi bộ nhớ đã có thể dùng được. Cấp phát và thu hồi bộ nhớ khi cần thiết. Quản lý bộ nhớ phụ : Mục tiêu chính của hệ thống máy tính là thi hành chương trình. Những chương trình với dữ liệu truy xuất của chúng phải được đặt trong bộ nhớ chính trong suốt quá trình thi hành. Nhưng bộ nhớ chính quá nhỏ để có thể lưu giữ mọi dữ liệu và chương trình, ngoài ra dữ liệu sẽ mất khi không còn được cung cấp năng lượng. Hệ thống máy tính ngày nay cung cấp hệ thống lưu trữ phụ. Đa số các máy tính đều dùng đĩa để lưu trữ cả chương trình và dữ liệu. Hầu như tất cả chương trình : chương trình dịch, hợp ngữ, thủ tục, trình soạn thảo, định dạng đều được lưu trữ trên đĩa cho tới khi nó được thực hiện, nạp vào trong bộ nhớ chính và cũng sử dụng đĩa để chứa dữ liệu và kết quả xử lý. Vì vậy một bộ quản lý hệ thống đĩa rất quan trọng cho hệ thống máy tính. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý đĩa : Quản lý vùng trống trên đĩa. Định vị lưu trữ. Lập lịch cho đĩa. Vì hệ thống đĩa được sử dụng thường xuyên, nên nó phải được dùng hiệu quả.Tốc độ của toàn bộ hệ thống tuỳ thuộc rất nhiều vào tốc độ truy xuất đĩa. Quản lý hệ thống nhập xuất : Một trong những mục tiêu của hệ điều hành là che dấu những đặc thù của các thiết bị phần cứng đối với người sử dụng thay vào đó là một lớp thân thiện hơn, người sử dụng dể thao tác hơn. Một hệ thống nhập/xuất bao gồm : Hệ thống buffer caching. Giao tiếp điều khiển thiết bị (device drivers) tổng quát. Bộ điều khiển cho các thiết bị phần cứng. Chỉ có device driver mới hiểu đến cấu trúc đặc thù của thiết bị mà nó mô tả. Quản lý hệ thống tập tin : Hệ thống quản lý tập tin là thành phần rõ ràng nhất trong hệ điều hành. Máy tính có thể lưu trữ thông tin trong nhiều dạng thiết bị vật lý khác nhau : băng từ, đĩa từ, , đĩa quang, Mỗi dạng có những đặc thù riêng về mặt tổ chức vật lý. Mỗi thiết bị có một bộ kiểm soát như bộ điều khiển đĩa (disk driver) và có những tính chất riêng. Những tính chất này là tốc độ, khả năng lưu trữ, tốc độ truyền dữ liệu và cách truy xuất. Để cho việc sử dụng hệ thống máy tính thuận tiện, hệ điều hành cung cấp một cái nhìn logic đồng nhất về hệ thống lưu trữ thông tin. Hệ điều hành định nghĩa một đơn vị lưu trữ logic là tập tin. Hệ điều hành tạo một ánh xạ từ tập tin đến vùng thông tin trên đĩa và truy xuất những tập tin này thông qua thiết bị lưu trữ. Một tập tin là một tập hợp những thông tin do người tạo ra nó xác định. Thông thường một tập tin đại diện cho một chương trình và dữ liệu. Dữ liệu của tập tin có thể là số, là ký tự, hay ký số. Tập tin thường có dạng tự do, như tập tin văn bản, nhị phân (là tập tin chứa dãy các bit). (Xem bài VIII) Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tập tin : Tạo và xoá một tập tin. Tạo và xoá một thư mục. 5
6. Hỗ trợ các thao tác trên tập tin và thư mục. Ánh xạ tập tin trên hệ thống lưu trữ phụ. Backup tập tin trên các thiết bị lưu trữ. Hệ thống bảo vệ : Trong một hệ thống nhiều người sử dụng và cho phép nhiều tiến trình diễn ra đồng thời, các tiến trình phải được bảo vệ đối với những hoạt động khác.Do đó, hệ thống cung cấp cơ chế để đảm bảo rằng tập tin, bộ nhớ, CPU, và những tài nguyên khác chỉ được truy xuất bởi những tiến trình có quyền. Ví dụ, bộ nhớ đảm bảo rằng tiến trình chỉ được thi hành trong phạm vi địa chỉ của nó. Bộ thời gian đảm bảo rằng không có tiến trình nào độc chiếm CPU. Cuối cùng các thiết bị ngoại vi cũng được bảo vệ. Hệ thống bảo vệ là một cơ chế kiểm soát quá trình truy xuất của chương trình, tiến trình, hoặc người sử dụng với tài nguyên của hệ thống. Cơ chế này cũng cung cấp cách thức để mô tả lại mức độ kiểm soát. Hệ thống bảo vệ cũng làm tăng độ an toàn khi kiểm tra lỗi trong giao tiếp giữa những hệ thống nhỏ bên trong. Hệ thống cơ chế dòng lệnh : Một trong những phần quan trọng của chương trình hệ thống trong một hệ điều hành là cơ chế dòng lệnh, đó là giao tiếp giữa người sử dụng và hệ điều hành. Một số hệ điều hành đặt cơ chế dòng lệnh bên trong hạt nhân, số khác như MS-DOS và UNIX thì xem hệ điều hành như là một chương trình đặt biệt, được thi hành khi các công việc bắt đầu hoặc khi người sử dụng login lần đầu tiên. Các lệnh đưa vào hệ điều hành thông qua bộ điều khiển lệnh. Trong các hệ thống chia xẻ thời gian một chương trình có thể đọc và thông dịch các lệnh điều khiển được thực hiện một cách tự động. Chương trình này thường được gọi là bộ thông dịch điều khiển card, cơ chế dòng lệnh hoặc Shell. Chức năng của nó rất đơn giản đó là lấy lệnh kế tiếp và thi hành. Mỗi hệ điều hành sẽ có những giao tiếp khác nhau, dạng đơn giản theo cơ chế dòng lệnh, dạng thân thiện với người sử dụng như giao diện của Macintosh có các biểu tượng, cửa sổ thao tác dùng chuột. Các lệnh có quan hệ với việc tạo và quản lý các tiến trình, kiểm soát nhập xuất, quản lý bộ lưu trữ phụ, quản lý bộ nhớ chính, truy xuất hệ thống tập tin và cơ chế bảo vệ. III.2 Các dịch vụ của hệ điều hành Hệ điều hành cung cấp một môi trường để thi hành các chương trình, bằng cách cung cấp các dịch vụ cho chương trình và cho người sử dụng. Các dịch vụ này trên mỗi hệ thống là khác nhau nhưng cũng có những lớp chung. Các dịch vụ này giúp cho các lập trình viên thuận tiện hơn và việc lập trình dể dàng hơn. Thi hành chương trình : hệ thống phải có khả năng nạp chương trình vào bộ nhớ và thi hành nó. Chương trình phải chấm dứt thi hành theo cách thông thường hay bất thường (có lỗi). Thao tác nhập xuất : Một chương trình thi hành có thể yêu cầu nhập xuất. Nhập xuất này có thể là tập tin hay thiết bị. Đối với thiết bị có một hàm đặc biệt được thi hành. Để tăng hiệu quả, người sử dụng không truy xuất trực tiếp các thiết bị nhập xuất mà thông qua cách thức do hệ điều hành cung cấp. Thao tác trên hệ thống tập tin . Thông tin : có nhiều tình huống một tiến trình cần trao đổi thông tin với một tiến trình khác. Có hai cách thực hiện: Một là thực hiện thay thế tiến trình trên cùng máy tính, hai là thay thế tiến trình trên hệ thống khác trong hệ thống mạng. Thông tin có thể được cài đặt qua chia xẻ bộ nhớ, hoặc bằng kỹ thuật chuyển thông điệp. Việc chuyển thông tin được thực hiện bởi hệ điều hành. Phát hiện lỗi : hệ điều hành phải có khả năng báo lỗi. Lỗi xảy ra có thể do CPU, bộ nhớ, trong thiết bị nhập xuất, hay trong các chương trình. Đối với mỗi dạng lỗi, hệ điều hành sẽ có cách giải quyết tương ứng. III.3 Lời gọi hệ thống 6
7. Lời gọi hệ thống cung cấp một giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành. Lời gọi này cũng như các lệnh hợp ngữ. Một số hệ thống cho phép lời gọi hệ thống được thực hiện từ cấp lập trình ngôn ngữ cấp cao, như các hàm và lời gọi hàm. Nó có thể phát sinh lời gọi từ các thủ tục hay gọi trực tiếp trong dòng. Để hiểu quá trình hoạt động của lời gọi hệ thống chúng ta cùng khảo sát một chương trình nhỏ dùng để đọc dữ liệu từ một tập tin chép qua tập tin khác. Dữ liệu nhập đầu tiên của của chương trình là tên của hai tập tin : tập tin nhập và tập tin xuất. Tên này được mô tả bằng nhiều cách tùy thuộc vào thiết kế hệ điều hành như : chương trình yêu cầu người sử dụng cho biết tên của hai tập tin, họ cũng có thể cung cấp bằng cách lựa chọn với chuột. Khi có tên của hai tập tin, chương trình mở tập tin nhập và tạo tập tin xuất. Mỗi thao tác này được thực hiện bởi những lời gọi hệ thống khác. Cũng có những trường hợp phát sinh lỗi : Khi chương trình mở tập tin nhập, có thể xảy ra trường hợp không có tập tin có tên như mô tả hoặc tập tin bị cấm truy cập. Trong trường hợp này chương trình phải xuất thông điệp lên màn hình. Nếu tập tin nhập tồn tại, phải tạo tập tin mới. Hệ thống phải kiểm tra tiếp xem đã có tập tin xuất tồn tại không và sẽ có những lời gọi hệ thống tương ứng để giải quyết hoặc là hủy tiến trình, hai là xóa tập tin đã tồn tại và tạo tập tin mới. Sau khi đã thiết lập xong tập tin, hệ thống tiếp tục tạo vòng lặp đọc dữ liệu từ tập tin nhận và ghi lên tập tin xuất. Mỗi bước đều có kiểm tra lỗi. Sau khi chép xong, chương trình sẽ đóng hai tập tin lại (dùng một lời gọi hệ thống khác), xuất thông báo lên màn hình (dùng lời gọi hệ thống) cuối cùng chấm dứt chương trình (lời gọi hệ thống cuối cùng). Trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao, người sử dụng không cần quan tâm đến chi tiết mà chỉ cần thông qua các hàm hay các lệnh để thực hiện.Lời gọi hệ thống có thể diễn ra theo một cách khác. Kiểu và khối lượng thông tin tùy thuộc vào hệ thống và lúc gọi. Có ba phương pháp được sử dụng để chuyển tham số cho hệ điều hành. Cách đơn giản nhất là chuyển tham số vào thanh ghi. Nếu có nhiều tham số, nó sẽ được lưu trữ trong khối hoặc bảng trong bộ nhớ. Cách cuối cùng là dùng cơ chế stack. Lời gọi hệ thống có thể được chia thành các loại : kiểm soát tiến trình, thao tác tập tin, thao tác thiết bị, thông tin. III.4 Cấu trúc hệ thống Cấu trúc đơn giản Cấu trúc này trong một số hệ thống thương mại và không có cấu trúc được định nghĩa tốt. Thông thường hệ điều hành bắt đầu là một hệ thống nhỏ, đơn giản và có giới hạn. MS-DOS là một hệ điều hành có cấu trúc đơn giản, nó cung cấp những chức năng cần thiết nhất trong một không gian nhỏ nhất do sự giới hạn của phần cứng mà nó chạy trên đó và không chia thành những đơn thể rõ rệt. Hình 1.2 Cấu trúc của MS-DOS Mặc dù MS-DOS có cấu trúc nhưng giữa giao diện và chức năng không có sự phân chia rõ rệt. Các chương trình ứng dụng có thể truy xuất trực tiếp các thủ tục nhập xuất cơ bản và ghi trực tiếp lên màn hình hay bộ điều khiển đĩa. Một hệ điều hành cũng có cấu trúc đơn giản là UNIX với những version đầu tiên. Cấu trúc của nó chỉ bao gồm hai phần : hạt nhân và các chương trình hệ thống. Hạt nhân được chia thành một chuỗi giao tiếp và device driver(bộ điều khiển thiết bị, xem bài XI). 7
8. Những gì dưới lời gọi hệ thống và trên phần cứng là hạt nhân. Hạt nhân cung cấp hệ thống tập tin, lập lịch CPU, quản trị bộ nhớ và những chức năng hệ điều hành khác thông qua lời gọi hệ thống. Tóm lại là toàn bộ chức năng của hệ thống được kết hợp trong một lớp. Những chương trình hệ thống dùng những lời gọi hệ thống được hỗ trợ bởi hạt nhân để cung cấp những chức năng hữu ích như biên dịch và thao tác tập tin. Cấu trúc theo lớp Những version mới của UNIX được thiết kế để sử dụng phần cứng phức tạp hơn, do đó hệ điều hành được chia thành nhiều phần nhỏ hơn. Bằng cách sử dụng kỹ thuật topdown, những chức năng và đặc tính của hệ thống được chia làm nhiều thành phần nhỏ. Che dấu thông tin, không cho chương trình của người sử dụng có thể cài đặt những hàm truy xuất cấp thấp , thay vào đó là những lớp giao tiếp bên trong. Hệ điều hành được chia thành nhiều lớp. Lớp dưới cùng là phần cứng, lớp trên cùng là giao tiếp với người sử dụng. Lớp hệ điều hành được cài đặt thành những đối tượng trừu tượng. Thông thường một lớp của hệ điều hành bao gồm một số cấu trúc dữ liệu và các hàm có thể được gọi bởi lớp ở trên và bản thân nó gọi những chức năng của lớp bên dưới. Mỗi lớp cài đặt chỉ sử dụng những thao tác do lớp dưới cung cấp. Một lớp cũng không cần biết hệ điều hành được cài đặt như thế nào, nó chỉ cần biết những thao tác này làm gì thôi. Cấu trúc lớp này lần đầu tiên được thiết kế và áp dụng cho hệ điều hành THE (Technische Hogeschool Eindhoven). Hệ thống này được chia thành sáu lớp như hình sau: Lớp dưới cùng là phần cứng, lớp kế tiếp cài đặt lập lịch CPU, lớp tiếp theo cài đặt quản lý bộ nhớ. Bộ nhớ ở đây là bộ nhớ ảo. Lớp tiếp nữa chứa device driver cho các thao tác với màn hình. Lớp kế là tổ chức buffer cho việc nhập xuất thiết bị. Cuối cùng là chương trình của người sử dụng. 8
9. Các ví dụ khác như cấu trúc lớp của hệ điều hành VENUS và OS/2 Hình 1.6 Cấu trúc lớp của OS/2 Máy ảo Thông thường, một hệ thống máy tính bao gồm nhiều lớp. Phần cứng ở lớp thấp nhất. Hạt nhân ở lớp kế dùng các chỉ thị của phần cứng để tạo một tập hợp các lời gọi hệ thống. Các chương trình hệ thống có thể sử dụng hoặc là các lời gọi hệ thống hoặc là các chỉ thị của phần cứng. Vì vậy nó xem phần cứng và lời gọi hệ thống như cùng lớp. Một số hệ thống có tổ chức sao cho các chương trình ứng dụng có thể gọi dễ dàng các chương trình hệ thống. Mặc dù chương trình hệ thống ở lớp cao hơn các phần khác nhưng chương trình ứng dụng có thể xem mọi phần dưới nó là một phần của máy. Lớp ứng dụng này sử dụng một khái niệm là máy ảo. Ví dụ hệ điều hành máy ảo của IBM. Bằng cách sử dụng lập lịch cho CPU và kỹ thuật bộ nhớ ảo, một hệ điều hành có thể tạo nhiều tiến trình phức ảo, mỗi cái sẽ thực hiện trên một bộ xử lý và bộ nhớ riêng. Những tiến trình này có những đặc điểm riêng như lời gọi hệ thống và hệ thống tập tin không được cung cấp phần cứng trực tiếp. 9
10. Tài nguyên của hệ thống được chia xẻ để tạo những máy ảo. Lập lịch CPU chia xẻ CPU cho các người sử dụng. Spooling và hệ thống tập tin được chia thành những card đọc ảo và máy in ảo. Một terminal cung cấp các chức năng tạo các thao tác màn hình ảo. Vấn đề phức tạp nhất của máy ảo là hệ thống đĩa. Giả sử hệ thống chỉ có ba bộ điều khiển đĩa nhưng có tới bảy máy ảo. Như vậy không thể gán cho mỗi máy ảo một bộ điều khiển đĩa và giải pháp là xây dựng hệ thống đĩa ảo. Mặc dù khái niệm máy ảo rất hữu ích nhưng khó cài đặt. Máy ảo phải thực hiện ở hai dạng: dạng giám sát (monitor) và dạng người sử dụng. Ngoài ra máy ảo còn phải giải quyết các vấn đề về vận chuyển dữ liệu và thời gian. Mô hình Client-Server Khuynh hướng của các hệ điều hành hiện đại là chuyển dần các đoạn mã của hệ thống lên những lớp cao hơn và bỏ dần các chức năng trong hạt nhân, chỉ còn lại một hạt nhân tối thiểu. Cách tiếp cận là cài đặt hầu hết những chức năng của hệ điều hành trong các xử lý của người sử dụng. Để yêu cầu một dịch vụ, như đọc một khối từ tập tin, một xử lý của người sử dụng (còn được gọi là tiến trình client) sẽ gửi những yêu cầu đó cho một xử lý của bộ phận dịch vụ (còn được gọi là tiến trình server). Sau đó, nó sẽ thực hiện và gửi kết quả trở lại. Trong mô hình này, chức năng của hạt nhân chỉ là kiểm soát quá trình thông tin giữa client và server. Bằng cách chia hệ điều hành thành những phần nhỏ, mỗi phần chỉ kiểm soát một mặt của hệ thống như các dịch vụ về tập tin, tiến trình, terminal, bộ nhớ, mỗi phần sẽ gọn hơn và dể quản lý hơn. Hơn nữa, tất cả server thực hiện như những tiến trình ở mức độ người dùng (user-mode) không phải ở mức độ hạt nhân (kernel-mode), nên nó không truy xuất trực tiếp phần cứng. Do đó, nếu server tập tin bị lỗi, các dịch vụ về tập tin có thể bị hỏng nhưng nó thường không gây ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. 10
11. Một ưu điểm khác của mô hình client-server là nó có thể tương thích dể dàng với mô hình hệ thống phân tán. Nếu một client giao tiếp với một server bằng cách gửi những thông điệp, họ không biết là khi nào thông điệp đó đang được xử lý cục bộ tại máy hay được gửi vào mạng đến server trên một máy từ xa. Khi client quan tâm đến, một yêu cầu được gửi đi và một trả lời đáp ứng diễn ra như nhau. IV. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ ĐIỀU HÀNH IV.1 Thế hệ 1 (1945 – 1955) Vào khoảng giữa thập niên 1940, Howard Aiken ở Havard và John von Neumann ở Princeton, đã thành công trong việc xây dựng máy tính dùng ống chân không. Những máy này rất lớn với hơn 10000 ống chân không nhưng chậm hơn nhiều so với máy rẻ nhất ngày nay. Mỗi máy được một nhóm thực hiện tất cả từ thiết kế, xây dựng lập trình, thao tác đến quản lý. Lập trình bằng ngôn ngữ máy tuyệt đối, thường là bằng cách dùng bảng điều khiển để thực hiện các chức năng cơ bản. Ngôn ngữ lập trình chưa được biết đến và hệ điều hành cũng chưa nghe đến. Vào đầu thập niên 1950, phiếu đục lổ ra đời và có thể viết chương trình trên phiếu thay cho dùng bảng điều khiển. 11
12. IV.2 Thế hệ 2 (1955 – 1965) Sự ra đời của thiết bị bán dẫn vào giữa thập niên 1950 làm thay đổi bức tranh tổng thể. Máy tính trở nên đủ tin cậy hơn. Nó được sản xuất và cung cấp cho các khách hàng. Lần đầu tiên có sự phân chia rõ ràng giữa người thiết kế, người xây dựng, người vận hành, người lập trình, và người bảo trì. Để thực hiện một công việc (một chương trình hay một tập hợp các chương trình), lập trình viên trước hết viết chương trình trên giấy (bằng hợp ngữ hay FORTRAN) sau đó đục lỗ trên phiếu và cuối cùng đưa phiếu vào máy. Sau khi thực hiện xong nó sẽ xuất kết quả ra máy in. Hệ thống xử lý theo lô ra đời, nó lưu các yêu cầu cần thực hiện lên băng từ, và hệ thống sẽ đọc và thi hành lần lượt. Sau đó, nó sẽ ghi kết quả lên băng từ xuất và cuối cùng người sử dụng sẽ đem băng từ xuất đi in. Hệ thống xử lý theo lô hoạt động dưới sự điều khiển của một chương trình đặc biệt là tiền thân của hệ điều hành sau này. Ngôn ngữ lập trình sử dụng trong giai đoạn này chủ yếu là FORTRAN và hợp ngữ. IV.3 Thế hệ 3 (1965 – 1980) Trong giai đoạn này, máy tính được sử dụng rộng rãi trong khoa học cũng như trong thương mại. Máy IBM 360 là máy tính đầu tiên sử dụng mạch tích hợp (IC). Từ đó kích thước và giá cả của các hệ thống máy giảm đáng kể và máy tính càng phỗ biến hơn. Các thiết bị ngoại vi dành cho máy xuất hiện ngày càng nhiều và thao tác điều khiển bắt đầu phức tạp. Hệ điều hành ra đời nhằm điều phối, kiểm soát hoạt động và giải quyết các yêu cầu tranh chấp thiế bị. Chương trình hệ điều hành dài cả triệu dòng hợp ngữ và do hàng ngàn lập trình viên thực hiện. Sau đó, hệ điều hành ra đời khái niệm đa chương. CPU không phải chờ thực hiện các thao tác nhập xuất. Bộ nhớ được chia làm nhiều phần, mỗi phần có một công việc (job) khác nhau, khi một công việc chờ thực hiện nhập xuất CPU sẽ xử lý các công việc còn lại. Tuy nhiên khi có nhiều công việc cùng xuất hiện trong bộ nhớ, vấn đề là phải có một cơ chế bảo vệ tránh các công việc ảnh hưởng đến nhau. Hệ điều hành cũng cài đặt thuộc tính spool. Giai đoạn này cũng đánh dấu sự ra đời của hệ điều hành chia xẻ thời gian như CTSS của MIT. Đồng thời các hệ điều hành lớn ra đời như MULTICS, UNIX và hệ thống các máy mini cũng xuất hiện như DEC PDP-1. IV.4 Thế hệ 4 (1980 - ) Giai đoạn này đánh dấu sự ra đời của máy tính cá nhân, đặc biệt là hệ thống IBM PC với hệ điều hành MS-DOS và Windows sau này. Bên cạnh đó là sự phát triển mạnh của các hệ điều hành tựa Unix trên nhiều hệ máy khác nhau như Linux. Ngoài ra, từ đầu thập niên 90 cũng đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của hệ điều hành mạng và hệ điều hành phân tán. 12
13. BÀI 2: CÁC MÔ HÌNH XỬ LÝ ĐỒNG HÀNH I. NHU CẦU XỬ LÝ ĐỒNG HÀNH Có 2 động lực chính khiến cho các hệ điều hành hiện đại thường hỗ trợ môi trường đa nhiệm (multitask) trong đó chấp nhận nhiều tác vụ thực hiện đồng thời trên cùng một máy tính : Tăng hiệu suất sử dụng CPU Phần lớn các tác vụ (job) khi thi hành đều trải qua nhiều chu kỳ xử lý (sử dụng CPU) và chu kỳ nhập xuất (sử dụng các thiết bị nhập xuất) xen kẽ như sau : CPU IO CPU IO CPU Nếu chỉ có 1 tiến trình duy nhất trong hệ thống, thì vào các chu kỳ IO của tác vụ, CPU sẽ hoàn toàn nhàn rỗi. Ý tưởng tăng cường số lượng tác vụ trong hệ thống là để tận dụng CPU : nếu tác vụ 1 xử lý IO, thì có thể sử dụng CPU để thực hiện tác vụ 2 CPU IO CPU IO CPU Tác vụ 1 CPU IO CPU IO Tác vụ Tăng tốc độ xử lý Một số bài toán có bản chất xử lý song song nếu được xây dựng thành nhiều module hoạt động đồng thời thì sẽ tiết kiệm được thời gian xử lý. Ví dụ : Xét bài toán tính giá trị biểu thức kq = a*b + c*d . Nếu tiến hành tính đồng thời (a*b) và (c*d) thì thời gian xử lý sẽ ngắn hơn là thực hiện tuần tự. Trong các trường hợp đó, cần có một mô hình xử lý đồng hành thích hợp. Trên máy tính có cấu hình nhiều CPU, hỗ trợ xử lý song song (multiprocessing) thật sự, điều này sẽ giúp tăng hiệu quả thi hành của hệt thống đáng kể. II. KHÁI NIỆM TIẾN TRÌNH (PROCESS) VÀ MÔ HÌNH ĐA TIẾN TRÌNH (MULTIPROCESS) Để hỗ trợ sự đa chương, máy tính phải có khả năng thực hiện nhiều tác vụ đồng thời. Nhưng việc điều khiển nhiều hoạt động song song ở cấp độ phần cứng là rất khó khăn. Vì thế các nhà thiết kế hệ điều hành đề xuất một mô hình song song gỉa lặp bằng cách chuyển đổi bộ xử lý qua lại giữa các chương trình để duy trì hoạt động của nhiều chương trình cùng lúc, điều này tạo cảm giác có nhiều hoạt động được thực hiện đồng thời. Trong mô hình này, tất cả các phần mềm trong hệ thống được tổ chức thành một số những tiến trình (process). Tiến trình là một chương trình đang xử lý, sỡ hữu một con trỏ lệnh, tập các thanh ghi và các biến. Để hoàn thành tác vụ của mình, một tiến trình có thể cần đến một số tài nguyên – như CPU, bộ nhớ chính, các tập tin và thiết bị nhập/xuất. Cần phân biệt hai khái niệm chương trình và tiến trình. Một chương trình là một thực thể thụ động, chứa đựng các chỉ thị điều khiển máy tính để tiến hành một tác vụ nào đó ; khi cho thực hiện các chỉ thị này, chương trình chuyển thành tiến trình, là một thực thể hoạt động, với con trỏ lệnh xác định chỉ thị kế tiếp sẽ thi hành, kèm theo tập các tài nguyên phục vụ cho hoạt động của tiến trình. Về mặt ý niệm, có thể xem như mỗi tiến trình sỡ hữu một bộ xử lý ảo cho riêng nó, nhưng 13
14. trong thực tế, chỉ có một bộ xử lý thật sự được chuyển đổi qua lại giữa các tiến trình. Sự chuyển đổi nhanh chóng này được gọi là sự đa chương (multiprogramming) . Hệ điều hành chịu trách nhiệm sử dụng một thuật toán điều phối để quyết định thời điểm cần dừng hoạt động của tiến trình đang xử lý để phục vụ một tiến trình khác, và lựa chọn tiến trình tiếp theo sẽ được phục vụ. Bộ phận thực hiện chức năng này của hệ điều hành được gọi là bộ điều phối (scheduler). III. KHÁI NIỆM TIỂU TRÌNH (THREAD) VÀ MÔ HÌNH ĐA TIỂU TRÌNH (MULTITHREAD) Trong hầu hết các hệ điều hành, mỗi tiến trình có một không gian địa chỉ và chỉ có một dòng xử lý. Tuy nhiên, có nhiều tình huống người sử dụng mong muốn có nhiều dòng xử lý cùng chia sẻ một không gian địa chỉ, và các dòng xử lý này hoạt động song song tương tự như các tiến trình phân biệt (ngoại trừ việc chia sẻ không gian địa chỉ). Ví dụ : Một server quản lý tập tin thỉnh thoảng phải tự khóa để chờ các thao tác truy xuất đĩa hoàn tất.Nếu server có nhiều dòng xử lý, hệ thống có thể xử lý các yêu cầu mới trong khi một dòng xử lý bị khoá. Như vậy việc thực hiện chương trình sẽ có hiệu quả hơn. Điều này không thể đạt được bằng cách tạo hai tiến trình server riêng biệt vì cần phải chia sẻ cùng một vùng đệm, do vậy bắt buộc phải chia sẻ không gian địa chỉ. Chính vì các tình huống tương tự, người ta cần có một cơ chế xử lý mới cho phép có nhiều dòng xử lý trong cùng một tiến trình. Ngày nay đã có nhiều hệ điều hành cung cấp một cơ chế như thế và gọi là tiểu trình (threads). Nguyên lý chung : Một tiểu trình là một đơn vị xử lý cơ bản trong hệ thống . Mỗi tiểu trình xử lý tuần tự đoạn code của nó, sỡ hữu một con trỏ lệnh, tập các thanh ghi và một vùng nhớ stack riêng. Các tiểu trình chia sẻ CPU với nhau giống như cách chia sẻ giữa các tiến trình: một tiểu trình xử lý trong khi các tiểu trình khác chờ đến lượtù. Một tiểu trình cũng có thể tạo lập các tiến trình con, và nhận các trạng thái khác nhau như một tiến trình thật sự. Một tiến trình có thể sỡ hữu nhiều tiểu trình. Các tiến trình tạo thành những thực thể độc lập. Mỗi tiến trình có một tập tài nguyên và một môi trường riêng (một con trỏ lệnh, một Stack , các thanh ghi và không gian địa chỉ ). Các tiến trình hoàn toàn độc lập với nhau, chỉ có thể liên lạc thông qua các cơ chế thông tin giữa các tiến trình mà hệ điều hành cung cấp. Ngược lại, các tiểu trình trong cùng một tiến trình lại chia sẻ một không gian địa chỉ chung , điều này có nghĩa là các tiểu trình có thể chia sẻ các biến toàn cục của tiến trình. Một tiểu trình có thể truy xuất đến cả các stack của những tiểu trình khác trong cùng tiến trình. Cấu trúc này không đề nghị một cơ chế bảo vệ nào, và điều này cũng không thật cần thiết vì các tiểu trình trong cùng một tiến trình thuộc về cùng một sỡ hữu chủ đã tạo ra chúng trong ý định cho phép chúng hợp tác với nhau. Các tiểu trình trong cùng một tiểu trình Phân bổ thông tin lưu trữ Cấu trúc mô tả tiến trình và tiểu trình Kernel thread và user thread Khái niệm tiểu trình có thể được cài đặt trong kernel của Hệ điều hành, khi đó đơn vị cơ sở sử dụng CPU để xử lý là tiểu trình, Hệ điều hành sẽ phân phối CPU cho các tiểu trình trong hệ 14
15. thống. Tuy nhiên đối với một số hệ điều hành, khái niệm tiểu trình chỉ được hỗ trợ như một đối tượng người dùng, các thao tác tiểu trình được cung cấp kèm theo do một bộ thư viện xử lý trong chế độ người dùng không đặc quyền (user mode). Lúc này Hệ điều hành sẽ chỉ biết đến khái niệm tiến trình, do vây cận co cơ chế để liên kết các tiểu trình cùng một tiến trình với tiến trình cha trong kernel_ đối tượng này đôi lúc được gọi là LWP (lightweight process). 15
16. Bài 3: QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH I. Tổ chức quản lý tiến trình I.1. Các trạng thái của tiến trình Trạng thái của tiến trình tại một thời điểm được xác định bởi hoạt động hiện thời của tiến trình tại thời điểm đó. Trong quá trình sống, một tiến trình thay đổi trạng thái do nhiều nguyên nhân như : phải chờ một sự kiện nào đó xảy ra, hay đợi một thao tác nhập/xuất hoàn tất, buộc phải dừng hoạt động do đã hết thời gian xử lý Tại một thời điểm, một tiến trình có thể nhận trong một các trạng thái sau đây : Mới tạo : tiến trình đang được tạo lập. Running : các chỉ thị của tiến trình đang được xử lý. Blocked : tiến trình chờ được cấp phát một tài nguyên, hay chờ một sự kiện xảy ra . Ready : tiến trình chờ được cấp phát CPU để xử lý. Kết thúc : tiến trình hoàn tất xử lý. Mới tạo Kết thúc Ready Running Blocked Hình 2.2 Sơ đồ chuyển trạng thái giữa các tiến trình Tại một thời điểm, chỉ có một tiến trình có thể nhận trạng thái running trên một bộ xử lý bất kỳ. Trong khi đó, nhiều tiến trình có thể ở trạng thái blocked hay ready. Các cung chuyển tiếp trong sơ đồ trạng thái biễu diễn sáu sự chuyển trạng thái có thể xảy ra trong các điều kiện sau : Tiến trình mới tạo được đưa vào hệ thống Bộ điều phối cấp phát cho tiến trình một khoảng thời gian sử dụng CPU Tiến trình kết thúc Tiến trình yêu cầu một tài nguyên nhưng chưa được đáp ứng vì tài nguyên chưa sẵn sàng để cấp phát tại thời điểm đó ; hoặc tiến trình phải chờ một sự kiện hay thao tác nhập/xuất. Bộ điều phối chọn một tiến trình khác để cho xử lý . Tài nguyên mà tiến trình yêu cầu trở nên sẵn sàng để cấp phát ; hay sự kiện hoặc thao tác nhập/xuất tiến trình đang đợi hoàn tất. I.2. Chế độ xử lý của tiến trình Để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng đắn, hệ điều hành cần phải được bảo vệ khỏi sự xâm phạm của các tiến trình. Bản thân các tiến trình và dữ liệu cũng cần được bảo vệ để tránh các ảnh hưởng sai lạc lẫn nhau. Một cách tiếp cận để giải quyết vấn đề là phân biệt hai chế độ xử lý cho các tiến trình : chế độ không đặc quyền và chế độ đặc quyền nhờ vào sự trợ giúp của cơ chế phần cứng. Tập lệnh của CPU được phân chia thành các lệnh đặc quyền và lệnh không đặc quyền. Cơ chế phần cứng chỉ cho phép các lệnh đặc quyền được thực hiện trong chế độ đặc quyền. Thông thường chỉ có hệ điều hành hoạt động trong chế độ đặc quyền, các tiến trình của người dùng hoạt động trong chế độ không đặc quyền, không thực hiện được các lệnh đặc quyền có nguy cơ ảnh hưởng đến hệ thống. Như vậy hệ điều hành được bảo vệ. Khi một tiến trình người dùng gọi đến một lời gọi hệ thống, tiến 16
17. trình của hệ điều hành xử lý lời gọi này sẽ hoạt động trong chế độ đặc quyền, sau khi hoàn tất thì trả quyền điều khiển về cho tiến trình người dùng trong chế độ không đặc quyền. Hình vẽ 2.3 Hai chế độ xử lý I.3. Cấu trúc dữ liệu khối quản lý tiến trình Hệ điều hành quản lý các tiến trình trong hệ thống thông qua khối quản lý tiến trình (process control block -PCB). PCB là một vùng nhớ lưu trữ các thông tin mô tả cho tiến trình, với các thành phần chủ yếu bao gồm : Định danh của tiến trình (1) : giúp phân biệt các tiến trình Trạng thái tiến trình (2): xác định hoạt động hiện hành của tiến trình. Ngữ cảnh của tiến trình (3): mô tả các tài nguyên tiến trình đang trong quá trình, hoặc để phục vụ cho hoạt động hiện tại, hoặc để làm cơ sở phục hồi hoạt động cho tiến trình, bao gồm các thông tin về: Trạng thái CPU: bao gồm nội dung các thanh ghi, quan trọng nhất là con trỏ lệnh IP lưu trữ địa chỉ câu lệnh kế tiếp tiến trình sẽ xử lý. Các thông tin này cần được lưu trữ khi xảy ra một ngắt, nhằm có thể cho phép phục hồi hoạt động của tiến trình đúng như trước khi bị ngắt. Bộ xử lý: dùng cho máy có cấu hình nhiều CPU, xác định số hiệu CPU mà tiến trình đang sử dụng. Bộ nhớ chính: danh sách các khối nhớ được cấp cho tiến trình. Tài nguyên sử dụng: danh sách các tài mguyên hệ thống mà tiến trình đang sử dụng. Tài nguyên tạo lập: danh sách các tài nguyên được tiến trình tạo lập. Thông tin giao tiếp (4): phản ánh các thông tin về quan hệ của tiến trình với các tiến trình khác trong hệ thống : Tiến trình cha: tiến trình tạo lập tiến trình này . Tiến trình con: các tiến trình do tiến trình này tạo lập . Độ ưu tiên : giúp bộ điều phối có thông tin để lựa chọn tiến trình được cấp CPU. Thông tin thống kê (5): đây là những thông tin thống kê về hoạt động của tiến trình, như thời gian đã sử dụng CPU,thời gian chờ. Các thông tin này có thể có ích cho công việc đánh giá tình hình hệ thống và dự đoán các tình huống tương lai. Hình vẽ 2.4 Khối mô tả tiến trình I.4. Thao tác trên tiến trình Hệ điều hành cung cấp các thao tác chủ yếu sau đây trên một tiến trình : tạo lập tiến trình (create) 17
18. kết thúc tiến trình (destroy) tạm dừng tiến trình (suspend) tái kích hoạt tiến trình (resume) thay đổi độ ưu tiên tiến trình I.4.1. Tạo lập tiến trình Trong quá trình xử lý, một tiến trình có thể tạo lập nhiều tiến trình mới bằng cách sử dụng một lời gọi hệ thống tương ứng. Tiến trình gọi lời gọi hệ thống để tạo tiến trình mới sẽ được gọi là tiến trình cha, tiến trình được tạo gọi là tiến trình con. Mỗi tiến trình con đến lượt nó lại có thể tạo các tiến trình mới quá trình này tiếp tục sẽ tạo ra một cây tiến trình. Hình vẽ2.5 Một cây tiến trình trong hệ thống UNIX Các công việc hệ điều hành cần thực hiện khi tạo lập tiến trình bao gồm : định danh cho tiến trình mới phát sinh đưa tiến trình vào danh sách quản lý của hệ thống xác định độ ưu tiên cho tiến trình tạo PCB cho tiến trình cấp phát các tài nguyên ban đầu cho tiến trình Khi một tiến trình tạo lập một tiến trình con, tiến trình con có thể sẽ được hệ điều hành trực tiếp cấp phát tài nguyên hoặc được tiến trình cha cho thừa hưởng một số tài nguyên ban đầu. Khi một tiến trình tạo tiến trình mới, tiến trình ban đầu có thể xử lý theo một trong hai khả năng sau : Tiến trình cha tiếp tục xử lý đồng hành với tiến trình con. Tiến trình cha chờ đến khi một tiến trình con nào đó, hoặc tất cả các tiến trình con kết thúc xử lý. Các hệ điều hành khác nhau có thể chọn lựa các cài đặt khác nhau để thực hiện thao tác tạo lập một tiến trình. I.4.2. Kết thúc tiến trình Một tiến trình kết thúc xử lý khi nó hoàn tất chỉ thị cuối cùng và sử dụng một lời gọi hệ thống để yêu cầu hệ điều hành hủy bỏ nó. Đôi khi một tiến trình có thể yêu cầu hệ điều hành kết thúc xử lý của một tiến trình khác. Khi một tiến trình kết thúc, hệ điều hành thực hiện các công việc thu hồi các tài nguyên hệ thống đã cấp phát cho tiến trình hủy tiến trình khỏi tất cả các danh sách quản lý của hệ thống hủy bỏ PCB của tiến trình Hầu hết các hệ điều hành không cho phép các tiến trình con tiếp tục tồn tại nếu tiến trình cha đã kết thúc. Trong những hệ thống như thế, hệ điều hành sẽ tự động phát sinh một loạt các thao tác kết thúc tiến trình con. I.5. Cấp phát tài nguyên cho tiến trình Khi có nhiều người sử dụng đồng thời làm việc trong hệ thống, hệ điều hành cần phải cấp phát các tài nguyên theo yêu cầu cho mỗi người sử dụng. Do tài nguyên hệ thống thường rất giới hạn và có khi không thể chia sẻ, nên hiếm khi tất cả các yêu cầu tài nguyên đồng thời đều được thỏa mãn. Vì thế cần phải nghiên cứu một phương pháp để chia sẻ một số tài nguyên hữu hạn giữa nhiều 18
19. tiến trình người dùng đồng thời. Hệ điều hành quản lý nhiều loại tài nguyên khác nhau (CPU, bộ nhớ chính, các thiết bị ngoại vi ), với mỗi loại cần có một cơ chế cấp phát và các chiến lược cấp phát hiệu qủa. Mỗi tài nguyên được biễu diễn thông qua một cấu trúc dữ liệu, khác nhau về chi tiết cho từng loại tài nguyên, nhưng cơ bản chứa đựng các thông tin sau : Định danh tài nguyên Trạng thái tài nguyên : đây là các thông tin mô tả chi tiết trạng thái tài nguyên : phần nào của tài nguyên đã cấp phát cho tiến trình, phần nào còn có thể sử dụng ? Hàng đợi trên một tài nguyên : danh sách các tiến trình đang chờ được cấp phát tài nguyên tương ứng. Bộ cấp phát : là đoạn code đảm nhiệm việc cấp phát một tài nguyên đặc thù. Một số tài nguyên đòi hỏi các giải thuật đặc biệt (như CPU, bộ nhớ chính, hệ thống tập tin), trong khi những tài nguyên khác (như các thiết bị nhập/xuất) có thể cần các giải thuật cấp phát và giải phóng tổng quát hơn. Hình 2.6 Khối quản lý tài nguyên Các mục tiêu của kỹ thuật cấp phát : Bảo đảm một số lượng hợp lệ các tiến trình truy xuất đồng thời đến các tài nguyên không chia sẻ được. Cấp phát tài nguyên cho tiến trình có yêu cầu trong một khoảng thời gian trì hoãn có thể chấp nhận được. Tối ưu hóa sự sử dụng tài nguyên. Để có thể thõa mãn các mục tiêu kể trên, cần phải giải quyết các vấn đề nảy sinh khi có nhiều tiến trình đồng thời yêu cầu một tài nguyên không thể chia sẻ. II. Điều phối tiến trình Trong môi trường đa chương, có thể xảy ra tình huống nhiều tiến trình đồng thời sẵn sàng để xử lý. Mục tiêu của các hệ phân chia thời gian (time-sharing) là chuyển đổi CPU qua lại giữa các tiến trình một cách thường xuyên để nhiều người sử dụng có thể tương tác cùng lúc với từng chương trình trong quá trình xử lý. Để thực hiện được mục tiêu này, hệ điều hành phải lựa chọn tiến trình được xử lý tiếp theo. Bộ điều phối sẽ sử dụng một giải thuật điều phối thích hợp để thực hiện nhiệm vụ này. Một thành phần khác của hệ điều hành cũng tiềm ẩn trong công tác điều phối là bộ phân phối (dispatcher). Bộ phân phối sẽ chịu trách nhiệm chuyển đổi ngữ cảnh và trao CPU cho tiến trình được chọn bởi bộ điều phối để xử lý. II.1. Giới thiệu II.1.1. Mục tiêu điều phối 19
20. Bộ điều phối không cung cấp cơ chế, mà đưa ra các quyết định. Các hệ điều hành xây dựng nhiều chiến lược khác nhau để thực hiện việc điều phối, nhưng tựu chung cần đạt được các mục tiêu sau : a) Sự công bằng ( Fairness) : Các tiến trình chia sẻ CPU một cách công bằng, không có tiến trình nào phải chờ đợi vô hạn để được cấp phát CPU b) Tính hiệu qủa (Efficiency) : Hệ thống phải tận dụng được CPU 100% thời gian. c) Thời gian đáp ứng hợp lý (Response time) : Cực tiểu hoá thời gian hồi đáp cho các tương tác của người sử dụng d) Thời gian lưu lại trong hệ thống ( Turnaround Time) : Cực tiểu hóa thời gian hoàn tất các tác vụ xử lý theo lô. e) Thông lượng tối đa (Throughput ) : Cực đại hóa số công việc được xử lý trong một đơn vị thời gian. Tuy nhiên thường không thể thỏa mãn tất cả các mục tiêu kể trên vì bản thân chúng có sự mâu thuẫn với nhau mà chỉ có thể dung hòa chúng ở mức độ nào đó. II.1.2. Các đặc điểm của tiến trình Điều phối hoạt động của các tiến trình là một vấn đề rất phức tạp, đòi hỏi hệ điều hành khi giải quyết phải xem xét nhiều yếu tố khác nhau để có thể đạt được những mục tiêu đề ra. Một số đặc tính của tiến trình cần được quan tâm như tiêu chuẩn điều phối : a) Tính hướng xuất / nhập của tiến trình ( I/O-boundedness): Khi một tiến trình nhận được CPU, chủ yếu nó chỉ sử dụng CPU đến khi phát sinh một yêu cầu nhập xuất ? Hoạt động của các tiến trình như thế thường bao gồm nhiều lượt sử dụng CPU , mỗi lượt trong một thời gian khá ngắn. b) Tính hướng xử lý của tiến trình ( CPU-boundedness): Khi một tiến trình nhận được CPU, nó có khuynh hướng sử dụng CPU đến khi hết thời gian dành cho nó ? Hoạt động của các tiến trình như thế thường bao gồm một số ít lượt sử dụng CPU , nhưng mỗi lượt trong một thời gian đủ dài. c) Tiến trình tương tác hay xử lý theo lô : Người sử dụng theo kiểu tương tác thường yêu cầu được hồi đáp tức thời đối với các yêu cầu của họ, trong khi các tiến trình của tác vụ được xử lý theo lô nói chung có thể trì hoãn trong một thời gian chấp nhận được. d) Độ ưu tiên của tiến trình : Các tiến trình có thể được phân cấp theo một số tiêu chuẩn đánh giá nào đó, một cách hợp lý, các tiến trình quan trọng hơn ( có độ ưu tiên cao hơn) cần được ưu tiên hơn. e) Thời gian đã sử dụng CPU của tiến trình : Một số quan điểm ưu tiên chọn những tiến trình đã sử dụng CPU nhiều thời gian nhất vì hy vọng chúng sẽ cần ít thời gian nhất để hoàn tất và rời khỏi hệ thống . Tuy nhiên cũng có quan điểm cho rằng các tiến trình nhận được CPU trong ít thời gian là những tiến trình đã phải chờ lâu nhất, do vậy ưu tiên chọn chúng. f) Thời gian còn lại tiến trình cần để hoàn tất : Có thể giảm thiểu thời gian chờ đợi trung bình của các tiến trình bằng cách cho các tiến trình cần ít thời gian nhất để hoàn tất được thực hiện trước. Tuy nhiên đáng tiếc là rất hiếm khi biết được tiến trình cần bao nhiêu thời gian nữa để kết thúc xử lý. 20
21. II.1.3. Điều phối không độc quyền và điều phối độc quyền (preemptive/nopreemptive) Thuật toán điều phối cần xem xét và quyết định thời điểm chuyển đổi CPU giữa các tiến trình. Hệ điều hành có thể thực hiện cơ chế điều phối theo nguyên lý độc quyền hoặc không độc quyền. Điều phối độc quyền : Nguyên lý điều phối độc quyền cho phép một tiến trình khi nhận được CPU sẽ có quyền độc chiếm CPU đến khi hoàn tất xử lý hoặc tự nguyện giải phóng CPU. Khi đó quyết định điều phối CPU sẽ xảy ra trong các tình huống sau: Khi tiến trình chuyển từ trạng thái đang xử lý(running) sang trạng thái bị khóa blocked ( ví dụ chờ một thao tác nhập xuất hay chờ một tiến trình con kết thúc ). Khi tiến trình kết thúc. Các giải thuật độc quyền thường đơn giản và dễ cài đặt. Tuy nhiên chúng thường không thích hợp với các hệ thống tổng quát nhiều người dùng, vì nếu cho phép một tiến trình có quyền xử lý bao lâu tùy ý, có nghĩa là tiến trình này có thể giữ CPU một thời gian không xác định, có thể ngăn cản những tiến trình còn lại trong hệ thống có một cơ hội để xử lý. Điều phối không độc quyền : Ngược với nguyên lý độc quyền, điều phối theo nguyên lý không độc quyền cho phép tạm dừng hoạt động của một tiến trình đang sẵn sàng xử lý. Khi một tiến trình nhận được CPU, nó vẫn được sử dụng CPU đến khi hoàn tất hoặc tự nguyện giải phóng CPU, nhưng một tiến trình khác có độ ưu tiên có thể dành quyền sử dụng CPU của tiến trình ban đầu. Như vậy là tiến trình có thể bị tạm dừng hoạt động bất cứ lúc nào mà không được báo trước, để tiến trình khác xử lý. Các quyết định điều phối xảy ra khi : Khi tiến trình chuyển từ trạng thái đang xử lý (running) sang trạng thái bị khóa blocked ( ví dụ chờ một thao tác nhập xuất hay chờ một tiến trình con kết thúc ). Khi tiến trình chuyển từ trạng thái đang xử lý (running) sang trạng thái ready ( ví dụ xảy ra một ngắt). Khi tiến trình chuyển từ trạng thái chờ (blocked) sang trạng thái ready ( ví dụ một thao tác nhập/xuất hoàn tất). Khi tiến trình kết thúc. Các thuật toán điều phối theo nguyên tắc không độc quyền ngăn cản được tình trạng một tiến trình độc chiếm CPU, nhưng việc tạm dừng một tiến trình có thể dẫn đến các mâu thuẫn trong truy xuất, đòi hỏi phải sử dụng một phương pháp đồng bộ hóa thích hợp để giải quyết. Trong các hệ thống sử dụng nguyên lý điều phối độc quyền có thể xảy ra tình trạng các tác vụ cần thời gian xử lý ngắn phải chờ tác vụ xử lý với thời gian rất dài hoàn tất! Nguyên lý điều phối độc quyền thường chỉ thích hợp với các hệ xử lý theo lô. Đối với các hệ thống tương tác(time sharing), các hệ thời gian thực (real time),cần phải sử dụng nguyên lý điều phối không độc quyền để các tiến trình quan trọng có cơ hội hồi đáp kịp thời. Tuy nhiên thực hiện điều phối theo nguyên lý không độc quyền đòi hỏi những cơ chế phức tạp trong việc phân định độ ưu tiên, và phát sinh thêm chi phí khi chuyển đổi CPU qua lại giữa các tiến trình. II.2. Tổ chức điều phối II.2.1. Các danh sách sử dụng trong quá trình điều phối. Hệ điều hành sử dụng hai loại danh sách để thực hiện điều phối các tiến trình là danh sách sẵn sàng (ready list) và danh sách chờ đợi(waiting list). Khi một tiến trình bắt đầu đi vào hệ thống, nó được chèn vào danh sách các tác vụ (job list). Danh sách này bao gồm tất cả các tiến trình của hệ thống. Nhưng chỉ các tiến trình đang thường trú trong bộ nhớ chính và ở trạng thái sẵn sàng tiếp nhận CPU để hoạt động mới được đưa vào danh sách sẵn sàng. Bộ điều phối sẽ chọn một tiến trình trong danh sách sẵn sàng và cấp CPU cho tiến trình đó. Tiến trình được cấp CPU sẽ thực hiện xử lý, và có thể chuyển sang trạng thái chờ khi xảy ra các sự kiện như đợi một thao tác nhập/xuất hoàn tất, yêu cầu tài nguyên chưa được thỏa mãn, được yêu cầu tạm dừng Khi đó tiến trình sẽ được chuyển sang một danh sách chờ đợi. 21
22. Hệ điều hành chỉ sử dụng một danh sách sẵn sàng cho toàn hệ thống, nhưng mỗi một tài nguyên ( thiết bị ngoại vi ) có một danh sách chờ đợi riêng bao gồm các tiến trình đang chờ được cấp phát tài nguyên đó. Hình 2.9 Các danh sách điều phối Quá trình xử lý của một tiến trình trải qua những chu kỳ chuyển đổi qua lại giữa danh sách sẵn sàng và danh sách chờ đợi. Sơ đồ dưới đây mô tả sự điều phối các tiến trình dựa trên các danh sách của hệ thống. Thoạt đầu tiến trình mới được đặt trong danh sách các tiến trình sẵn sàng (ready list), nó sẽ đợi trong danh sách này cho đến khi được chọn để cấp phát CPU và bắt đầu xử lý. Sau đó có thể xảy ra một trong các tình huống sau : Tiến trình phát sinh một yêu cầu một tài nguyên mà hệ thống chưa thể đáp ứng, khi đó tiến trình sẽ được chuyển sang danh sách các tiến trình đang chờ tài nguyên tương ứng. Tiến trình có thể bị bắt buộc tạm dừng xử lý do một ngắt xảy ra, khi đó tiến trình được đưa trở lại vào danh sách sẵn sàng để chờ được cấp CPU cho lượt tiếp theo. Hình 2.10 Sơ đồ chuyển đổi giữa các danh sách điều phối Trong trường hợp đầu tiên, tiến trình cuối cùng sẽ chuyển từ trạng thái blocked sang trạng thái ready và lại được đưa trở vào danh sách sẵn sàng. Tiến trình lặp lại chu kỳ này cho đến khi hoàn tất tác vụ thì được hệ thống hủy bỏ khỏi mọi danh sách điều phối. II.2.2. Các cấp độ điều phối Thực ra công việc điều phối được hệ điều hành thực hiện ở hai mức độ : điều phối tác vụ (job scheduling) và điều phối tiến trình ( process scheduling). a) Điều phối tác vụ 22
23. Quyết định lựa chọn tác vụ nào được đưa vào hệ thống, và nạp những tiến trình của tác vụ đó vào bộ nhớ chính để thực hiện. Chức năng điều phối tác vụ quyết định mức độ đa chương của hệ thống ( số lượng tiến trình trong bộ nhớ chính). Khi hệ thống tạo lập một tiến trình, hay có một tiến trình kết thúc xử lý thì chức năng điều phối tác vụ mới được kích hoạt. Vì mức độ đa chương tương đối ổn định nên chức năng điều phối tác vụ có tần suất hoạt động thấp . Để hệ thống hoạt động tốt, bộ điều phối tác vụ cần biệt tính chất của tiến trình là hướng nhập xuất (I/O bounded) hay hướng xử lý ( CPU bounded). Một tiến trình được gọi là hướng nhập xuất nếu nó chủ yếu nó chỉ sử dụng CPU để thực hiện các thao tác nhập xuất. Ngược lại một tiến trình được gọi là hướng xử lý nếu nó chủ yếu nó chỉ sử dụng CPU để thực hiện các thao tác tính toán. Để cân bằng hoạt động của CPU và các thiết bị ngoại vi, bộ điều phối tác vụ nên lựa chọn các tiến trình để nạp vào bộ nhớ sao cho hệ thống là sự pha trộn hợp lý giữa các tiến trình hướng nhập xuất và các tiến trình hướng xử lý b) Điều phối tiến trình Chọn một tiến trình ở trạng thái sẵn sàng ( đã được nạp vào bộ nhớ chính, và có đủ tài nguyên để hoạt động ) và cấp phát CPU cho tiến trình đó thực hiện. Bộ điều phối tiến trình có tần suất hoạt động cao, sau mỗi lần xảy ra ngắt ( do đồng hồ báo giờ, do các thiết bị ngoại vi ), thường là 1 lần trong khoảng 100ms. Do vậy để nâng cao hiệu suất của hệ thống, cần phải tăng tốc độ xử lý của bộ điều phối tiến trình. Chức năng điều phối tiến trình là một trong chức năng cơ bản, quan trọng nhất của hệ điều hành. Hình 2.11 Cấp độ điều phối trung gian Trong nhiều hệ điều hành, có thể không có bộ điều phối tác vụ hoặc tách biệt rất ít đối với bộ điều phối tiến trình. Một vài hệ điều hành lại đưa ra một cấp độ điều phối trung gian kết hợp cả hai cấp độ điều phối tác vụ và tiến trình II.3. Các chiến lược điều phối II.3.1. Chiến lược FIFO Nguyên tắc : CPU được cấp phát cho tiến trình đầu tiên trong danh sách sẵn sàng có yêu cầu, là tiến trình được đưa vào hệ thống sớm nhất. Đây là thuật toán điều phối theo nguyên tắc độc quyền. Một khi CPU được cấp phát cho tiến trình, CPU chỉ được tiến trình tự nguyện giải phóng khi kết thúc xử lý hay khi có một yêu cầu nhập/xuất. Hình 2.12 Điều phối FIFO Ví dụ : Tiến trình Thời điểm vào RL Thời gian xử 23
24. lý P1 0 24 P2 1 3 P3 2 3 Thứ tự cấp phát CPU cho các tiến trình là : P1 P2 P3 0 ‘24 27 30 thời gian chờ đợi được xử lý là 0 đối với P1, (24 -1) với P2 và (24+3-2) với P3. Thời gian chờ trung bình là ( 0+23+25)/3 = 16 milisecondes. Thảo luận : Thời gian chờ trung bình không đạt cực tiểu, và biến đổi đáng kể đối với các giá trị về thời gian yêu cầu xử lý và thứ tự khác nhau của các tiến trình trong danh sách sẵn sàng. Có thể xảy ra hiện tượng tích lũy thời gian chờ, khi các tất cả các tiến trình (có thể có yêu cầu thời gian ngắn) phải chờ đợi một tiến trình có yêu cầu thời gian dài kết thúc xử lý. Giải thuật này đặc biệt không phù hợp với các hệ phân chia thời gian, trong các hệ này, cần cho phép mỗi tiến trình được cấp phát CPU đều đặn trong từng khoảng thời gian. II.3.2. Chiến lược phân phối xoay vòng (Round Robin) Nguyên tắc : Danh sách sẵn sàng được xử lý như một danh sách vòng, bộ điều phối lần lượt cấp phát cho từng tiến trình trong danh sách một khoảng thời gian sử dụng CPU gọi là quantum. Đây là một giải thuật điều phối không độc quyền : khi một tiến trình sử dụng CPU đến hết thời gian quantum dành cho nó, hệ điều hành thu hồi CPU và cấp cho tiến trình kế tiếp trong danh sách. Nếu tiến trình bị khóa hay kết thúc trước khi sử dụng hết thời gian quantum, hệ điều hành cũng lập tức cấp phát CPU cho tiến trình khác. Khi tiến trình tiêu thụ hết thời gian CPU dành cho nó mà chưa hoàn tất, tiến trình được đưa trở lại vào cuối danh sách sẵn sàng để đợi được cấp CPU trong lượt kế tiếp. Ví dụ : Hình 2.13 Điều phối Round Robin Tiến trình Thời điểm vào RL Thời gian xử lý P1 0 24 P2 1 3 P3 2 3 Nếu sử dụng quantum là 4 milisecondes, thứ tự cấp phát CPU sẽ là: P1 P2 P3 P1 P1 P1 P1 P1 0 ‘4 7 10 14 18 22 26 30 Thời gian chờ đợi trung bình sẽ là (0+6+3+5)/3 = 4.66 milisecondes. Nếu có n tiến trìh trong danh sách sẵn sàng và sử dụng quantum q, thì mỗi tiến trình sẽ được cấp phát CPU 1/n trong từng khoảng thời gian q. Mỗi tiến trình sẽ không phải đợi quá (n-1)q đơn vị thời gian trước khi nhận được CPU cho lượt kế tiếp. Thảo luận : Vấn đề đáng quan tâm đối với giải thuật RR là độ dài của quantum. Nếu thời lượng quantum quá bé sẽ phát sinh quá nhiều sự chuyển đổi giữa các tiến trình và khiến cho việc sử dụng 24
25. CPU kém hiệu qủa. Nhưng nếu sử dụng quantum quá lớn sẽ làm tăng thời gian hồi đáp và giảm khả năng tương tác của hệ thống. II.3.3. Điều phối với độ ưu tiên Nguyên tắc : Mỗi tiến trình được gán cho một độ ưu tiên tương ứng, tiến trình có độ ưu tiên cao nhất sẽ được chọn để cấp phát CPU đầu tiên. Độ ưu tiên có thể được định nghĩa nội tại hay nhờ vào các yếu tố bên ngoài. Độ ưu tiên nội tại sử dụng các đại lượng có thể đo lường để tính toán độ ưu tiên của tiến trình, ví dụ các giới hạn thời gian, nhu cầu bộ nhớ Độ ưu tiên cũng có thể được gán từ bên ngoài dựa vào các tiêu chuẩn do hệ điều hành như tầm quan trọng của tiến trình, loại người sử dụng sỡ hữu tiến trình Giải thuật điều phối với độ ưu tiên có thể theo nguyên tắc độc quyền hay không độc quyền. Khi một tiến trình được đưa vào danh sách các tiến trình sẵn sàng, độ ưu tiên của nó được so sánh với độ ưu tiên của tiến trình hiện hành đang xử lý. Giải thuật điều phối với độ ưu tiên và không độc quyền sẽ thu hồi CPU từ tiến trình hiện hành để cấp phát cho tiến trình mới nếu độ ưu tiên của tiến trình này cao hơn tiến trình hiện hành. Một giải thuật độc quyền sẽ chỉ đơn giản chèn tiến trình mới vào danh sách sẵn sàng, và tiến trình hiện hành vẫn tiếp tục xử lý hết thời gian dành cho nó. Ví dụ : (độ ưu tiên 1 > độ ưu tiên 2> độ ưu tiên 3) Tiến trình Thời điểm vào RL Độ ưu tiên Thời gian xử lý P1 0 3 24 P2 1 1 3 P3 2 2 3 Sử dụng thuật giải độc quyền, thứ tự cấp phát CPU như sau : P1 P2 P3 0 ‘24 27 30 Sử dụng thuật giải không độc quyền, thứ tự cấp phát CPU như sau : P1 P2 P3 P1 0 ‘1 4 7 30 Thảo luận : Tình trạng ‘đói CPU’ (starvation) là một vấn đề chính yếu của các giải thuật sử dụng độ ưu tiên. Các giải thuật này có thể để các tiến trình có độ ưu tiên thấp chờ đọi CPU vô hạn ! Để ngăn cản các tiến trình có độ ưu tiên cao chiếm dụng CPU vô thời hạn, bộ điều phối sẽ giảm dần độ ưu tiên của các tiến trình này sau mỗi ngắt đồng hồ. Nếu độ ưu tiên của tiến trình này giảm xuống thấp hơn tiến trình có độ ưu tiên cao thứ nhì, sẽ xảy ra sự chuyển đổi quyền sử dụng CPU.Quá trình này gọi là sự ‘lão hóa’ (aging) tiến trình. II.3.4. Chiến lược công việc ngắn nhất (Shortest-job-first SJF) Nguyên tắc : Đây là một trường hợp đặc biệt của giải thuật điều phối với độ ưu tiên. Trong giải thuật này, độ ưu tiên p được gán cho mỗi tiến trình là nghịch đảo của thời gian xử lý t mà tiến trình yêu cầu : p = 1/t. Khi CPU được tự do, nó sẽ được cấp phát cho tiến trình yêu cầu ít thời gian nhất để kết thúc- tiến trình ngắn nhất. Giải thuật này cũng có thể độc quyền hay không độc quyền. Sự chọn lựa xảy ra khi có một tiến trình mới được đưa vào danh sách sẵn sàng trong khi một tiến trình khác đang xử lý. Tiến trình mới có thể sỡ hữu một yêu cầu thời gian sử dụng CPU cho lần tiếp theo (CPU-burst) ngắn hơn thời gian còn lại mà tiến trình hiện hành cần xử lý. Giải thuật SJF không độc quyền sẽ dừng hoạt động của tiến trình hiện hành, trong khi giải thuật độc quyền sẽ cho phép tiến trình hiện hành tiếp tục xử lý. Ví dụ : Tiến trình Thời điểm vào Thời gian xử RL lý P1 0 6 P2 1 8 25
26. P3 2 4 P4 3 2 Sử dụng thuật giải SJF độc quyền, thứ tự cấp phát CPU như sau: P1 P4 P3 P2 0 6 8 12 20 Sử dụng thuật giải SJF không độc quyền, thứ tự cấp phát CPU như sau: P1 P4 P1 P3 P2 0 3 5 8 12 20 Thảo luận : Giải thuật này cho phép đạt được thời gian chờ trung bình cực tiểu. Khó khăn thực sự của giải thuật SJF là không thể biết được thời gian yêu cầu xử lý còn lại của tiến trình ? Chỉ có thể dự đoán giá trị này theo cách tiếp cận sau : gọi tn là độ dài của thời gian xử lý lần thứ n, t n+1 là giá trị dự đoán cho lần xử lý tiếp theo. Với hy vọng giá trị dự đoán sẽ gần giống với các giá trị trước đó, có thể sử dụng công thức: t n+1 = a tn + (1-a )t n Trong công thức này,tn chứa đựng thông tin gần nhất ; t n chứa đựng các thông tin quá khứ được tích lũy. Tham số a ( 0 £ a £ 1) kiểm soát trọng số của hiện tại gần hay quá khứ ảnh hưởng đến công thức dự đón. II.3.5. Chiến lược điều phối với nhiều mức độ ưu tiên Nguyên tắc : Ý tưởng chính của giải thuật là phân lớp các tiến trình tùy theo độ ưu tiên của chúng để có cách thức điều phối thích hợp cho từng nhóm. Danh sách sẵn sàng được phân tách thành các danh sách riêng biệt theo cấp độ ưu tiên, mỗi danh sách bao gồm các tiến trình có cùng độ ưu tiên và được áp dụng một giải thuật điều phối thích hợp để điều phối. Ngoài ra, còn có một giải thuật điều phối giữa các nhóm, thường giải thuật này là giải thuật không độc quyền và sử dụng độ ưu tiên cố định.Một tiến trình thuộc về danh sách ở cấp ưu tiên i sẽ chỉ được cấp phát CPU khi các danh sách ở cấp ưu tiên lớn hơn i đã trống. Hình 2.14 Điều phối nhiều cấp ưu tiên Thảo luận : Thông thường, một tiến trình sẽ được gán vĩnh viễn với một danh sách ở cấp ưu tiên i khi nó được đưa vào hệ thống. Các tiến trình không di chuyển giữa các danh sách. Cách tổ chức này sẽ làm giảm chi phí điều phối, nhưng lại thiếu linh động và có thể dẫn đến tình trạng ‘đói CPU’ cho các tiến trình thuộc về những danh sách có độ ưu tiên thấp. Do vậy có thể xây dựng giải thuật điều phối nhiều cấp ưu tiên và xoay vòng. Giải thuật này sẽ chuyển dần một tiến trình từ danh sách có độ ưu tiên cao xuống danh sách có độ ưu tiên thấp hơn sau mỗi lần sử dụng CPU. Cũng vậy, một tiến trình chờ quá lâu trong các danh sách có độ ưu tiên thấp cũng có thể được chuyển dần lên các danh sách có độ ưu tiên cao hơn. Khi xây dựng một giải thuật điều phối nhiều cấp ưu tiên và xoay vòng cần quyếtđịnh các tham số : Số lượng các cấp ưu tiên Giải thuật điều phối cho từng danh sách ứng với một cấp ưu tiên. 26
27. Phương pháp xác định thời điểm di chuyển một tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên cao hơn. Phương pháp xác định thời điểm di chuyển một tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên thấp hơn. Phương pháp sử dụng để xác định một tiến trình mới được đưa vào hệ thống sẽ thuộc danh sách ứng với độ tiên nào. Hình 2.15 Điều phối Multilevel Feedback II.3.6. Chiến lược điều phối Xổ số (Lottery) Nguyên tắc : Ý tưởng chính của giải thuật là phát hành một số vé số và phân phối cho các tiến trình trong hệ thống. Khi đến thời điểm ra quyết định điều phối, sẽ tiến hành chọn 1 vé "trúng giải", tiến trình nào sỡ hữu vé này sẽ được nhận CPU Thảo luận : Giải thuật Lottery cung cấp một giải pháp đơn giản nhưng bảo đảm tính công bằng cho thuật toán điều phối với chi phí thấp để cập nhật độ ưu tiên cho các tiến trình : 27
28. BÀI 4: LIÊN LẠC GIỮA CÁC TIẾN TRÌNH & VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ HOÁ I. LIÊN LẠC GIỮA CÁC TIẾN TRÌNH I.1. Nhu cầu liên lạc giữa các tiến trình Trong môi trường đa chương, một tiến trình không đơn độc trong hệ thống , mà có thể ảnh hưởng đến các tiến trình khác , hoặc bị các tiến trình khác tác động. Nói cách khác, các tiến trình là những thực thể độc lập , nhưng chúng vẫn có nhu cầu liên lạc với nhau để: Chia sẻ thông tin: nhiều tiến trình có thể cùng quan tâm đến những dữ liệu nào đó, do vậy hệ điều hành cần cung cấp một môi trường cho phép sự truy cập đồng thời đến các dữ liệu chung. Hợp tác hoàn thành tác vụ: đôi khi để đạt được một sự xử lý nhanh chóng, người ta phân chia một tác vụ thành các công việc nhỏ có thể tiến hành song song. Thường thì các công việc nhỏ này cần hợp tác với nhau để cùng hoàn thành tác vụ ban đầu, ví dụ dữ liệu kết xuất của tiến trình này lại là dữ liệu nhập cho tiến trình khác Trong các trường hợp đó, hệ điều hành cần cung cấp cơ chế để các tiến trình có thể trao đổi thông tin với nhau. I.2. Các vấn đề nảy sinh trong việc liên lạc giữa các tiến trình Do mỗi tiến trình sỡ hữu một không gian địa chỉ riêng biệt, nên các tiến trình không thể liên lạc trực tiếp dễ dàng mà phải nhờ vào các cơ chế do hệ điều hành cung cấp. Khi cung cấp cơ chế liên lạc cho các tiến trình, hệ điều hành thường phải tìm giải pháp cho các vấn đề chính yếu sau: Liên kết tường minh hay tiềm ẩn (explicit naming/implicit naming) : tiến trình có cần phải biết tiến trình nào đang trao đổi hay chia sẻ thông tin với nó ? Mối liên kết được gọi là tường minh khi được thiết lập rõ ràng , trực tiếp giữa các tiến trình, và là tiềm ẩn khi các tiến trình liên lạc với nhau thông qua một qui ước ngầm nào đó. Liên lạc theo chế độ đồng bộ hay không đồng bộ (blocking / non-blocking): khi một tiến trình trao đổi thông tin với một tiến trình khác, các tiến trình có cần phải đợi cho thao tác liên lạc hoàn tất rồi mới tiếp tục các xử lý khác ? Các tiến trình liên lạc theo cơ chế đồng bộ sẽ chờ nhau hoàn tất việc liên lạc, còn các tiến trình liên lạc theo cơ chế nonblocking thì không. Liên lạc giữa các tiến trình trong hệ thống tập trung và hệ thống phân tán: cơ chế liên lạc giữa các tiến trình trong cùng một máy tính có sự khác biệt với việc liên lạc giữa các tiến trình giữa những máy tính khác nhau? Hầu hết các hệ điều hành đưa ra nhiều cơ chế liên lạc khác nhau, mỗi cơ chế có những đặc tính riêng, và thích hợp trong một hoàn cảnh chuyên biệt. II. Các Cơ Chế Thông Tin Liên lạc II.1. Tín hiệu (Signal) Giới thiệu: Tín hiệu là một cơ chế phần mềm tương tự như các ngắt cứng tác động đến các tiến trình. Một tín hiệu được sử dụng để thông báo cho tiến trình về một sự kiện nào đó xảy ra. Có nhiều tín hiệu được định nghĩa, mỗi một tín hiệu có một ý nghĩa tương ứng với một sự kiện đặc trưng. Ví dụ : Một số tín hiệu của UNIX Tín hiệu Mô tả SIGINT Người dùng nhấn phím DEL để ngắt xử lý tiến trình SIGQUIT Yêu cầu thoát xử lý SIGILL Tiến trình xử lý một chỉ thị bất hợp lệ SIGKILL Yêu cầu kết thúc một tiến trình SIGFPT Lỗi floating – point xảy ra ( chia cho 0) SIGPIPE Tiến trình ghi dữ liệu vào pipe mà không có reader 28
29. Tín hiệu Mô tả SIGSEGV Tiến trình truy xuất đến một địa chỉ bất hợp lệ SIGCLD Tiến trình con kết thúc SIGUSR1 Tín hiệu 1 do người dùng định nghĩa SIGUSR2 Tín hiệu 2 do người dùng định nghĩa Mỗi tiến trình sỡ hữu một bảng biễu diễn các tín hiệu khác nhau. Với mỗi tín hiệu sẽ có tương ứng một trình xử lý tín hiệu (signal handler) qui định các xử lý của tiến trình khi nhận được tín hiệu tương ứng. Các tín hiệu được gửi đi bởi : Phần cứng (ví dụ lỗi do các phép tính số học) Hạt nhân hệ điều hành gửi đến một tiến trình ( ví dụ lưu ý tiến trình khi có một thiết bị nhập/xuất tự do). Một tiến trình gửi đến một tiến trình khác ( ví dụ tiến trình cha yêu cầu một tiến trình con kết thúc) Người dùng ( ví dụ nhấn phím Ctl-C để ngắt xử lý của tiến trình) Khi một tiến trình nhận một tín hiệu, nó có thể xử sự theo một trong các cách sau : Bỏ qua tín hiệu Xử lý tín hiệu theo kiểu mặc định Tiếp nhận tín hiệu và xử lý theo cách đặc biệt của tiến trình. Hình 3.1 Liên lạc bằng tín hiệu Thảo luận: Liên lạc bằng tín hiệu mang tính chất không đồng bộ, nghĩa là một tiến trình nhận tín hiệu không thể xác định trước thời điểm nhận tính hiệu. Hơn nữa các tiến trình không thể kiểm tra được sự kiện tương ứng với tín hiệu có thật sự xảy ra ? Cuối cùng, các tiến trình chỉ có thể thông báo cho nhau về một biến cố nào đó, mà không trao đổi dữ liệu theo cơ chế này được. II.2. Pipe Giới thiệu: Một pipe là một kênh liên lạc trực tiếp giữa hai tiến trình : dữ liệu xuất của tiến trình này được chuyển đến làm dữ liệu nhập cho tiến trình kia dưới dạng một dòng các byte. Khi một pipe được thiết lập giữa hai tiến trình, một trong chúng sẽ ghi dữ liệu vào pipe và tiến trình kia sẽ đọc dữ liệu từ pipe. Thứ tự dữ liệu truyền qua pipe được bảo toàn theo nguyên tắc FIFO. Một pipe có kích thước giới hạn (thường là 4096 ký tự) Hình 3.2 Liên lạc qua pipe Một tiến trình chỉ có thể sử dụng một pipe do nó tạo ra hay kế thừa từ tiến trình cha. Hệ điều hành cung cấp các lời gọi hệ thống read/write cho các tiến trình thực hiện thao tác đọc/ghi dữ liệu 29
30. trong pipe. Hệ điều hành cũng chịu trách nhiệm đồng bộ hóa việc truy xuất pipe trong các tình huống: Tiến trình đọc pipe sẽ bị khóa nếu pipe trống, nó sẽ phải đợi đến khi pipe có dữ liệu để truy xuất. Tiến trình ghi pipe sẽ bị khóa nếu pipe đầy, nó sẽ phải đợi đến khi pipe có chỗ trống để chứa dữ liệu. Thảo luận: Liên lạc bằng pipe là một cơ chế liên lạc một chiều (unidirectional), nghĩa là một tiến trình kết nối với một pipe chỉ có thể thực hiện một trong hai thao tác đọc hoặc ghi, nhưng không thể thực hiện cả hai. Một số hệ điều hành cho phép thiết lập hai pipe giữa một cặp tiến trình để tạo liên lạc hai chiều. Trong những hệ thống đó, có nguy cơ xảy ra tình trạng tắc nghẽn (deadlock) : một pipe bị giới hạn về kích thước, do vậy nếu cả hai pipe nối kết hai tiến trình đều đầy(hoặc đều trống) và cả hai tiến trình đều muốn ghi (hay đọc) dữ liệu vào pipe(mỗi tiến trình ghi dữ liệu vào một pipe), chúng sẽ cùng bị khóa và chờ lẫn nhau mãi mãi ! Cơ chế này cho phép truyền dữ liệu với cách thức không cấu trúc. Ngoài ra, một giới hạn của hình thức liên lạc này là chỉ cho phép kết nối hai tiến trình có quan hệ cha-con, và trên cùng một máy tính. II.3. Vùng nhớ chia sẻ Giới thiệu: Cách tiếp cận của cơ chế này là cho nhiều tiến trình cùng truy xuất đến một vùng nhớ chung gọi là vùng nhớ chia sẻ (shared memory).Không có bất kỳ hành vi truyền dữ liệu nào cần phải thực hiện ở đây, dữ liệu chỉ đơn giản được đặt vào một vùng nhớ mà nhiều tiến trình có thể cùng truy cập được. Với phương thức này, các tiến trình chia sẻ một vùng nhớ vật lý thông qua trung gian không gian địa chỉ của chúng. Một vùng nhớ chia sẻ tồn tại độc lập với các tiến trình, và khi một tiến trình muốn truy xuất đến vùng nhớ này, tiến trình phải kết gắn vùng nhớ chung đó vào không gian địa chỉ riêng của từng tiến trình, và thao tác trên đó như một vùng nhớ riêng của mình. Hình 3.3 Liên lạc qua vùng nhớ chia sẻ Thảo luận:. Đây là phương pháp nhanh nhất để trao đổi dữ liệu giữa các tiến trình. Nhưng phương thức này cũng làm phát sinh các khó khăn trong việc bảo đảm sự toàn vẹn dữ liệu (coherence) , ví dụ : làm sao biết được dữ liệu mà một tiến trình truy xuất là dữ liệu mới nhất mà tiến trình khác đã ghi ? Làm thế nào ngăn cản hai tiến trình cùng đồng thờighi dữ liệu vào vùng nhớ chung ? Rõ ràng vùng nhớ chia sẻ cần được bảo vệ bằng những cơ chế đồng bộ hóa thích hợp Một khuyết điểm của phương pháp liên lạc này là không thể áp dụng hiệu quả trong các hệ phân tán , để trao đổi thông tin giữa các máy tính khác nhau. II.4. Trao đổi thông điệp (Message) Giới thiệu: Hệ điều hành còn cung cấp một cơ chế liên lạc giữa các tiến trình không thông qua việc chia sẻ một tài nguyên chung , mà thông qua việc gửi thông điệp. Để hỗ trợ cơ chế liên lạc bằng thông điệp, hệ điều hành cung cấp các hàm IPC chuẩn (Interprocess communication), cơ bản là hai hàm: Send(message) : gửi một thông điệp Receive(message) : nhận một thông điệp Nếu hai tiến trình P và Q muốn liên lạc với nhau, cần phải thiết lập một mối liên kết giữa hai tiến trình, sau đó P, Q sử dụng các hàm IPC thích hợp để trao đổi thông điệp, cuối cùng khi sự liên lạc 30
31. chấm dứt mối liên kết giữa hai tiến trình sẽ bị hủy. Có nhiều cách thức để thực hiện sự liên kết giữa hai tiến trình và cài đặt các theo tác send /receive tương ứng : liên lạc trực tiếp hay gián tiếp, liên lạc đồng bộ hoặc không đồng bộ , kích thước thông điệp là cố định hay không Nếu các tiến trình liên lạc theo kiểu liên kết tường minh, các hàm Send và Receive sẽ được cài đặt với tham số : Send(destination, message) : gửi một thông điệp đến destination Receive(source,message) : nhận một thông điệp từ source Thảo luận: Đơn vị truyền thông tin trong cơ chế trao đổi thông điệp là một thông điệp, do đó các tiến trình có thể trao đổi dữ liệu ở dạng có cấu trúc. II.5. Sockets Giới thiệu: Một socket là một thiết bị truyền thông hai chiều tương tự như tập tin, chúng ta có thể đọc hay ghi lên nó, tuy nhiên mỗi socket là một thành phần trong một mối nối nào đó giữa các máy trên mạng máy tính và các thao tác đọc/ghi chính là sự trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng trên nhiều máy khác nhau. Sử dụng socket có thể mô phỏng hai phương thức liên lạc trong thực tế : liên lạc thư tín (socket đóng vai trò bưu cục) và liên lạc điện thoại (socket đóng vai trò tổng đài) . Các thuộc tính của socket: Domaine: định nghĩa dạng thức địa chỉ và các nghi thức sử dụng. Có nhiều domaines, ví dụ UNIX, INTERNET, XEROX_NS, Type: định nghĩa các đặc điểm liên lạc: a) Sự tin cậy b) Sự bảo toàn thứ tự dữ liệu c) Lặp lại dữ liệu d) Chế độ nối kết e) Bảo toàn giới hạn thông điệp f) Khả năng gửi thông điệp khẩn Để thực hiện liên lạc bằng socket, cần tiến hành các thao tác :: Tạo lập hay mở một socket Gắn kết một socket với một địa chỉ Liên lạc : có hai kiểu liên lạc tùy thuộc vào chế độ nối kết: a) Liên lạc trong chế độ không liên kết : liên lạc theo hình thức hộp thư: hai tiến trình liên lạc với nhau không kết nối trực tiếp mỗi thông điệp phải kèm theo địa chỉ người nhận. Hình thức liên lạc này có đặc điểm được : người gửi không chắc chắn thông điệp của học được gửi đến người nhận, một thông điệp có thể được gửi nhiều lần, hai thông điệp gửi theo một thứ tự nào đó có thể đến tay người nhận theo một thứ tự khác. Một tiến trình sau khi đã mở một socket có thể sử dụng nó để liên lạc với nhiều tiến trình khác nhau nhờ sử hai primitive send và receive. b) Liên lạc trong chế độ nối kết: Một liên kết được thành lập giữa hai tiến trình. Trước khi mối liên kết này được thiết lập, một trong hai tiến trình phải đợi có một tiến trình khác yêu cầu kết nối.Có thể sử dụng socket để liên lạc theo mô hình client-serveur. Trong mô hình này, server sử dụng lời gọi hệ thống listen và accept để nối kết với client, sau đó , client và server có thể trao đổi thông tin bằng cách sử dụng các primitive send và receive. Hủy một socket Ví dụ : Trong nghi thức truyền thông TCP, mỗi mối nối giữa hai máy tính được xác định bởi một port, khái niệm port ở đây không phải là một cổng giao tiếp trên thiết bị vật lý mà chỉ là một khái niệm logic 31
32. trong cách nhìn của người lập trình, mỗi port được tương ứng với một số nguyên dương. Hình 3.4 Các socket và port trong mối nối TCP. Hình 3.4 minh họa một cách giao tiếp giữa hai máy tính trong nghi thức truyền thông TCP. Máy A tạo ra một socket và kết buộc (bind) socket nầy với một port X (tức là một số nguyên dương có ý nghĩa cục bộ trong máy A), trong khi đó máy B tạo một socket khác và móc vào (connect) port X trong máy A. Thảo luận: Cơ chế socket có thể sử dụng để chuẩn hoá mối liên lạc giữa các tiến trình vốn không liên hệ với nhau, và có thể hoạt động trong những hệ thống khác nhau. III. Nhu cầu đồng bộ hóa (synchronisation) Trong một hệ thống cho phép các tiến trình liên lạc với nhau, bao giờ hệ điều hành cũng cần cung cấp kèm theo những cơ chế đồng bộ hóa để bảo đảm hoạt động của các tiến trình đồng hành không tác động sai lệch đến nhau vì các lý do sau đây: III.1. Yêu cầu độc quyền truy xuất (Mutual exclusion) Các tài nguyên trong hệ thống được phân thành hai loại: tài nguyên có thể chia sẻ cho phép nhiều tiến trình đồng thời truy xuất, và tài nguyên không thể chia sẻ chỉ chấp nhận một ( hay một số lượng hạn chế ) tiến trình sử dụng tại một thời điểm. Tính không thể chia sẻ của tài nguyên thường có nguồn gốc từ một trong hai nguyên nhân sau đây: Đặc tính cấu tạo phần cứng của tài nguyên không cho phép chia sẻ. Nếu nhiều tiến trình sử dụng tài nguyên đồng thời, có nguy cơ xảy ra các kết quả không dự đoán được do hoạt động của các tiến trình trên tài nguyên ảnh hưởng lẫn nhau. Để giải quyết vấn đề, cần bảo đảm tiến trình độc quyền truy xuất tài nguyên, nghĩa là hệ thống phải kiểm soát sao cho tại một thời điểm, chỉ có một tiến trình được quyền truy xuất một tài nguyên không thể chia sẻ. III.2. Yêu cầu phối hợp (Synchronization) Nhìn chung, mối tương quan về tốc độ thực hiện của hai tiến trình trong hệ thống là không thể biết trước, vì điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố động như tần suất xảy ra các ngắt của từng tiến trình, thời gian tiến trình được cấp phát bộ xử lý Có thể nói rằng các tiến trình hoạt động không đồng bộ với nhau. Như ng có những tình huống các tiến trình cần hợp tác trong việc hoàn thành tác vụ, khi đó cần phải đồng bộ hóa hoạt động của các tiến trình , ví dụ một tiến trình chỉ có thể xử lý nếu một tiến trình khác đã kết thúc một công việc nào đó III.3. Bài toán đồng bộ hoá III.3.1. Vấn đề tranh đoạt điều khiển (race condition) Giả sử có hai tiến trình P1 và P2 thực hiện công việc của các kế toán, và cùng chia sẻ một vùng nhớ chung lưu trữ biến taikhoan phản ánh thông tin về tài khoản. Mỗi tiến trình muốn rút một khoản tiền tienrut từ tài khoản: if (taikhoan - tienrut >=0) taikhoan = taikhoan - tienrut; else error(« khong the rut tien ! »); Giả sử trong tài khoản hiện còn 800, P1 muốn rút 500 và P2 muốn rút 400. Nếu xảy ra tình huống như sau : Sau khi đã kiểm tra điều kiện (taikhoan - tienrut >=0) và nhận kết quả là 300, P1 hết thời gian xử lý mà hệ thống cho phép, hệ điều hành cấp phát CPU cho P2. P2 kiểm tra cùng điều kiện trên, nhận được kết quả là 400 (do P1 vẫn chưa rút tiền) và rút 400. Giá trị của taikhoan được cập nhật lại là 400. 32
33. Khi P1 được tái kích hoạt và tiếp tục xử lý, nó sẽ không kiểm tra lại điều kiện (taikhoan - tienrut >=0)-vì đã kiểm tra trong lượt xử lý trước- mà thực hiện rút tiền. Giá trị của taikhoan sẽ lại được cập nhật thành -100. Tình huống lỗi xảy ra ! Các tình huống tương tự như thế - có thể xảy ra khi có nhiều hơn hai tiến trình đọc và ghi dữ liệu trên cùng một vùng nhớ chung, và kết quả phụ thuộc vào sự điều phối tiến trình của hệ thống- được gọi là các tình huống tranh đoạt điều khiển (race condition). III.3.2. Miền găng (critical section) Để ngăn chặn các tình huống lỗi có thể nảy sinh khi các tiến trình truy xuất đồng thời một tài nguyên không thể chia sẻ, cần phải áp đặt một sự truy xuất độc quyền trên tài nguyên đó : khi một tiến trình đang sử dụng tài nguyên, thì những tiến trình khác không được truy xuất đến tài nguyên. Đoạn chương trình trong đó có khả năng xảy ra các mâu thuẫn truy xuất trên tài nguyên chung được gọi là miền găng (critical section). Trong ví dụ trên, đoạn mã : if (taikhoan - tienrut >=0) taikhoan = taikhoan - tienrut; Có thể giải quyết vấn đề mâu thuẫn truy xuất nếu có thể bảo đảm tại một thời điểm chỉ có duy nhất một tiến trình được xử lý lệnh trong miền găng. Một phương pháp giải quyết tốt bài toán miền găng cần thõa mãn 4 điều kiện sau : Không có hai tiến trình cùng ở trong miền găng cùng lúc. Không có giả thiết nào đặt ra cho sự liên hệ về tốc độ của các tiến trình, cũng như về số lượng bộ xử lý trong hệ thống. Một tiến trình tạm dừng bên ngoài miền găng không được ngăn cản các tiến trình khác vào miền găng. Không có tiến trình nào phải chờ vô hạn để được vào miền găng. 33
34. BÀI 5 : CÁC GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ HOÁ I. Giải pháp « busy waiting » I.1. Các giải pháp phần mềm I.1.1. Sử dụng các biến cờ hiệu: Tiếp cân : các tiến trình chia sẻ một biến chung đóng vai trò « chốt cửa » (lock) , biến này được khởi động là 0. Một tiến trình muốn vào miền găng trước tiên phải kiểm tra giá trị của biến lock. Nếu lock = 0, tiến trình đặt lại giá trị cho lock = 1 và đi vào miền găng. Nếu lock đang nhận giá trị 1, tiến trình phải chờ bên ngoài miền găng cho đến khi lock có giá trị 0. Như vậy giá trị 0 của lock mang ý nghĩa là không có tiến trình nào đang ở trong miền găng, và lock=1 khi có một tiến trình đang ở trong miền găng. while (TRUE) { while (lock == 1); // wait lock = 1; critical-section (); lock = 0; Noncritical-section (); } Hình 3.5 Cấu trúc một chương trình sử dụng biến khóa để đồng bộ Thảo luận : Giải pháp này có thể vi phạm điều kiện thứ nhất: hai tiến trình có thể cùng ở trong miền găng tại một thời điểm. Giả sử một tiến trình nhận thấy lock = 0 và chuẩn bị vào miền găng, nhưng trước khi nó có thể đặt lại giá trị cho lock là 1, nó bị tạm dừng để một tiến trình khác hoạt động. Tiến trình thứ hai này thấy lock vẫn là 0 thì vào miền găng và đặt lại lock = 1. Sau đó tiến trình thứ nhất được tái kích hoạt, nó gán lock = 1 lần nữa rồi vaò miền găng. Như vậy tại thời điểm đó cả hai tiến trình đều ở trong miền găng. I.1.2. Sử dụng việc kiểm tra luân phiên : Tiếp cận : Đây là một giải pháp đề nghị cho hai tiến trình. Hai tiến trình này sử dụng chung biến turn (phản ánh phiên tiến trình nào được vào miền găng), được khởi động với giá trị 0. Nếu turn = 0, tiến trình A được vào miền găng. Nếu turn = 1, tiến trình A đi vào một vòng lặp chờ đến khi turn nhận giá trị 0. Khi tiến trình A rời khỏi miền găng, nó đặt giá trị turn về 1 để cho phép tiến trình B đi vào miền găng. while (TRUE) { while (turn != 0); // wait critical-section (); turn = 1; Noncritical-section (); } (a) Cấu trúc tiến trình A while (TRUE) { while (turn != 1); // wait critical-section (); turn = 0; Noncritical-section (); } (b) Cấu trúc tiến trình B Hình 3.6 Cấu trúc các tiến trình trong giải pháp kiểm tra luân phiên Thảo luận: Giải pháp này dựa trên việc thực hiện sự kiểm tra nghiêm nhặt đến lượt tiến trình nào được vào miền găng. Do đó nó có thể ngăn chặn được tình trạng hai tiến trình cùng vào miền găng, nhưng lại có thể vi phạm điều kiện thứ ba: một tiến trình có thể bị ngăn chặn vào miền găng bởi một tiến trình khác không ở trong miền găng. Giả sử tiến trình B ra khỏi miền găng rất nhanh chóng. Cả hai tiến trình đều ở ngoài miền găng, và turn = 0. Tiến trình A vào miền găng và ra khỏi nhanh chóng, đặt lại giá trị của turn là1, rồi lại xử lý đoạn lệnh ngoài miền găng lần nữa. Sau đó, tiến trình A lại kết thúc nhanh chóng đoạn lệnh ngoài miền găng của nó và muốn vào miền găng 34
35. một lần nữa. Tuy nhiên lúc này B vẫn còn mãi xử lý đoạn lệnh ngoài miền găng của mình, và turn lại mang giá trị 1 ! Như vậy, giải pháp này không có giá trị khi có sự khác biệt lớn về tốc độ thực hiện của hai tiến trình, nó vi phạm cả điều kiện thứ hai. I.1.3. Giải pháp của Peterson Tiếp cận : Petson đưa ra một giải pháp kết hợp ý tưởng của cả hai giải pháp kể trên. Các tiến trình chia sẻ hai biến chung : int turn; // đến phiên ai int interesse[2]; // khởi động là FALSE Nếu interesse[i] = TRUE có nghĩa là tiến trình Pi muốn vào miền găng. Khởi đầu, interesse[0]=interesse[1]=FALSE và giá trị của est được khởi động là 0 hay 1. Để có thể vào được miền găng, trước tiên tiến trình Pi đặt giá trị interesse[i]=TRUE ( xác định rằng tiến trình muốn vào miền găng), sau đó đặt turn=j (đề nghị thử tiến trình khác vào miền găng). Nếu tiến trình Pj không quan tâm đến việc vào miền găng (interesse[j]=FALSE), thì Pi có thể vào miền găng, nếu không, Pi phải chờ đến khi interesse[j]=FALSE. Khi tiến trình Pi rời khỏi miền găng, nó đặt lại giá trị cho interesse[i]= FALSE. while (TRUE) { int j = 1-i; // j là tiến trình còn lại interesse[i]= TRUE; turn = j; while (turn == j && interesse[j]==TRUE); critical-section (); interesse[i] = FALSE; Noncritical-section (); } Hình 3.7 Cấu trúc tiến trình Pi trong giải pháp Peterson Thảo luận: giải pháp này ngăn chặn được tình trạng mâu thuẫn truy xuất : mỗi tiến trình Pi chỉ có thể vào miền găng khi interesse[j]=FALSE hoặc turn = i. Nếu cả hai tiến trình đều muốn vào miền găng thì interesse[i] = interesse[j] =TRUE nhưng giá trị của turn chỉ có thể hoặc là 0 hoặc là 1, do vậy chỉ có một tiến trình được vào miền găng. I.2. Các giải pháp phần cứng I.2.1. Cấm ngắt: Tiếp cân: cho phép tiến trình cấm tất cả các ngắt trước khi vào miền găng, và phục hồi ngắt khi ra khỏi miền găng. Khi đó, ngắt đồng hồ cũng không xảy ra, do vậy hệ thống không thể tạm dừng hoạt động của tiến trình đang xử lý để cấp phát CPU cho tiến trình khác, nhờ đó tiến trình hiện hành yên tâm thao tác trên miền găng mà không sợ bị tiến trình nào khác tranh chấp. Thảo luận: giải pháp này không được ưa chuộng vì rất thiếu thận trọng khi cho phép tiến trình người dùng được phép thực hiện lệnh cấm ngắt. Hơn nữa, nếu hệ thống có nhiều bộ xử lý, lệnh cấm ngắt chỉ có tác dụng trên bộ xử lý đang xử lý tiến trình, còn các tiến trình hoạt động trên các bộ xử lý khác vẫn có thể truy xuất đến miền găng ! I.2.2. Chỉ thị TSL (Test-and-Set): Tiếp cận: đây là một giải pháp đòi hỏi sự trợ giúp của cơ chế phần cứng. Nhiều máy tính cung cấp một chỉ thị đặc biệt cho phép kiểm tra và cập nhật nội dung một vùng nhớ trong một thao tác không thể phân chia, gọi là chỉ thị Test-and-Set Lock (TSL) và được định nghĩa như sau: Test-and-Setlock(boolean target) { Test-and-Setlock = target; target = TRUE; } Nếu có hai chỉ thị TSL xử lý đồng thời (trên hai bộ xử lý khác nhau), chúng sẽ được xử lý tuần tự . Có thể cài đặt giải pháp truy xuất độc quyền với TSL bằng cách sử dụng thêm một biến lock, được khởi gán là FALSE. Tiến trình phải kiểm tra giá trị của biến lock trước khi vào miền găng, nếu lock = FALSE, tiến trình có thể vào miền găng. while (TRUE) { 35
36. while (Test-and-Setlock(lock)); critical-section (); lock = FALSE; Noncritical-section (); } Hình 3.8 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp TSL Thảo luận : cũng giống như các giải pháp phần cứng khác, chỉ thị TSL giảm nhẹ công việc lập trình để giải quyết vấn để, nhưng lại không dễ dàng để cài đặt chỉ thị TSL sao cho được xử lý một cách không thể phân chia, nhất là trên máy với cấu hình nhiều bộ xử lý. Tất cả các giải pháp trên đây đều phải thực hiện một vòng lặp để kiểm tra liệu nó có được phép vào miền găng, nếu điều kiện chưa cho phép, tiến trình phải chờ tiếp tục trong vòng lặp kiểm tra này. Các giải pháp buộc tiến trình phải liên tục kiểm tra điều kiện để phát hiện thời điểm thích hợp được vào miền găng như thế được gọi các giải pháp « busy waiting ». Lưu ý rằng việc kiểm tra như thế tiêu thụ rất nhiều thời gian sử dụng CPU, do vậy tiến trình đang chờ vẫn chiếm dụng CPU. Xu hướng giải quyết vấn đề đồng bộ hoá là nên tránh các giải pháp « busy waiting ». II. Các giải pháp « SLEEP and WAKEUP » Để loại bỏ các bất tiện của giải pháp « busy waiting », chúng ta có thể tiếp cận theo hướng cho một tiến trình chưa đủ điều kiện vào miền găng chuyển sang trạng thái blocked, từ bỏ quyền sử dụng CPU. Để thực hiện điều này, cần phải sử dụng các thủ tục do hệ điều hành cung cấp để thay đổi trạng thái tiến trình. Hai thủ tục cơ bản SLEEP và WAKEUP thường được sử dụng để phục vụ mục đích này. SLEEP là một lời gọi hệ thống có tác dụng tạm dừng hoạt động của tiến trình (blocked) gọi nó và chờ đến khi được một tiến trình khác « đánh thức ». Lời gọi hệ thống WAKEUP nhận một tham số duy nhất : tiến trình sẽ được tái kích hoạt (đặt về trạng thái ready). Ý tưởng sử dụng SLEEP và WAKEUP như sau : khi một tiến trình chưa đủ điều kiện vào miền găng, nó gọi SLEEP để tự khóa đến khi có một tiến trình khác gọi WAKEUP để giải phóng cho nó. Một tiến trình gọi WAKEUP khi ra khỏi miền găng để đánh thức một tiến trình đang chờ, tạo cơ hội cho tiến trình này vào miền găng : int busy; // 1 nếu miền găng đang bị chiếm, nếu không là 0 int blocked; // đếm số lượng tiến trình đang bị khóa while (TRUE) { if (busy){ blocked = blocked + 1; sleep(); } else busy = 1; critical-section (); busy = 0; if(blocked){ wakeup(process); blocked = blocked - 1; } Noncritical-section (); } Hình 3.9 Cấu trúc chương trình trong giải pháp SLEEP and WAKEUP Khi sử dụng SLEEP và WAKEUP cần hết sức cẩn thận, nếu không muốn xảy ra tình trạng mâu thuẫn truy xuất trong một vài tình huống đặc biệt như sau : giả sử tiến trình A vào miền găng, và trước khi nó rời khỏi miền găng thì tiến trình B được kích hoạt. Tiến trình B thử vào miền găng nhưng nó nhận thấy A đang ở trong đó, do vậy B tăng giá trị biến blocked và chuẩn bị gọi SLEEP để tự khoá. Tuy nhiên trước khi B có thể thực hiện SLEEP, tiến trình A lại được tái kích hoạt và ra khỏi miền găng. Khi ra khỏi miền găng A nhận thấy có một tiến trình đang chờ (blocked=1) nên gọi WAKEUP và giảm giá trị của blocked. Khi đó tín hiệu WAKEUP sẽ lạc mất do tiến trình B chưa 36
37. thật sự « ngủ » để nhận tín hiệu đánh thức !Khi tiến trình B được tiếp tục xử lý, nó mới goi SLEEP và tự khó vĩnh viễn ! Vấn đề ghi nhận được là tình trạng lỗi này xảy ra do việc kiểm tra tư cách vào miền găng và việc gọi SLEEP hay WAKEUP là những hành động tách biệ, có thể bị ngắt nửa chừng trong quá trình xử lý, do đó có khi tín hiệu WAKEUP gửi đến một tiến trình chưa bị khóa sẽ lạc mất. Để tránh những tình huống tương tự, hệ điều hành cung cấp những cơ chế đồng bộ hóa dựa trên ý tưởng của chiến lược « SLEEP and WAKEUP » nhưng được xây dựng bao hàm cả phương tiện kiểm tra điều kiện vào miền găng giúp sử dụng an toàn. II.1. Semaphore Tiếp cận: Được Dijkstra đề xuất vào 1965, một semaphore s là một biến có các thuộc tính sau: Một giá trị nguyên dương e(s) Một hàng đợi f(s) lưu danh sách các tiến trình đang bị khóa (chờ) trên semaphore s Chỉ có hai thao tác được định nghĩa trên semaphore Down(s): giảm giá trị của semaphore s đi 1 đơn vị nếu semaphore có trị e(s) > 0, và tiếp tục xử lý. Ngược lại, nếu e(s) 0, tiến trình phải chờ đến khi e(s) >0. Up(s): tăng giá trị của semaphore s lên 1 đơn vị. Nếu có một hoặc nhiều tiến trình đang chờ trên semaphore s, bị khóa bởi thao tác Down, thì hệ thống sẽ chọn một trong các tiến trình này để kết thúc thao tác Down và cho tiếp tục xử lý. Hình 3.10 Semaphore s Cài đặt: Gọi p là tiến trình thực hiện thao tác Down(s) hay Up(s). Down(s): e(s) = e(s) - 1; if e(s) < 0 { status(P)= blocked; enter(P,f(s)); } Up(s): e(s) = e(s) + 1; if s <= 0 { exit(Q,f(s)); //Q là tiến trình đang chờ trên s status (Q) = ready; enter(Q,ready-list); } Lưu ý cài đặt này có thể đưa đến một giá trị âm cho semaphore, khi đó trị tuyệt đối của semaphore cho biết số tiến trình đang chờ trên semaphore. Điều quan trọng là các thao tác này cần thực hiện một cách không bị phân chia, không bị ngắt nữa chừng, có nghĩa là không một tiến trình nào được phép truy xuất đến semaphore nếu tiến trình đang thao tác trên semaphore này chưa kết thúc xử lý hay chuyển sang trạng thái blocked. Sử dụng: có thể dùng semaphore để giải quyết vấn đề truy xuất độc quyền hay tổ chức phối hợp giữa các tiến trình. Tổ chức truy xuất độc quyền với Semaphores: khái niệm semaphore cho phép bảo đảm nhiều tiến trình cùng truy xuất đến miền găng mà không có sự mâu thuẫn truy xuất. n tiến trình cùng sử dụng một semaphore s, e(s) được khởi gán là 1. Để thực hiện đồng bộ hóa, tất cả các tiến trình cần phải áp dụng cùng cấu trúc chương trình sau đây: 37
38. while (TRUE) { Down(s) critical-section (); Up(s) Noncritical-section (); } Hình 3.11 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp semaphore Tổ chức đồng bộ hóa với Semaphores: với semaphore có thể đồng bộ hóa hoạt động của hai tiến trình trong tình huống một tiến trình phải đợi một tiến trình khác hoàn tất thao tác nào đó mới có thể bắt đầu hay tiếp tục xử lý. Hai tiến trình chia sẻ một semaphore s, khởi gán e(s) là 0. Cả hai tiến trình có cấu trúc như sau: P1: while (TRUE) { job1(); Up(s); //đánh thức P2 } P2: while (TRUE) { Down(s); // chờ P1 job2(); } Hình 3.12 Cấu trúc chương trình trong giải pháp semaphore Thảo luận : Nhờ có thực hiện một các không thể phân chia, semaphore đã giải quyết được vấn đề tín hiệu "đánh thức" bị thất lạc. Tuy nhiên, nếu lập trình viên vô tình đặt các primitive Down và Up sai vị trí, thứ tự trong chương trình, thì tiến trình có thể bị khóa vĩnh viễn. Ví dụ : while (TRUE) { Down(s) critical-section (); Noncritical-section (); } tiến trình trên đây quên gọi Up(s), và kết quả là khi ra khỏi miền găng nó sẽ không cho tiến trình khác vào miền găng ! Vì thế việc sử dụng đúng cách semaphore để đồng bộ hóa phụ thuộc hoàn toàn vào lập trình viên và đòi hỏi lập trình viên phải hết sức thận trọng. II.2. Monitors Tiếp cận: Để có thể dễ viết đúng các chương trình đồng bộ hóa hơn, Hoare(1974) và Brinch & Hansen (1975) đã đề nghị một cơ chế cao hơn được cung cấp bởi ngôn ngữ lập trình , là monitor. Monitor là một cấu trúc đặc biệt bao gồm các thủ tục, các biến và cấu trúc dữ liệu có các thuộc tính sau : Các biến và cấu trúc dữ liệu bên trong monitor chỉ có thể được thao tác bởi các thủ tục định nghĩa bên trong monitor đó. (encapsulation). Tại một thời điểm, chỉ có một tiến trình duy nhất được hoạt động bên trong một monitor (mutual exclusive). Trong một monitor, có thể định nghĩa các biến điều kiện và hai thao tác kèm theo là Wait và Signal như sau : gọi c là biến điều kiện được định nghĩa trong monitor: Wait(c): chuyển trạng thái tiến trình gọi sang blocked , và đặt tiến trình này vào hàng đợi trên biến điều kiện c. Signal(c): nếu có một tiến trình đang bị khóa trong hàng đợi của c, tái kích hoạt tiến trình đó, và tiến trình gọi sẽ rời khỏi monitor. 38
39. Hình 3.13 Monitor và các biến điều kiện Cài đặt : trình biên dịch chịu trách nhiệm thực hiện việc truy xuất độc quyền đến dữ liệu trong monitor. Để thực hiện điều này, một semaphore nhị phân thường được sử dụng. Mỗi monitor có một hàng đợi toàn cục lưu các tiến trình đang chờ được vào monitor, ngoài ra, mỗi biến điều kiện c cũng gắn với một hàng đợi f(c) và hai thao tác trên đó được định nghĩa như sau: Wait(c) : status(P)= blocked; enter(P,f(c)); Signal(c) : if (f(c) != NULL){ exit(Q,f(c)); //Q là tiến trình chờ trên c statusQ) = ready; enter(Q,ready-list); } Sử dụng: Với mỗi nhóm tài nguyên cần chia sẻ, có thể định nghĩa một monitor trong đó đặc tả tất cả các thao tác trên tài nguyên này với một số điều kiện nào đó.: monitor condition ; ; procedure Action1(); { } procedure Actionn(); { } end monitor; Hình 3.14 Cấu trúc một monitor Các tiến trình muốn sử dụng tài nguyên chung này chỉ có thể thao tác thông qua các thủ tục bên trong monitor được gắn kết với tài nguyên: while (TRUE) { Noncritical-section (); .Actioni; //critical-section(); Noncritical-section (); 39
40. } Hình 3.15 Cấu trúc tiến trình Pi trong giải pháp monitor Thảo luận: Với monitor, việc truy xuất độc quyền được bảo đảm bởi trình biên dịch mà không do lập trình viên, do vậy nguy cơ thực hiện đồng bộ hóa sai giảm rất nhiều. Tuy nhiên giải pháp monitor đòi hỏi phải có một ngôn ngữ lập trình định nghĩa khái niệm monitor, và các ngôn ngữ như thế chưa có nhiều. II.3. Trao đổi thông điệp Tiếp cận: giải pháp này dựa trên cơ sở trao đổi thông điệp với hai primitive Send và Receive để thực hiện sự đồng bộ hóa: Send(destination, message): gửi một thông điệp đến một tiến trình hay gửi vào hộp thư. Receive(source,message): nhận một thông điệp thừ một tiến trình hay từ bất kỳ một tiến trình nào, tiến trình gọi sẽ chờ nếu không có thông điệp nào để nhận. Sử dụng: Có nhiều cách thức để thực hiện việc truy xuất độc quyền bằng cơ chế trao đổi thông điệp. Đây là một mô hình đơn giản: một tiến trình kiểm soát việc sử dụng tài nguyên và nhiều tiến trình khác yêu cầu tài nguyên này. Tiến trình có yêu cầu tài nguyên sẽ gửi một thông điệp đến tiến trình kiểm soát và sau đó chuyển sang trạng thái blocked cho đến khi nhận được một thông điệp chấp nhận cho truy xuất từ tiến trình kiểm soát tài nguyên.Khi sử dụng xong tài nguyên , tiến trình gửi một thông điệp khác đến tiến trình kiểm soát để báo kết thúc truy xuất. Về phần tiến trình kiểm soát , khi nhận được thông điệp yêu cầu tài nguyên, nó sẽ chờ đến khi tài nguyên sẵn sàng để cấp phát thì gửi một thông điệp đến tiến trình đang bị khóa trên tài nguyên đó để đánh thức tiến trình này. while (TRUE) { Send(process controler, request message); Receive(process controler, accept message); critical-section (); Send(process controler, end message); Noncritical-section (); } Hình 3.16 Cấu trúc tiến trình yêu cầu tài nguyên trong giải pháp message Thảo luận: Các primitive semaphore và monitor có thể giải quyết được vấn đề truy xuất độc quyền trên các máy tính có một hoặc nhiều bộ xử lý chia sẻ một vùng nhớ chung. Nhưng các primitive không hữu dụng trong các hệ thống phân tán, khi mà mỗi bộ xử lý sỡ hữu một bộ nhớ riêng biệt và liên lạc thông qua mạng. Trong những hệ thống phân tán như thế, cơ chế trao đổi thông điệp tỏ ra hữu hiệu và được dùng để giải quyết bài toán đồng bộ hóa. III. Các vấn đề cổ điển của đồng bộ hoá III.1. Vấn đề Người sản xuất – Người tiêu thụ (Producer-Consumer) Vấn đề: hai tiến trình cùng chia sẻ một bộ đệm có kích thước giới hạn. Một trong hai tiến trình đóng vai trò người sản xuất – tạo ra dữ liệu và đặt dữ liệu vào bộ đệm- và tiến trình kia đóng vai trò người tiêu thụ – lấy dữ liệu từ bộ đệm ra để xử lý. Hình 3.17 Producer và Consumer Để đồng bộ hóa hoạt động của hai tiến trình sản xuất tiêu thụ cần tuân thủ các quy định sau : Tiến trình sản xuất (producer) không được ghi dữ liệu vào bộ đệm đã đầy.(synchronisation) Tiến trình tiêu thụ (consumer) không được đọc dữ liệu từ bộ đệm đang trống.(synchronisation) Hai tiến trình sản xuất và tiêu thụ không được thao tác trên bộ đệm cùng lúc . (exclusion mutuelle) Giải pháp: 40