Giáo trình Nguyên lý các hệ điều hành - Phần 1

Nội dung text: Giáo trình Nguyên lý các hệ điều hành - Phần 1

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH 1.1 Khái niệm hệ điều hành Hệ điều hành là một hệ thống các 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 dễ 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 2
2. 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 Lịch sử phát triển của hệ điều hành 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. 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 3
3. 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. 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 thiết 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. Thế hệ 4 (1980 - nay) 4
4. 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. 1.3. Phân loại hệ thống 1.3.1 Hệ thống xử lý theo lô 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. 1.3.2 Hệ thống xử lý theo lô 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. 1.3.3 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 5
5. 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. 1.3.4 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 . Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công việc được thực hiện nhanh chóng hơn. 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. 6
6. 1.3.5 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 nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là: Chia xẻ tài nguyên : 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 để hỗ 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. 1.3.6 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. 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 7
7. 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. 1.4 Các thành phần của hệ điều hành a) Quản lý tiến trình Một tiến trình là một chương trình đang được thi hành. 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. 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. - Tạm dừng và thực hiện tiếp một tiến trình. - Cung cấp các cơ chế đồng bộ tiến trình. - Cung cấp các cơ chế giao tiếp giữa các tiến trình. - Cung cấp cơ chế kiểm soát deadlock b) Quản lý bộ nhớ chính : Trong hệ thống máy tính hiện đại, bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý. Bộnhớ chính có thể xem như một mảng kiểu byte hay kiểu word. Mỗi phần tử 8
8. 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 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 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. 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 tiến trình nào đang 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. c) Quản lý bộ nhớ phụ : 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. 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. d) Quản lý hệ thống vào/ ra : 9
9. 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 vào/ra bao gồm : - Thành phần quản lý bộ nhớ chứa vùng đệm (buffering), lưu trữ (caching) và spooling (vùng chứa). - Giao tiếp điều khiển thiết bị (device drivers) tổng quát. - Bộ điều khiển cho các thiết bị xác định. Chỉ có bộ điều khiển cho các thiết bị xác định mới hiểu đến cấu trúc đặc thù của thiết bị mà nó mô tả. e) Quản lý hệ thống tập tin : 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. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tập tin : - Tạo và xoá một tập tin. - Tạo và xoá một thư mục. - Hỗ trợ các thao tác trên tập tin và thư mục. - Ánh xạ tập tin trên hệ thống lưu trữ phụ. - Sao lưu dự phòng các tập tin trên các thiết bị lưu trữ. 10
10. f) 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. g) Hệ thống thông dịch lệnh : Một trong những phần quan trọng của chương trình hệ thống trong một hệ điều hành là hệ thống thông dịch 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. 1.5 Cấu trúc hệ thống 11
11. a) Cấu trúc đơn giản Thông thường hệ điều hành bắt đầu là một hệ thống nhỏ, đơn giản và có giới hạn. HĐH là một tập hợp các thủ tục, có thể gọi lẫn nhau. Cấu trúc tối thiểu phân chia các thủ tục trong hệ thống thành 3 cấp độ: Các thủ tục chính: gọi đến một thủ tục của HĐH, hay còn gọi là lời gọi hệ thống Các thủ tục dịch vụ: xử lý những lời gọi hệ thống Các thủ tục tiện ích hỗ trự các thủ tục dịch vụ xử lý các lời gọi hệ thống Nhược điểm: Không có sự che dấu dữ liệu, mỗi thủ tục có thể gọi đến tất cả các thủ tục khác. Chương trình ứng dụng có thể truy xuất các thủ tục cấp thấp tác động đến cả phần cứng do vậy HĐH khó kiểm soát và bảo vệ hệ thống. Các mức độ phân chia thủ tục không rõ ràng 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 12
12. 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. b) Cấu trúc phân lớp 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. Ưu điểm là tính module. Các lớp được chọn dựa trên cơ sở lớp trên sử dụng chức năng và các dịch vụ chỉ của lớp dưới nó. Tiếp cận này đơn giản hóa việc gỡ rối và kiểm tra hệ thống. Lớp đầu tiên có thể được gỡ rối mà không có bất cứ sự quan tâm nào cho lớp còn lại của hệ thống. Bởi vì theo định nghĩa, nó chỉ sử dụng phần cứng cơ bản để cài đặt các chức năng của nó. Một khi lớp đầu tiên được gỡ rối, chức năng sửa lỗi của nó có thể được đảm đương trong khi lớp thứ 2 được gỡ rối, Nếu một lỗi được tìm thấy trong khi gỡ rối cho một lớp xác định, lỗi phải được nằm trên lớp đó vì các lớp bên dưới đã được gỡ rối rồi. Do đó, thiết kế và cài đặt hệ thống được đơn giản hóa khi hệ thống được phân chia thành nhiều lớp. Mỗi lớp được cài đặt chỉ với các thao tác được cung cấp bởi các lớp bên dưới. Một lớp không cần biết các thao tác được cài đặt như thế nào; nó chỉ cần biết các thao tác đó làm gì. Do đó, mỗi lớp che giấu sự tồn tại của cấu trúc dữ liệu, thao tác và phần cứng từ các lớp cấp cao hơn. Khó khăn chính của tiếp cận phân lớp liên quan tới việc định nghĩa cẩn thận các lớp vì một lớp chỉ có thể sử dụng các lớp bên dưới nó. Thí dụ, trình điều khiển thiết bị cho không gian đĩa được dùng bởi các giải thuật bộ nhớ ảo phải nằm ở tại cấp thấp hơn trình điều khiển thiết bị của các thủ tục quản lý bộ nhớ vì quản lý bộ nhớ yêu cầu khả năng sử dụng không gian đĩa. 13
13. Các yêu cầu có thể không thật sự rõ ràng. Thường thì các trình điều khiển lưu trữ dự phòng nằm trên bộ định thời CPU vì trình điều khiển cần phải chờ nhập/xuất và CPU có thể được định thời lại trong thời gian này. Tuy nhiên, trên hệ thống lớn, bộ định thời có thể có nhiều thông tin hơn về tất cả quá trình đang hoạt động hơn là có thể đặt vừa trong bộ nhớ. Do đó, thông tin này có thể cần được hoán vị vào và ra bộ nhớ, yêu cầu thủ tục trình điều khiển lưu trữ dự phòng nằm bên dưới bộ định thời CPU. Vấn đề cuối cùng với các cài đặt phân lớp là chúng có khuynh hướng ít hiệu quả hơn các loại khác. Thí dụ, khi chương trình người dùng thực thi thao tác nhập/xuất, nó thực thi một lời gọi hệ thống. Lời gọi hệ thống này được bẫy (trapped) tới lớp nhập/xuất, nó yêu cầu tầng quản lý bộ nhớ, sau đó gọi tầng định thời CPU, sau đó được truyền tới phần cứng. Tại mỗi lớp, các tham số có thể được hiệu chỉnh, dữ liệu có thể được truyền, Mỗi tầng thêm chi phí cho lời gọi hệ thống; kết quả thực sự là lời gọi hệ thống mất thời gian lâu hơn khi chúng thực hiện trên hệ thống không phân tầng. 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: Hình 1.3 Cấu trúc của hệ điều hành THE Các ví dụ khác như cấu trúc lớp của hệ điều hành VENUS và OS/2 c) Máy ảo Các máy ảo là những bản sao ảo chính xác các đặc tính phần cứng của máy tính thực sự và cho phép một hệ điều hành khác hoạt động trên đó như trên phần cứng thực sự. Phần nhân hệ thống thực hiện giám sát máy ảo chịu trách nhiệm giao tiếp với phần cứng và cho phép khả năng đa chương bằng cách cung cấp nhiều máy ảo cho các lớp bên trên. 14
14. 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. 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. Hình 1.4 So sánh giữa máy thực và máy ảo d) Vi nhân (Microkernels) Khi hệ điều hành UNIX được mở rộng, nhân trở nên lớn và khó quản lý. Vào giữa những năm 1980, các nhà nghiên cứu tại đại học Carnegie Mellon phát triển một hệ điều hành được gọi là Match mà module hóa nhân dùng tiếp cận vi nhân (micro kernel). Phương pháp này định kiến trúc của hệ điều hành bằng xóa tất cả thành phần 15
15. không quan trọng từ nhân và cài chúng như các chương trình cấp người dùng và hệ thống. Kết quả này làm cho nhân nhỏ hơn. Có rất ít sự nhất trí liên quan đến việc quyết định dịch vụ nào nên để lại trong nhân và dịch vụ nào nên được cài đặt trong không gian người dùng. Tuy nhiên, thường thì các vi nhân điển hình cung cấp quá trình và quản lý bộ nhớ tối thiểu ngoài phương tiện giao tiếp. Chức năng chính của vi nhân là cung cấp tiện nghi giao tiếp giữa chương trình khách hàng và các dịch vụ khác mà chúng đang chạy trong không gian người dùng. Giao tiếp được cung cấp bằng truyền thông điệp. Thí dụ, nếu chương trình khách hàng muốn truy xuất một tập tin, nó phải giao tiếp với trình phục vụ tập tin (file server). Chương trình người dùng và dịch vụ không bao giờ giao tiếp trực tiếp. Đúng hơn là chúng giao tiếp gián tiếp bằng cách truyền thông điệp với vi nhân. Thuận lợi của tiếp cận vi nhân là dễ dàng mở rộng hệ điều hành. Tất cả dịch vụ mới được thêm tới không gian người dùng và do đó không yêu cầu phải hiệu chỉnh nhân. Kết quả là hệ điều hành dễ dàng hơn để chuyển đổi từ thiết kế phần cứng này sang thiết kế phần cứng khác. Vi nhân cũng cung cấp khả năng an toàn và tin cậy hơn vì hầu hết các dịch vụ đang chạy như người dùng –hơn là nhân- các quá trình. Nếu một dịch vụ bị lỗi, phần còn lại của hệ điều hành vẫn không bị ảnh hưởng. Một số hệ điều hành hiện đại dùng tiếp cận vi nhân. Tru64 UNIX (Digital UNIX trước đây) cung cấp giao diện UNIX tới người dùng, nhưng nó được cài đặt với nhân Mach. Nhân Mach ánh xạ các lời gọi hệ thống vào các thông điệp tới các dịch vụ cấp người dùng tương ứng. Hệ điều hành Apple MacOS Server được dựa trên cơ sở nhân Mach. QNX là hệ điều hành thời thực cũng dựa trên cơ sở thiết kế vi nhân. Vi nhân QNX cung cấp các dịch vụ cho việc truyền thông điệp và định thời quá trình. Nó cũng quản lý giao tiếp mạng cấp thấp và các ngắt phần cứng. Tất cả dịch vụ khác trong QNX được cung cấp bởi các quá trình chuẩn chạy bên ngoài nhân trong chế độ người dùng. Windows NT dùng một cấu trúc tổng hợp. Windows NT được thiết kế để chạy các ứng dụng khác nhau, gồm Win32 (ứng dụng thuần Windows), OS/2, và POSIX (Portable Operating System Interface for uniX). Nó cung cấp một server chạy trong không gian người dùng cho mỗi loại ứng dụng. Các chương trình khách hàng cho mỗi loại ứng dụng chạy trong không gian người dùng. Nhân điều phối việc truyền thông điệp giữa các ứng dụng khách hàng và server ứng dụng. 16
16. 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. 17
17. Hình 1.5 Mô hình Client-Server trong hệ thống phân tán 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. 1.6 Các tính chất cơ bản của hệ điều hành a) Tin cậy Mọi hoạt động, mọi thông báo của HĐH đều phải chuẩn xác, tuyệt đối. chỉ khi nào biết chắc chắn là đúng thì HĐH mới cung cấp thông tin cho người sử dụng. Để đảm bảo được yêu cầu này, phần thiết bị kỹ thuật phải có những phương tiện hỗ trợ kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu trong các phép lưu trữ và xử lý. Trong các trường 18
18. hợp còn lại HĐH thông báo lỗi và ngừng xử lý trao quyền quyết định cho người vận hành hoặc người sử dụng. b) An toàn Hệ thống pahỉ tổ chức sao cho chương trình và dữ liệu không bị xoá hoặc bị thay đổi ngoài ý muốn trong mọi trường hợp và mọi chế độ hoạt động. Điều này đặc biệt quan trọng khi hệ thống là đa nhiệm. Các tài nguyên khác nhau đòi hỏi những yêu cầu khác nhau trong việc đảm bảo an toàn. c) Hiệu quả Các tài nguyên của hệ thống phải đợc khai thác triệt để sao chon gay cả điều kiện tài nguyên hạn chế vẫn có thể giải quyết những yêu cầu phức tạp. Một khía cạnh quan trọng của đảm bảo hiệu quả là duy trì đồng bộ trong toàn bộ hệ thống, không để các thiết bị tốc độ chậm trì hoãn hoạt động của toàn bộ hệ thống. d) Tổng quát theo thời gian HĐH phải có tính kế thừa, đồng thời có khả năng thích nghi với những thay đổi cso thể cso trong tương lai. Tính thừa kế là rất quan trọng ngay cả với các hệ điều hành thế hệ mới. Đối với việc nâng cấp, tính kế thừa là bắt buộc. Các thao tác, thông báo là không được thay đổi, hoặc nếu có thì không đáng kể và phải được hướng dẫn cụ thể khi chuyển từ phiên bản này sang phiên bản khác, bằng các phương tiện nhận biết của hệ thống. Đảm bảo tính kế thừa sẽ duy trì và phát triển đội ngũ người sử dụng-một nhân tố quan trọng để HĐH có thể tồn tại. Ngoài ra người sử dụng cũng rất quan tâm, liệu những kinh nghiệm và kiến thức của mình về HĐH hiện tại còn được sử dụng bao lâu nữa. Khả năng thích nghi với những thay đổi đòi hỏi HĐH phải được thiết kế theo một số nguyên tắc nhất định. e) Thuận tiện Hẹ thống phải dẽ dàng sử dụng, có nhiều mức hiệu quả khác nhau tuỳ theo kiến thức và kinh nghiệm người dùng. Hệ thống trợ giúp phong phú để người sử dụng có thể tự đào tạo ngay trong quá trình khai thác. Trong một chừng mực nào đó, các tính chất trên mâu thuẫn lẫn nhau. Mỗi HĐH có một giải pháp trung hoà, ưu tiên hợp lý ở tính chất này hay tính chất khác. 1.7 Nguyên lý xây dựng chương trình HĐH 19
19. a) Module - HĐH phải được xây dựng từ các module độc lập nhưng có khả năng liên kết thành một hệ thống có thể thu gọn hoặc mở rộng tuỳ ý. - Các module đồng cấp quan hệ với nhau thông qua dữ liệu vào và ra. - Tồn tại quan hệ phân cấp khi các lien kết các module tạo thành những module có khả năng giải quết những vấn đề phức tạp hơn. b) Nguyên tắc tương đối trong định vị Các modul chương trình được viết theo đại chỉ tương đối kể từ đầu bộ nhớ. Khi thực hiện chúng mới được định vị tại vùng bộ nhớ cụ thể. Nguyên tắc này cho phép hệ thống sử dụng bộ nhớ một cách linh hoạt và hệ đièu hành không bị phụ thuộc vào cấu hình bộ nhớ cụ thể. c) Nguyên tắc Macroproccessor Theo nguyên tắc này khi có nhiệm vụ cụ thể hệ thống sẽ xây dựng các phiếu yêu cầu, liệt kê các bước phải thực hiện và trên cơ sở đó xây dựng chương trình tương ứng, sau đó thực hiện chương trình nói trên. Mọi hệ điều hành đều phải xây dựng nguyên lý này trong đối thoại giữa người và máy trên ngôn ngữ vận hành. Dĩ nhiên độ sâu trong việc phân tích và xây dựng chương trình là khác nhau ở những hệ thống khác nhau. Chính nguyên tắc này đã làm cho quá trình đối thoại được linh hoạt mà không cần tới một chương trình dịch phức tạp. d) Nguyên tắc khởi tạo trong cài đặt Nguyên tắc Macroproccessor có thể áp dụng không những với từng nhiệm vụ mà còn với toàn bộ HĐH hoặc các thành phần của nó. Người sử dụng được cung cấp các bộ chương trình cài đặt. Chương trình cài đặt sẽ tạo phiên bản làm việc thích hợp với các tham số kỹ thuật hiện có, loại bỏ những modul không cần thiết để có một phiên bản tối ưu cả vầ cấu trúc lẫn phương thức hoạt động e) Nguyên tắc lập chức năng Mỗi công việc bao giờ cũng có nhiều cách thực hiện khác nhau với những tổ hợp modul khác nhau. Nguyên tắc này trước hết đảm bảo độ an toàn của hệ thống cao: vẫn có thể khai thác hệ thống bình thường ngay cả khi thiếu hoặc hỏng nhiều thành phần hệ thống. Ngoài ra, với nguyên tắc này người sử dụng sẽ thoải mái hơn khi giao 20
20. tiếp với hệ thống: với một công việc, ai nhớ hoặc thích phương tiện nào thì sử dụng phương tiện đó. Như vậy người sử dụng khai thác được cả những hiệu ứng phụ của các modul chương trình. Đôi khi trong hệ thống tồn tại nhiều modul khác nhau cùng giải quyết một vấn đề, chẳng hạn có nhiều chương tình dịch cho một ngôn ngữ thuật toán nào đó. Sự đa dạng đó cho phép người sử dụng chọn giải thuật tối ưu đối với bài toán của mình. f) Nguyên tắc giá trị chuẩn Một modun, câu lệnh có thể có nhiều tham số. Việc nhớ hết các tham số: số lượng, ý nghĩa, quy cách là vô cùng phức tạp và câu lệnh hoặc chương trình trở nên cồng cách một cách không cần thiết. Lối thoát ra khỏi tình trạng đó là chuẩn bị sẵn bộ giá trị các tham số ứng với trường hợp thường gặp nhất. Nếu trong câu lệnh hay lời gọi modul thiếu tham số nào thì hệ thống sẽ bổ sung bằng các giá tị quy ước trước. Nguyên tắc này thể hiện rất rõ trong các hệ thống cài đặt. g) Nguyên tắc bảo vệ nhiều mức Để đảm bảo an toàn hệ thống và an toàn dữ liệu, chương trình và dữ liệu phải được bảo vệ bằng nhiều khoa ở nhiều mức. Ví dụ đối với file, có thể bảo vệ ở mức cả đãi từ hoặc từng thư mục hay từng file riêng biệt, bảo vệ thường xuyên hay từng chế độ mở file Việc bảo vệ nhiều mức đã làm giảm đáng kể các lỗi không cố ý. Nguyên tắc này được nghiên cứu áp dụng rất hiệu quả với thông tin ghi trong RAM. 1.8 Các hình thái giao tiếp a) Hình thái dòng lệnh Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành qua các dòng lệnh, mỗi lệnh có các tham số tương ứng -Ưu điểm: Dễ xây dựng và giảm công sức cho người xây dựng hệ thống. Người sử dụng có thể đưa tham số của lệnh một cách chính xác theo mong muốn. - Nhược điểm: Tốc độ đưa lệnhvào chậm, người sử dụng phải nhớ các tham số. 21
21. Đối với các thao tác viên không có kinh nghiệm, thì hình thái này gây cản trở đến hiệu quả làm việc. Hình thái giao tiếp này bị cản trở bởi hàng rào ngôn ngữ. b) Hình thái thực đơn Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành thông qua các thực đơn, các thực đơn thường có dạng trải xuống(popup). Mỗi thực đơn con tương ứng với một chức năng. Các tham số có thể được đưa vào thông qua giao tiếp với người sử dụng. -Ưu điểm: Hình thái này không yêu cầu nhớ lệnh Người sử dụng có thể truy nhập vào thực đơn qua bàn phím hoặc qua chuột - Nhược điểm: Hình thái giao tiếp này bị cản trở bởi hàng rào ngôn ngữ. Đôi khi các từ trên thực đơn không nêu bật được chức năng của nó. c) Hình thái cửa sổ-biểu tượng Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành thông qua các thanh công cụ và các biểu tượng. Mỗi biểu tượng tương ứng với một chức năng. Các tham số có thể được đưa vào thông qua giao tiếp với người sử dụmg. -Ưu điểm: Hình thái này không yêu cầu nhớ lệnh Người sử dụng không bị ờang rào ngôn ngữ gây cản trở. - Nhược điểm: Có thể có rất nhiều biểu tượng do đó gây sự nhập nhằng về chức năng. Không thuận lợi khi thao tác bằng bàn phím. d) Hình thái kết hợp 22
22. HĐH thường kết hợp nhiều hình thái giao tiếp để tạo ra tính thân thiện với người sử dụng. Ví dụ: việc kết hợp thực đơn với các biểu tượng, hoặc kết hợp giữa các biểu tượng với các từ gợi ý. Hình thái giao tiếp kết hợp này khắc phục được các nhược điểm của các hình thái giao tiếp đơn lẻ. 23
23. CHƯƠNG 2 QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH 2.1 Tiến trình 2.1.1 Khái niệm về tiến trình (Process) và mô hình đa tiến trình (Multiprocess) 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 công việc 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. Để hỗ trợ sự đa chương, máy tính phải có khả năng thực hiện nhiều công việc 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. Về mặt ý niệm, có thể xem như mỗi tiến trình sỡ hữu một bộ xử lý ảo cho riêng nó, nhưng 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 24
24. 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). 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 công việc 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 công việc, CPU sẽ hoàn toàn nhàn rỗi. Ý tưởng tăng cường số lượng công việc trong hệ thống là để tận dụng CPU : nếu công việc 1 xử lý IO, thì có thể sử dụng CPU để thực hiện công việc 2 CPU IO CPU IO CPU Công việc 1 CPU IO CPU IO Công việc 2 Khi đó CPU, bộ nhớ và các tài nguyên khác sẽ được tận dụng tối đa, nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên. - 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. 25
25. 2.1.2 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 lượt. 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 26
26. 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 2.1.3 Phân loại tiến trình - Tiến trình tuần tự: Hai hay nhiều tiến trình gọi là tuần tự khi điểm kết thúc của tiến trình này là sự bắt đầu của tiến trình khác. - Tiến trình song song Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm giữa điểm bắt đầu và kết thúc của tiến trình khác. - Tiến trình có quan hệ thông tin Trao đổi thông tin qua một vùng nhớ được biểu diễn như một hộp thư có thể trao đổi thông tin qua đó. -Tiến trình độc lập 27
27. Hai hay nhiều tiến trình gọi là độc lập khi chúng không có quan hệ thông tin với nhau, hoạt động của tiến trình này không ảnh hưởng đến hoạt động của tiến trình khác và ngược lại. -Tiến trình cha và tiến trình con Một tiến trình được sinh ra từ một tiến trình khác thì được gọi là sự phân cấp của tiến trình hay được gọi là tiến trình cha và tiến trình con -Tiến trình đồng mức Thể hiện các tiến trình đó truy nhập tài nguyên dung chung theo nguyên tắc lần lượt. 2.1.4. 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. Tại một thời điểm, một tiến trình có thể nhận một trong 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 (hoàn thành nhập xuất hay nhận một tín hiệu) . - Ready : tiến trình chờ được cấp phát CPU để xử lý. - Kết thúc : tiến trình hoàn tất xử lý. 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. Sơ đồ cung chuyển đổi trạng thái: Mới tạo Kết thúc Ready Running 28 Blocked
28. Hình 2.3 2.1.5. 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 . 29
29. Hình 2.4 Khối mô tả tiến trình 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. 2.1.6. Các 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) -Kết thúc tiến trình (destroy) -Tạm dừng tiến trình (suspend) -Tái kích hoạt tiến trình (resume) -Thay đổi độ ưu tiên tiến trình a) Tạo lập tiến trình 30
30. Một tiến trình được tạo lập khi: -Người sử dụng chạy một chương trình. -Hệ điều hành thực hiện một số dịch vụ. -Tiến trình cha sinh tiến trình con -Một người truy nhập hệ thống. 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. Ví dụ trong UNIX: lời gọi hệ thống là fork Hình 2.5 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. 31
31. 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. Ví dụ UNIX Tiến trình cha chờ đến khi một tiến trình con nào đó, hoặc tất cả các tiến trình con kết thúc xử lý. Ví dụ MSDOS 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. b). Kết thúc tiến trình Một tiến trình kết thúc khi: - Tiến trình hoàn tất công việc. - Tiến trình kết thúc khi vượt quá thời hạn - Tiến trình kết thúc khi sử dụng quá tài nguyên quy định - Tiến trình kết thúc khi bộ nhớ không đủ. - Tiến trình vi phạm một số quy định - Tiến trình mắc một số lỗi về phép toán - Thiết bị ngoại vi bị lỗi -Khi các lệnh bị sai - Khi có quyền ưu tiên - Dữ liệu sai - HĐH dừng một số 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 kết thúc xử lý của một tiến trình khác bằng một lời gọi hệ thống tương ứng. Khi một tiến trình kết thúc, hệ điều hành thực hiện các công việc : 32
32. -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. 2.1.7 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 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. 33
33. 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. 2.2. Điều phối tiến trình Trong môi trường đa chương, có thể xảy ra tình huống nhiều tiến trình đồng thời sẵn sàngđể 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. 2.2.1. Mục tiêu điều phối 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 34
34. b) Tính hiệu qủa (Efficiency) :Hệ thống phải tận dụng được CPU nhiều nhất có thể.Trong hệ thống thực, nó nên nằm trong khoảng từ 40% (cho hệ thống được nạp tải nhẹ) tới 90% (cho hệ thống được nạp tải nặng). 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 heo 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. 2.2.2 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. 35
35. 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. 2.2.3. 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). 36
36. 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. Hình 2.7 Các danh sách điều phối 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. 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. 37
37. 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 2.8 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. 2.2.4. Các chiến lược điều phối a). 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 2.9 Điều phối FIFO Ví dụ : Tiến trình Thời điểm vào RL Thời gian xử lý P1 0 24 P2 1 3 38
38. 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. 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. b). 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 tối đa sử dụng CPU cho trước gọi là quantum. Tiến trình đến trước thì được cấp phát CPU trước. 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 : 39
39. Hình 2.10 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. 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 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. c). 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. Các tiến trình có độ ưu tiên bằng nhau thì tiến trình nào đến trước thì sẽ được cấp trước.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. 40
40. Ví dụ : (độ ưu tiên 1 > độ ưu tiên 2> độ ưu tiên 3) Tiến Thời điểm vào RL Độ ưu tiên Thời gian xử trình 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. d). Chiến lược công việc ngắn nhất trước (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. Nếu hai tiến trình có cùng thời gian sử dụng CPU, tiến trình đến trước sẽ đựơc yêu cầu CPU trước. Ví dụ : Tiến trình Thời điểm vào RL Thời gian xử 41
41. lý P1 0 6 P2 1 8 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 chu kỳ CPU tiếp theo? 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 đoán. e) 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 42
42. sách ở cấp ưu tiên lớn hơn i đã trống. Hình 2.11 Điều phối nhiều cấp ưu tiên 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. 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. 43
43. Hình 2.12 Điều phối Multilevel Feedback 2.3. Thông tin liên lạc giữa các tiến trình 2.3.1. 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. 2.3.2. Các Cơ Chế Thông Tin Liên lạc a). Tín hiệu (Signal) 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 44
44. Tín hiệu Mô tả SIGFPT Lỗi floating – point xảy ra ( chia cho 0) SIGPIPE Tiến trình ghi dữ liệu vào pipe mà không có reader 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 gởi đi bởi : Phần cứng (ví dụ lỗi do các phép tính số học) Hạt nhân hệ điều hành gởi đến một tiến trình ( ví dụ lưu ý tiến trình khi có một thiết bị nhập/xuất tự do). Một tiến trình gởi 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 : Hình2.13 Liên lạc bằng tín hiệu Bỏ qua tín hiệu 45
45. Xử lý tín hiệu theo kiểu mặc định Tiếp nhận tín hiệu và xử lý theo cách đặc biệt của tiến trình. 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. b). Pipe 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 2.14 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 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. 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 46
46. 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. c). Vùng nhớ chia sẻ 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 2.15 Liên lạc qua vùng nhớ chia sẻ 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. 47
47. d). Trao đổi thông điệp (Message) 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 gởi 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) : gởi 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 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) : gởi một thông điệp đến destination Receive(source,message) : nhận một thông điệp từ source 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. Định dạng thông điệp Loại thông điệp Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài thông điệp Các thông tin điều kiển Nội dung thông điệp e) Sockets 48
48. 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: Sự tin cậy Sự bảo toàn thứ tự dữ liệu Lặp lại dữ liệu Chế độ nối kết Bảo toàn giới hạn thông điệp Khả năng gởi 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: 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 : 49
49. người gởi không chắc chắn thông điệp của học được gởi đến người nhận, một thông điệp có thể được gởi nhiều lần, hai thông điệp đượ gởi 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. 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 trong cách nhìn của người lập trình, mỗi port được tương ứng với một số nguyên dương. Hình 2.16 Các socket và port trong mối nối TCP. Hình 2.16 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. 50
50. 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. 2.4 Đồng bộ hoá tiến trình 2.4.1 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. Truy xuất đồng hành dữ liệu được chia sẻ có thể dẫn tới việc không đồng nhất dữ liệu. Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận các cơ chế đảm bảo việc thực thi có thứ tự của các tiến trình hợp tác chia sẻ không gian địa chỉ để tính đúng đắn của dữ liệu luôn được duy trì. a). 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. b). 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. Nhưng có những tình huống các tiến trình cần hợp tác trong việc hoàn thành tác vụ, khi đó cần phải 51
51. 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 2.4.2. Bài toán đồng bộ hoá a). 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. 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) . b). 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 52
52. 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; của mỗi tiến trình tạo thành một miền găng. 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. 2.4.3 Các giải pháp đồng bộ hoá 2.4.3.1 Giải pháp « busy waiting » 2.4.3.1.1. Các giải pháp phần mềm a). 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 53
53. 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 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. b). 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 54
54. 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 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 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. c). 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 55
55. 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 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. 2.4.3.1.2. Các giải pháp phần cứng a) 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. 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 ! b). 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 56
56. 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) { while(Test-and-Setlock(lock)); critical-section (); lock = FALSE; Noncritical-section (); } Hình 3.8 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp TSL 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 ». 57
57. 2.4.3.2. 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 : Cấu trúc chương trình trong giải pháp SLEEP and WAKEUP 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; } 58
58. Noncritical-section (); } 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 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 gởi 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. a). 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. 59
59. 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 2.17 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. 60
60. 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: while (TRUE) { Down(s) critical-section (); Up(s) Noncritical-section (); } Hình 3.11 Cấu trúc một chương trình trong giải pháp semaphore Ví dụ: Lần Tiến Thao E(s) CS F(s) trình tác 1 A Down 0 A 2 B Down -1 A B 3 C Down -2 A B, C 4 A Up -1 B C 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: 61
61. 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 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. b). 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 62
62. 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. Hình 2.18 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: 63
63. 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) { 64
64. Noncritical-section (); .Actioni; //critical-section(); Noncritical-section (); } Hình 3.15 Cấu trúc tiến trình Pi trong giải pháp monitor 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. c). 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): gởi một thông điệp đến một tiến trình hay gởi 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 gởi 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 gởi 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 gởi 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 (); 65
65. Send(process controler, end message); Noncritical-section (); } Hình 3.16 Cấu trúc tiến trình yêu cầu tài nguyên trong giải pháp message 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. 2.5. Tắc nghẽn (Deadlock) 2.5.1. Định nghĩa: Một tập hợp các tiến trình được định nghĩa ở trong tình trạng tắc nghẽn khi mỗi tiến trình trong tập hợp đều chờ đợi một sự kiện mà chỉ có một tiến trình khác trong tập hợp mới có thể phát sinh được. Nói cách khác, mỗi tiến trình trong tập hợp đều chờ được cấp phát một tài nguyên hiện đang bị một tiến trình khác cũng ở trạng thái blocked chiếm giữ. Như vậy không có tiến trình nào có thể tiếp tục xử lý , cũng như giải phóng tài nguyên cho tiến trình khác sử dụng, tất cả các tiến trình trong tập hợp đều bị khóa vĩnh viễn ! 2.5.2. Điều kiện xuất hiện tắc nghẽn Coffman, Elphick và Shoshani đã đưa ra 4 điều kiện cần có thể làm xuất hiện tắc nghẽn: Có sử dụng tài nguyên không thể chia sẻ (Mutual exclusion): Mỗi thời điểm, một tài nguyên không thể chia sẻ được hệ thống cấp phát chỉ cho một tiến trình , khi tiến trình sử dụng xong tài nguyên này, hệ thống mới thu hồi và cấp phát tài nguyên cho tiến trình khác. Sự chiếm giữ và yêu cầu thêm tài nguyên (Wait for): Các tiến trình tiếp tục chiếm giữ các tài nguyên đã cấp phát cho nó trong khi chờ được cấp phát thêm một số tài nguyên mới. 66