... Cần Hệ điều hành hỗ trợ Vì phải thay đổi trạng thái tiến trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 44 Ý tưởng Hệ Điều hành hỗ trợ primitive : Sleep() : Tiến trình gọi nhận trạng thái Blocked WakeUp(P): Tiến. .. interleavings : tiến trình “xen vào” trình truy xuất tài nguyên tiến trình khác Giải pháp : bảo đảm tính atomicity cho phép tiến trình hoàn tất trọn vẹn trình truy xuất tài nguyên chung trước có tiến trình. .. tổ chức phối hợp hai tiến trình Nhiệm vụ lập trình viên: Thêm đoạn code đồng hóa vào chương trình gốc Thêm : xem mô hình sau P2 P1 Job1; Chờ ; Báo hiệu ; Job2; Nhiều tiến trình ? Không có mô
Chöông 5 Ñoàng boä hoaù tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 1 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 2 Nhieàu tieán trình “chung soáng hoaø bình” trong heä thoáng ? ÑÖØNG HY VOÏNG An toaøn khi caùc tieán trình hoaøn toaøn ñoäc laäp Laøm sao coù ñöôïc ?? Thöïc teá Caùc tieán trình chia seû taøi nguyeân chung ( file system, CPU...) Concurrent access => bugs. Ví duï : Deâ con qua caàu Xöû lyù ñoàng haønh = ...nhöùc ñaàu 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 3 Caùc vaán ñeà Tranh chaáp Nhieàu tieán trình truy xuaát ñoàng thôøi moät taøi nguyeân mang baûn chaát khoâng chia seû ñöôïc Xaûy ra vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Keát quaû ? Khoù bieát , thöôøng laø ...sai Luoân luoân nguy hieåm ? ...Khoâng, nhöng ñuû ñeå caân nhaéc kyõ caøng Phoái hôïp Caùc tieán trình khoâng bieát töông quan xöû lyù cuûa nhau ñeå ñieàu chænh hoaït ñoäng nhòp nhaøng Caàn phoái hôïp xöû lyù (Rendez-vous) Keát quaû : khoù bieát, khoâng baûo ñaûm aên khôùp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 4 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 5 Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï Ñeám soá ngöôøi vaøo Altavista : duøng 2 threads caäp nhaät bieán ñeám hits=> P1 vaø P2 chia seû bieán hits hits = 0 P2 P1 hits = hits + 1; hits = hits +1; Keát quaû cuoái cuøng laø bao nhieâu ? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 6 Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï hits = 0 time P2 P1 (1) read hits (0) (3) hits = 0 + 1 (2)read hits (0) (4)hits = 0 + 1 hits = 1 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 7 Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï hits = 0 time P2 P1 (1) read hits (0) (2) hits = 0 + 1 (4) hits = 1 + 1 hits = 2 11/10/2007 (3) read hits (1) Trần Hạnh Nhi 8 Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï (tt) i=0; Thread a: while(i < 10) i = i +1; print “A won!”; Thread b: while(i > -10) i = i - 1; print “B won!”; Ai thaéng ? Coù baûo ñaûm raèng seõ coù ngöôøi thaéng ? Neáu moãi tieán trình xöû lyù treân 1 CPU thì sao ? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 9 Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition)-Nhaän xeùt Keát quaû thöïc hieän tieán trình phuï thuoäc vaøo keát quaû ñieàu phoái Cuøng input, khoâng chaéc cuøng output Khoù debug loãi sai trong xöû lyù ñoàng haønh Xöû lyù Laøm lô Deã , nhöng coù phaûi laø giaûi phaùp Khoâng chia seû taøi nguyeân chung : duøng 2 bieán hits1,hits2; xaây caàu 2 lane... Neân duøng khi coù theå, nhöng khoâng bao giôø coù theå ñaûm baûo ñuû taøi nguyeân, vaø cuõng khoâng laø giaûi phaùp ñuùng cho moïi tröôøng hôïp Giaûi phaùp toång quaùt : coù hay khoâng ? 11/10/2007 Lyù do xaûy ra Race condition ? Bad interleavings : moät tieán trình “xen vaøo” quaù trình truy xuaát taøi nguyeân cuûa moät tieán trình khaùc Giaûi phaùp : baûo ñaûm tính atomicity cho pheùp tieán trình hoaøn taát troïn veïn quaù trình truy xuaát taøi nguyeân chung tröôùc khi coù tieán trình khaùc can thieäp Trần Hạnh Nhi 10 Atomicity : loaïi boû Race Condition hits = 0 time P2 P1 read hits (0) hits = 0 + 1 read hits(1) hits = 1 + 1 hits = 2 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 11 Mieàn gaêng (Critical Section) & Khaû naêng ñoäc quyeàn (Mutual Exclusion) Mieàn gaêng (CS) laø ñoaïn chöông trình coù khaû naêng gaây ra hieän töôïng race condition P2 P1 printf(“Welcome”); printf(“Welcome”); CS hits = hits + 1 hits = hits + 1 printf(“Bye”); printf(“Bye”); CS (Hoã trôï Atomicity : Caàn baûo ñaûm tính “ñoäc quyeàn truy xuaát” (Mutual Exclusion) cho mieàn gaêng (CS) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 12 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 13 Phoái hôïp hoaït ñoäng P2 P1 (2) Send(“yeâu”); (1) Send(“Anh”); P4 P3 (4) Send(“Khoâng”); (3) Send(“em”); 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 14 Chuyeän gì ñaõ xaûy ra ? P1 (1) Send(“Anh”); P2 (2) Send(“yeâu”); P3 (3) printf(“em”); P4 (4) Send(“Khoâng”); P3 (3) Send(“em”); P4 (4) Send(“Khoâng”); P2 (2) Send(“yeâu”); P1 (1)Send(“Anh”); Phoái hôïp xöû lyù P2 P1 Job1; Job2; Laøm theá naøo baûo ñaûm trình töï thöïc hieän Job1 - Job2 ? P1 vaø P2 thöïc hieän “heïn hoø” (Rendez-vous) vôùi nhau Hoã trôï Rendez-vous : Baûo ñaûm caùc tieán trình phoái hôïp vôùi nhau theo 1 trình töï xöû lyù ñònh tröôùc. 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 16 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 17 Baøi toaùn ñoàng boä hoaù (Synchronization) Nhieàu tieán trình chia seû taøi nguyeân chung ñoàng thôøi : Tranh chaáp Race Condition Nhu caàu “ñoäc quyeàn truy xuaát” (Mutual Exclusion) Caùc tieán trình phoái hôïp hoaït ñoäng : Töông quan dieãn tieán xöû lyù ? Nhu caàu “hoø heïn” (Rendez-vous) Thöïc hieän ñoàng boä hoaù : Laäp trình vieân ñeà xuaát chieán löôïc Caùc tieán trình lieân quan trong baøi toaùn phaûi toân troïng caùc luaätñoàng boä Giaûi phaùp söû duïng caùc cô cheá ñoàng boä : Do laäp trình vieân /phaàn cöùng / HÑH / NNLT cung caáp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 18 Moâ hình ñaûm baûo Mutual Exclusion Nhieäm vuï cuûa laäp trình vieân: Theâm caùc ñoaïn code ñoàng boä hoùa vaøo chöông trình goác Theâm theá naøo : xem moâ hình sau ... Kieåm tra vaø daønh quyeàn vaøo CS CS; Töø boû quyeàn söû duïng CS 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 19 Moâ hình toå chöùc phoái hôïp giöõa hai tieán trình Nhieäm vuï cuûa laäp trình vieân: Theâm caùc ñoaïn code ñoàng boä hoùa vaøo 2 chöông trình goác Theâm theá naøo : xem moâ hình sau ... P2 P1 Job1; Chôø ; Baùo hieäu ; Job2; Nhieàu tieán trình hôn thì sao ? Khoâng coù moâ hình toång quaùt Tuøy thuoäc baïn muoán heïn hoø ra sao ☺ 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 20 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy wating Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 21 Giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Moät phöông phaùp giaûi quyeát toát baøi toaùn ñoàng boä hoaù caàn thoaû maûn 4 ñieàu kieän sau: Mutual Exclusion : Khoâng coù hai tieán trình cuøng ôû trong mieàn gaêng cuøng luùc. Progess : Moät tieán trình taïm döøng beân ngoaøi mieàn gaêng khoâng ñöôïc ngaên caûn caùc tieán trình khaùc vaøo mieàn gaêng Bounded Waiting : Khoâng coù tieán trình naøo phaûi chôø voâ haïn ñeå ñöôïc vaøo mieàn gaêng. Khoâng coù giaû thieát naøo ñaët ra cho söï lieân heä veà toác ñoä cuûa caùc tieán trình, cuõng nhö veà soá löôïng boä xöû lyù trong heä thoáng. 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 22 Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Nhoùm giaûi phaùp Busy Waiting Phaàn meàm Söû duïng caùc bieán côø hieäu Söû duïng vieäc kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp cuûa Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 23 Caùc giaûi phaùp “Busy waiting” While (chöa coù quyeàn) donothing() ; CS; Töø boû quyeàn söû duïng CS Tieáp tuïc tieâu thuï CPU trong khi chôø ñôïi vaøo mieàn gaêng Khoâng ñoøi hoûi söï trôï giuùp cuûa Heä ñieàu haønh 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 24 Nhoùm giaûi phaùp Busy-Waiting Caùc giaûi phaùp Busy Waiting Caùc giaûi phaùp phaàn meàm Giaûi phaùp bieán côø hieäu Giaûi phaùp kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 25 Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Söû duïng bieán côø hieäu int lock = 0 P0 NonCS; P1 NonCS; while (lock == 1); // wait lock = 1; while (lock == 1); // wait lock = 1; CS; CS; lock = 0; lock = 0; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 26 Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Tình huoáng int lock = 0 P0 NonCS; P1 NonCS; while (lock == 1); // wait lock = 1; while (lock == 1); // wait lock = 1; CS; CS; lock = 0; lock = 0; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 27 Nhaän xeùt Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Bieán côø hieäu Coù theå môû roäng cho N tieán trình Khoâng baûo ñaûm Mutual Exclusion Nguyeân nhaân ? Bò ngaét xöû lyù while ( lock == 1); // wait lock = 1; CS ! Taøi nguyeân duøng chung Baûn thaân ñoaïn code kieåm tra vaø daønh quyeàn cuõng laø CS ! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 28 Giaûi phaùp phaàn meàm 2 : Kieåm tra luaân phieân int turn = 1 P0 NonCS; P1 NonCS; while (turn !=0); // wait while (turn != 1); // wait CS; CS; turn = 1; turn = 0; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 29 Giaûi phaùp phaàn meàm 2 : Tình huoáng int turn = 1 P1 P0 turn ==1 Wait... CS; turn = 1 NonCS; CS ? (turn ==1) CS; turn = 0; NonCS... P0 khoâng vaøo ñöôïc CS laàn 2 khi P1 döøng trong NonCS ! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 30 Nhaän xeùt Giaûi phaùp 2: Kieåm tra luaân phieân Chæ daønh cho 2 tieán trình Baûo ñaûm Mutual Exclusion Chæ coù 1 bieán turn, taïi 1 thôøi ñieåm chæ cho 1 tieán trình turn vaøo CS Khoâng baûo ñaûm Progress Nguyeân nhaân ? “Môø cuûa” cho ngöôøi = “Ñoùng cöûa” chính mình ! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 31 Giaûi phaùp phaàn meàm 3 : Peterson’s Solution Keát hôïp yù töôûng cuûa 1 & 2, caùc tieán trình chia seû: turn; //ñeán phieân ai interest[2] = FALSE; //interest[i] = T : Pi muoán vaøo CS int int Pi NonCS; j = 1 – i; interest[i] = TRUE; turn = j; while (turn==j && interest[j]==TRUE); CS; interest[i] = FALSE; 11/10/2007 NonCS; Trần Hạnh Nhi 32 Giaûi phaùp phaàn meàm 3 : Peterson Pj NonCS; i = 1 – j; interest[j] = TRUE; turn = i; while (turn==i && interest[i]==TRUE); CS; interest[j] = FALSE; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 33 Nhaän xeùt giaûi phaùp phaàn meàm 3: Peterson Laø giaûi phaùp phaàn meàm ñaùp öùng ñöôïc caû 3 ñieàu kieän Mutual Exclusion : Pi chæ coù theå vaøo CS khi: interest[j] == F hay turn == i Neáu caû 2 muoán veà thì do turn chæ coù theå nhaän giaù trò 0 hay 1 neân chæ coù 1 tieán trình vaøo CS Progress Söû duïng 2 bieán interest[i] rieâng bieät => traïng thaùi ñoái phöông khoâng khoaù mình ñöôïc Bounded Wait : interest[i] vaø turn ñeàu coù thay ñoåi giaù trò Khoâng theå môû roäng cho N tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 34 Nhaän xeùt chung veà caùc giaûi phaùp phaàn meàm trong nhoùm Busy-Waiting Khoâng caàn söï hoã trôï cuûa heä thoáng Deã...sai, Khoù môû roäng Giaûi phaùp 1 neáu coù theå ñöôïc hoã trôï atomicity thì seõ toát... Nhôø ñeán phaàn cöùng ? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 35 Nhoùm Busy-Waiting - Caùc giaûi phaùp phaàn cöùng Caùc giaûi phaùp Busy Waiting Caùc giaûi phaùp phaàn meàm Giaûi phaùp bieán côø hieäu Giaûi phaùp kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp Peterson Caùc giaûi phaùp phaàn cöùng Caám ngaét Test&Set lock Instruction 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 36 Nhoùm Busy-Waiting - Giaûi phaùp phaàn cöùng 1: Caám ngaét NonCS; Disable Interrupt; CS; Enable Interrupt; NonCS; Disable Interrupt : Caám moïi ngaét, keå caû ngaét ñoàng hoà Enable Interrupt : Cho pheùp ngaét 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 37 Giaûi phaùp phaàn cöùng 1: Caám ngaét Thieáu thaän troïng Neáu tieán trình bò khoaù trong CS ? System Halt Cho pheùp tieán trình söû duïng moät leänh ñaëc quyeàn Quaù ...lieàu ! Maùy coù N CPUs ? Khoâng baûo ñaûm ñöôïc Mutual Exclusion 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 38 Nhoùm Busy-Waiting - Giaûi phaùp phaàn cöùng 2: chæ thò TSL() CPU hoã trôï primitive Test and Set Lock Traû veà giaù trò hieän haønh cuûa 1 bieán, vaø ñaët laïi giaù trò True cho bieán Thöïc hieän moät caùch khoâng theå phaân chia TSL (boolean &target) { TSL = target; target = TRUE; } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 39 Aùp duïng TSL int lock = 0 Pi NonCS; while (TSL(lock)); // wait CS; lock = 0; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 40 Nhaän xeùt chung caùc giaûi phaùp phaàn cöùng trong nhoùm BusyWaiting Caàn ñöôïc söï hoã trôï cuûa cô cheá phaàn cöùng Khoâng deã, nhaát laø treân caùc maùy coù nhieàu boä xöû lyù Deã môû roäng cho N tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 41 Nhaän xeùt chung cho caùc giaûi phaùp trong nhoùm Busy Waiting Söû duïng CPU khoâng hieäu quaû Lieân tuïc kieåm tra ñieàu kieän khi chôø vaøo CS Khaéc phuïc Khoaù caùc tieán trình chöa ñuû ñieàu kieän vaøo CS, nhöôøng CPU cho tieán trình khaùc Phaûi nhôø ñeán Scheduler Wait and See... 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 42 Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Nhoùm giaûi phaùp Busy Waiting Phaàn meàm Söû duïng caùc bieán côø hieäu Söû duïng vieäc kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp cuûa Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 43 Caùc giaûi phaùp “Sleep & Wake up” if (chöa coù quyeàn) Sleep() ; CS; Wakeup( somebody); Töø boû CPU khi chöa ñöôïc vaøo CS Khi CS troáng, seõ ñöôïc ñaùnh thöùc ñeå vaøo CS Caàn ñöôïc Heä ñieàu haønh hoã trôï Vì phaûi thay ñoåi traïng thaùi tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 44 YÙ töôûng Heä Ñieàu haønh hoã trôï 2 primitive : Sleep() : Tieán trình goïi seõ nhaän traïng thaùi Blocked WakeUp(P): Tieán trình P nhaän traïng thaùi Ready AÙp duïng Sau khi kieåm tra ñieàu kieän seõ vaøo CS hay goïi Sleep() tuøy vaøo keát quaû kieåm tra Tieán trình vöøa söû duïng xong CS seõ ñaùnh thöùc caùc tieán trình bò Blocked tröôùc ñoù 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 45 AÙp duïng Sleep() and Wakeup() int busy; int blocked; if (busy) { } // busy ==0 : CS troáng // ñeám soá tieán trình bò Blocked chôø vaøo CS blocked = blocked + 1; Sleep(); else busy = 1; CS; busy = 0; if(blocked) { } 11/10/2007 WakeUp(P); blocked = blocked - 1; Trần Hạnh Nhi 46 Vaán ñeà vôùi Sleep & WakeUp P2 P1 if (busy) { blocked = blocked + 1; Sleep(); } else busy = 1; CS; busy = 0; if(blocked) { WakeUp(P); blocked = blocked - 1; } WakeUp bò “laïc” P1 blocked vónh vieãn if (busy) { blocked = blocked + 1; Sleep(); } else busy = 1; CS; busy = 0; if(blocked) { WakeUp(P); blocked = blocked - 1; } Nguyeân nhaân : Vieäc kieåm tra ñieàu kieän vaø ñoäng taùc töø boû CPU coù theå bò ngaét quaõng Baûn thaân caùc bieán côø hieäu khoâng ñöôïc baûo veä 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 47 Caøi ñaët caùc giaûi phaùp Sleep & WakeUp ? Heä ñieàu haønh caàn hoã trôï caùc cô cheá cao hôn Döïa treân Sleep&WakeUp Keát hôïp caùc yeáu toá kieåm tra Thi haønh khoâng theå phaân chia Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 48 Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 1: Semaphore Ñöôïc ñeà nghò bôûi Dijkstra naêm 1965 Caùc ñaëc tính : Semaphore s; Semaphore s; // s >=0 Coù 1 giaù trò Chæ ñöôïc thao taùc bôûi 2 primitives : Down(s) Up(s) Caùc primitive Down vaø Up ñöôïc thöïc hieän khoâng theå phaân chia 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 49 Caøi ñaët Semaphore (Sleep & Wakeup) typedef struct { int value; struct process* L; } Semaphore ; Giaù trò beân trong cuûa semaphore Danh saùch caùc tieán trình ñang bò block ñôïi semaphore nhaän giaù trò döông Semaphore ñöôïc xem nhö laø moät resource Caùc tieán trình “yeâu caàu” semaphore : goïi Down(s) Neáu khoâng hoaøn taát ñöôïc Down(s) : chöa ñöôïc caáp resource Blocked, ñöôïc ñöa vaøo s.L Caàn coù söï hoã trôï cuûa HÑH Sleep() & Wakeup() 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 50 Caøi ñaët Semaphore (Sleep & Wakeup) Down (S) { S.value --; if S.value < 0 { Add(P,S.L); Sleep(); } } 11/10/2007 Up(S) { S.value ++; if S.value ≤ 0 { Remove(P,S.L); Wakeup(P); } } Trần Hạnh Nhi 51 Söû duïng Semaphore Toå chöùc “ñoäc quyeàn truy xuaát” Pi Semaphore s = ?1 Down (s) CS; Up(s) Toå chöùc “hoø heïn” Semaphore s = ?0 11/10/2007 P1 : Job1; Up(s) Trần Hạnh Nhi P2: Down (s); Job2; 52 Nhaän xeùt Semaphores Laø moät cô cheá toát ñeå thöïc hieän ñoàng boä Deã duøng cho N tieán trình Nhöng yù nghóa söû duïng khoâng roõ raøng MutualExclusion : Down & Up Rendez-vous : Down & Up Chæ phaân bieät qua moâ hình Khoù söû duïng ñuùng Nhaàm laãn 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 53 Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 2: Monitor Ñeà xuaát bôûi Hoare(1974) & Brinch (1975) Laø cô cheá ñoàng boä hoaù do NNLT cung caáp Hoã trôï cuøng caùc chöùc naêng nhö Semaphore Deã söû duïng vaø kieåm soaùt hôn Semaphore Baûo ñaûm Mutual Exclusion moät caùch töï ñoäng Söû duïng bieán ñieàu kieän ñeå thöïc hieän Synchronization 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 54 Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(1) Monitor M Share variable: i,j; Laø moät module chöông trình ñònh nghóa Caùc CTDL, ñoái töôïng duøng chung Caùc phöông thöùc xöû lyù caùc ñoái töôïng naøy Baûo ñaûm tính encapsulation MethodA MethodB i=0MethodC prinf(j) i=5 11/10/2007 Caùc tieán trình muoán truy xuaát döõ lieäu beân trong monitor phaûi duøng caùc phöông thöùc cuûa monitor : P1 : M.C() // i=5 P2: M.B() // printf(j) Trần Hạnh Nhi 55 Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(2) Entry queue Share variable: i,j; P6 P7 P8 Töï ñoäng baûo ñaûm Mutual Exclusion Taïi 1 thôøi ñieåm chæ coù 1 tieán trình ñöôïc thöïc hieän caùc phöông thöùc cuûa Monitor Caùc tieán trình khoâng theå vaøo Monitor seõ ñöôïc ñöa vaøo Entry queue cuûa Monitor Ví duï MethodA MethodB i=0 MethodC printf(i) i=5 P1 : M.A(); P6 : M.B(); P7 : M.A(); P8 : M.C(); P1 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 56 Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(3) Entry queue Share variable: i,j; Condition variable: C1: P2 P4 C2: P3 P5 P1 MethodA MethodB i=0; MethodC signal(c1) P1 wait(C1); i=5 signal(C2 ); 11/10/2007 P6 P7 P8 Hoã trôï Synchronization vôùi caùc condition variables Wait(c) : Tieán trình goïi haøm seõ bò blocked Signal(c): Giaûi phoùng 1 tieán trình ñang bò blocked treân bieán ñieàu kieän c C.queue : danh saùch caùc tieán trình blocked treân c Traïng thaùi tieán trình sau khi goïi Signal? Blocked. Nhöôøng quyeàn vaøo monitor cho tieán trình ñöôïc ñaùnh thöùc Tieáp tuïc xöû lyù heát chu kyø, roài blocked Trần Hạnh Nhi 57 Söû duïng Monitor Toå chöùc “ñoäc quyeàn truy xuaát” Monitor M RC; Function AccessMutual CS; // access RC Pi M.AccessMutual(); //CS Toå chöùc “hoø heïn” Monitor M Condition c; Function F1 Job1; Signal(c); Function F2 Wait(c); Job2; 11/10/2007 P1 : M.F1(); Trần Hạnh Nhi P2: M.F2(); 58 Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 3: Message Ñöôïc hoã trôï bôûi HÑH Ñoàng boä hoùa treân moâi tröôøng phaân taùn 2 primitive Send & Receive Caøi ñaët theo mode blocking 1. Send Request Server 3. Send Finish P 2. Receive Accept 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 59 Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 60 Baøi toaùn ñoàng boä kinh ñieån 1: Producer - Consumer (Bounded-Buffer Problem) Moâ taû : 2 tieán trình P vaø C hoaït ñoäng ñoàng haønh P saûn xuaát haøng vaø ñaët vaøo Buffer C laáy haøng töø Buffer ñi tieâu thuï Buffer coù kích thöôùc giôùi haïn Tình huoáng P P vaø C ñoàng thôøi truy caäp Buffer ? P theâm haøng vaøo Buffer ñaày ? C laáy haøng töø Buffer troáng ? Buffer Buffer (N) (N) C P khoâng ñöôïc ghi döõ lieäu vaøo buffer ñaõ ñaày (Rendez-vous) C khoâng ñöôïc ñoïc döõ lieäu töø buffer ñang troáng (Rendez-vous) P vaø C khoâng ñöôïc thao taùc treân buffer cuøng luùc (Mutual Exclusion) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 61 Producer – Consummer : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa P vaø C BufferSize = N; // soá choã trong boä ñeäm semaphore mutex = 1 ; // kieåm soaùt truy xuaát ñoäc quyeàn semaphore empty = BufferSize; // soá choã troáng semaphore full = 0; // soá choã ñaày int Buffer[BufferSize]; // boä ñeäm duøng chung 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 62 Producer – Consummer : Giaûi phaùp Semaphore Producer() Consumer() { { int item; int item; while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); down(&full); down(&empty); down(&mutex); down(&mutex) remove_item(&item,Buffer); enter_item(item,Buffer); up(&mutex); up(&mutex); up(&empty); up(&full); consume_item(item); } } 11/10/2007 } } Trần Hạnh Nhi 63 P&C - Giaûi phaùp Semaphore: Thinking... Producer() Consumer() { { int item; int item; while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); down(&mutex); down(&mutex) down(&full); down(&empty); remove_item(&item,Buffer); enter_item(item,Buffer); up(&mutex); up(&mutex); up(&empty); up(&full); consume_item(item); } } 11/10/2007 } } Trần Hạnh Nhi 64 Producer – Consummer : Giaûi phaùp Monitor monitor ProducerConsumer procedure remove(); condition full, empty; { int Buffer[N], count; if (count == 0) procedure enter(); wait(empty) { remove_item(&item,Buffer); if (count == N) count --; wait(full); if (count == N-1) enter_item(item,Buffer); signal(full); count ++; } if (count == 1) count = 0; signal(empty); end monitor; } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 65 Producer – Consummer : Giaûi phaùp Monitor Producer() Consumer(); { { int item; int item; while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); ProducerConsumer.remove; ProducerConsumer.enter; } } 11/10/2007 consume_item(item); } } Trần Hạnh Nhi 66 Producer – Consummer : Giaûi phaùp Message Producer() Consumer(); { { int item; message m; int item; Coi chöøng Deadlock message m; for(0 to N) send(producer, Request); while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); receive(producer, &m); receive(consumer, Request); remove_item(&m,&item); create_message(&m, item); send(producer, Request); send(consumer,&m); consumer_item(item); } } 11/10/2007 } } Trần Hạnh Nhi 67 Baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån 2: Readers & Writers R2 Moâ taû : N tieán trình Ws vaø Rs hoaït ñoäng ñoàng haønh Rs vaø Ws chia seû CSDL W caäp nhaät noäi dung CSDL Rs truy caäp noäi dung CSDL R3 R1 W1 Tình huoáng Caùc Rs cuøng truy caäp CSDL ? W ñang caäp nhaät CSDL thì caùc Rs truy caäp CSDL ? Caùc Rs ñang truy caäp CSDL thì W muoán caäp nhaät CSDL ? W2 Database W khoâng ñöôïc caäp nhaät döõ lieäu khi coù ít nhaát moät R ñang truy xuaát CSDL (ME) Rs khoâng ñöôïc truy caäp CSDL khi moät W ñang caäp nhaät noäi dung CSDL (ME) Taïi moät thôøi ñieåm , chæ cho pheùp moät W ñöôïc söûa ñoåi noäi dung CSDL (ME) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 68 Readers-Writers vôùi “active readers” 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 69 Readers-writers vôùi moät “active writer” 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 70 Öu tieân ai hôn ñaây ? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 71 Readers & Writers W ñoäc quyeàn truy xuaát CSDL W hieän taïi keát thuùc caäp nhaät CSDL : ai vaøo ? Cho W khaùc vaøo, caùc Rs phaûi ñôïi Öu tieân Writer, Reader coù theå starvation Cho caùc Rs vaøo, Ws khaùc phaûi ñôïi Öu tieân Reader, Writer coù theå starvation 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 72 Readers & Writers : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa Rs vaø Ws semaphore db = 1; // Kieåm tra truy xuaát CSDL 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 73 R&W : Giaûi phaùp Semaphore (1) Reader() { Writer() { down(&db); down(&db); read-db(Database); write-db(Database); up(&db); up(&db); } } Chuyeän gì xaûy ra ? Chæ coù 1 Reader ñöôïc ñoïc CSDL taïi 1 thôøi ñieåm ! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 74 R&W : Giaûi phaùp Semaphore (2) Reader() { Writer() { rc = rc +1; down(&db); if (rc ==1) write-db(Database); down(&db); read-db(Database); rc = rc – 1; if (rc == 0) up(&db); } 11/10/2007 up(&db); } Ñuùng chöa ? rc laø bieán duøng chung giöõa caùc Reader... CS ñoù Trần Hạnh Nhi 75 Readers & Writers : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa Rs vaø Ws semaphore db = 1; // Kieåm tra truy xuaát CSDL Caùc bieán duøng chung giöõa Rs int rc; // Soá löôïng tieán trình Reader semaphore mutex = 1; // Kieåm tra truy xuaát rc 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 76 R&W : Giaûi phaùp Semaphore (3) Reader() { Writer() { down(&mutex); down(&db); rc = rc +1; write-db(Database); if (rc ==1) up(&db); down(&db); } up(mutex); read-db(Database); Ai ñöôïc öu tieân ? down(mutex); rc = rc – 1; if (rc == 0) up(&db); up(mutex); } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 77 R&W : Giaûi phaùp Semaphore (Thinking...) Reader() { Writer() { down(&mutex); down(&db); rc = rc +1; write-db(Database); up(mutex); up(&db); if (rc ==1) } down(&db); read-db(Database); ??? heâ, heâ, heâ ☺ down(mutex); rc = rc – 1; up(mutex); if (rc == 0) up(&db); } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 78 R&W: Giaûi phaùp Monitor monitor ReaderWriter procedure W1(); Database; { procedure R1(); } ? { } procedure R...(); procedure W...(); { } { } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 79 monitor ReaderWriter condition OKWrite, OKRead; int rc = 0; Boolean busy = false; procedure BeginRead() { if (busy) wait(OKRead); rc++; signal(OKRead); } procedure FinishRead() { rc--; if (rc == 0) signal(OKWrite); } procedure BeginWrite() { if (busy || rc != 0) wait(OKWrite); busy = true; } procedure FinishWrite() { busy = false; if (OKRead.Queue) signal(OKRead); else signal(OKWrite); } end monitor; Reader&Writer : Giaûi phaùp Monitor Reader() Writer(); { { RW.BeginRead(); RW.BeginWrite(); Read-db(Database); Write-db(Database); RW.FinishRead(); RW.FinishWrite(); } 11/10/2007 } Trần Hạnh Nhi 81 Baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån 3: Böûa aên cuûa caùc Trieát gia (Dining Philosophers) Naêm trieát gia ngoài chung quanh baøn aên moùn spaghetti (yum..yum) Treân baøn coù 5 caùi nóa ñöôïc ñaët giöõa 5 caùi ñóa (xem hình) Ñeå aên moùn spaghetti moãi ngöôøi caàn coù 2 caùi nóa Trieát gia thöù i: Thinking... Eating... Chuyeän gì coù theå xaûy ra ? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 82 Dining Philosophers : Tình huoáng nguy hieåm 2 trieát gia “giaønh giaät” cuøng 1 caùi nóa Tranh chaáp Caàn ñoàng boä hoaù hoaït ñoäng cuûa caùc trieát gia 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 83 Dining Philosophers : Giaûi phaùp ñoàng boä semaphore fork[5] = 1; Philosopher (i) { while(true) { down(fork[i]); down(fork[i+1 mod 5]) eat; up(fork[i]); up(fork[i+1 mod 5]); think; } 11/10/2007 Deadlock Trần Hạnh Nhi 84 Dining Philosophers : Thaùch thöùc Caàn ñoàng boä sao cho: Khoâng coù deadlock Khoâng coù starvation 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 85 Baøi giaûng 6 : Quaûn lyù boä nhôù Toång quan Nhu caàu boä nhôù cuûa tieán trình Caùc vaán ñeà veà boä nhôù Chuyeån ñoåi ñòa chæ Caùc coâng ñoaïn Caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Vai troø Quaûn lyù boä nhôù cuûa HÑH Caùc yeâu caàu Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Moâ hình Lieân tuïc Moâ hình Khoâng lieân tuïc 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 1 Toång quan : Nhu caàu veà boä nhôù cuûa tieán trình Chöông trình caàn ñöôïc naïp vaøo Boä nhôù chính ñeå thi haønh CPU chæ coù theå truy xuaát tröïc tieáp Main Memory Chöông trình khi ñöôïc naïp vaoø BNC seõ ñöôïc toå chöùc theo caáu truùc cuûa tieán trình töông öùng Ai caáp phaùt BNC cho tieán trình ? Chöông trình nguoàn söû duïng ñòa chæ symbolic Tieán trình thöïc thi truy caäp ñiaï chæ thöïc trong BNC Ai chuyeån ñoåi ñòa chæ ? HÑH Boä phaän Quaûn lyù Boä nhôù Moâ hình toå chöùc ? 4/6/2008 Cô cheá hoã trôï Trần Hạnh Nhi Chieán löôïc thöïc hieän 2 Toång quan : Caùc vaán ñeà veà Boä nhôù Caáp phaùt Boä nhôù : Uniprogramming : Khoâng khoù Multiprogramming : BNC giôùi haïn, N tieán trình ? Baûo veä ? Chia seû ? Tieán trình thay ñoåi kích thöôùc ? Tieán trình lôùn hôn BNC ? Chuyeån ñoåi ñòa chæ tieán trình Thôøi ñieåm chuyeån ñoåi ñòa chæ ? Coâng thöùc chuyeån ñoåi ? Phuï thuoäc vaøo Moâ hình toå chöùc BNC ? Caàn söï hoã trôï cuûa phaàn cöùng ? Tieán trình thay ñoåi vò trí trong BNC ? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 3 Ví duï OS Moâi tröôøng ña nhieäm gcc nachos emacs 0x9000 0x7000 0x4000 0x3000 0x0000 Neáu nachos caàn theâm khoâng gian ? Neáu nachos coù loãi vaø thöïc hieän thao taùc ghi vaøo ñòa chæ 0x7100? Khi naøo gcc bieát raèng noù thöôøng truù taïi 0x4000? Neáu emacs caàn nhieàu boä nhôù hôn dung löôïng vaät lyù hieän coù? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 4 Caùc böôùc chuyeån ñoåi chöông trình C program: test.c Compiler Object:test.o Linker lib.o Executable: test.exe Loader Memory 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 5 Caùc böôùc chuyeån ñoåi source program -> .exe A.C int x; int y; x = 12; y = 5; F(); A.O 0 // x 2 // y 4 // [0] = 12; 5 // [2] = 5; 6 // jmp F //external // object B.C F() { printf(“Hi”); } B.O 0 -2 // F() … 0 3 5 7 8 9 // F() // x // y // [3] = 12; // [5] = 5; // jmp 0 Test.exe OS ? // F() ? // x ? // y ? // [?] = 12; ? // [?] = 5; ? // jmp ? Thuaät ngöõ Ñòa chæ logic – coøn goïi laø ñòa chæ aûo , laø taát caû caùc ñòa chæ do boä xöû lyù taïo ra Ñòa chæ physic - laø ñòa chæ thöïc teá maø trình quaûn lyù boä nhôù nhìn thaáy vaø thao taùc Khoâng gian ñòa chæ – laø taäp hôïp taát caû caùc ñòa chæ aûo phaùt sinh bôûi moät chöông trình Khoâng gian vaät lyù – laø taäp hôïp taát caû caùc ñòa chæ vaät lyù töông öùng vôùi caùc ñòa chæ aûo 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 8 Nhu caàu boä nhôù cuûa tieán trình low address code segment read from program file by exec usually read-only can be shared data segment system data segment (PCB) … 8048314 : 8048314: push %ebp 8048315: mov %esp,%ebp 8048317: mov 0xc(%ebp),%eax 804831a: add 0x8(%ebp),%eax 804831d: pop %ebp 804831e: ret initialized global variables (0 / NULL) 804831f : 804831f: push uninitialized global variables 8048320: mov heap dynamic memory 8048325: e.g., allocated using malloc grows against higher addresses 8048328: 8048322: stack segment initialized variables uninitialized variables data segment process A %ebp %esp,%ebp sub $0x18,%esp and $0xfffffff0,%esp mov $0x0,%eax 804832d: sub %eax,%esp 804832f: movl $0x0,0xfffffffc(%ebp) 8048336: movl $0x2,0x4(%esp,1) variables in a function 804833e: 8048345: stored register states (e.g. calling function EIP) 804834a: 804834d: grows against lower addresses 804834e: 804834f: system data segment (PCB) segment pointers pid program and stack pointers … code segment movl $0x4,(%esp,1) call 8048314 mov %eax,0xfffffffc(%ebp) heap s nu “u leave ret nop ” ed m em y or ... … … Stack cho các thread 4/6/2008 data segment Tiến trình gồm có: stack possible stacks for more threads Trần Hạnh Nhi high address 9 Logical and Physical Address Spaces 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 10 Truy xuaát boä nhôù Ñòa chæ cuûa Instruction vaø data trong program source code laø symbolic: goto errjmp; X = A + B; Nhöõng ñòa chæ symbolic naøy caàn ñöôïc lieân keát (bound) vôùi caùc ñòa chæ thöïc trong boä nhôù vaät lyù tröôùc khi thi haønh code Address binding: aùnh xaï ñòa chæ töø khoâng gian ñòa chæ (KGÑC) naøy vaøo KGÑC khaùc Thôøi ñieåm thöïc hieän address binding ? compile time load time execution time. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 11 Thôøi ñieåm keát buoäc ñòa chæ ? Coù theå thöïc hieän vieäc keát buoäc ñòa chæ taïi 1 trong 3 thôøi ñieåm : Compile-time: Phaùt sinh ñòa chæ tuyeät ñoái Phaûi bieát tröôùc vò trí naïp chöông trình Phaûi bieân dòch laïi chöông trình khi vò trí naïp thay ñoåi Load-time: Khi bieân dòch chæ phaùt sinh ñòa chæ töông ñoái Khi naïp, bieát vò trí baét ñaàu seõ tính laïi ñòa chæ tuyeät ñoái Phaûi taùi naïp khi vò trí baét ñaàu thay ñoåi Execution-time: Khi bieân dòch,naïp chæ phaùt sinh ñòa chæ tuong ñoái Trì hoaõn thôøi ñieåm keât buoäc ñòa chæ tuyeät ñoái ñeán khi thi haønh Khi ñoù ai tính toaùn ñòa chæ tuyeät ñoái ? Phaàn cöùng : MMU 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 12 Chuyeån ñoåi ñòa chæ MMU gcc Load Store CPU Translation box virtual address data 4/6/2008 legal addr? Illegal? Physical address Physical memory error Trần Hạnh Nhi 13 CPU, MMU and Memory 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 14 Yeâu caàu quaûn lyù boä nhôù Taêng hieäu suaát söû duïng CPU Caàn hoã trôï Multiprogramming Löu tröõ cuøng luùc nhieàu tieán trình trong BNC ? Caùc yeâu caàu khi toå chöùc löu tröõ tieán trình: 1. 2. 3. 4. 5. 4/6/2008 Relocation Protection Sharing Logical Organization Physical Organization Trần Hạnh Nhi 15 Taùi ñònh vò (Relocation) Khoâng bieát tröôùc chöông trình seõ ñöôïc naïp vaøo BN ôû vò trí naøo ñeå xöû lyù. Moät tieán trình coù theå ñöôïc di dôøi trong boä nhôù sau khi ñaõ naïp C Tieán trình taêng tröôûng ? HÑH saép xeáp laïi caùc tieán trình ñeå coù theå söû duïng BNC hieäu quûa hôn. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 16 Baûo veä (Protection) Khoâng cho pheùp tieán trình truy caäp ñeán caùc vò trí nhôù ñaõ caáp cho tieán trình khaùc (khi chöa coù pheùp). Khoâng theå thöïc hieän vieäc kieåm tra hôïp leä taïi thôøi ñieåm bieân dòch hay naïp, vì chöông trình coù theå ñöôïc taùi ñònh vò. Thöïc hieän kieåm tra taïi thôøi ñieåm thi haønh Caàn söï hoã trôï cuûa phaàn cöùng. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 17 Chia seû (Sharing) Caàn cho pheùp nhieàu tieán trình tham chieáu ñeán cuøng moät vuøng nhôù maø khoâng toån haïi ñeán tính an toaøn heä thoáng : Tieát kieäm choå löu tröõ cho caùc module duøng chung. Cho pheùp caùc tieán trình coäng taùc coù khaû naêng chia seû döõ lieäu. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 18 Toå chöùc logic (Logical Organization) Ngöôøi duøng vieát chöông trình goàm nhieàu module, vôùi caùc yeâu caàu baûo veä cho töøng module coù theå khaùc nhau: instruction modules : execute-only. data modules : read-only hay read/write. moät soá module laø private, soá khaùc coù theå laø public. OS caàn hoã trôï caùc cô cheá coù theå phaûn aùnh moâ hình logic cuûa chuông trình 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 19 Toå chöùc vaät lyù (Physical Organization) Caáp phaùt vuøng nhôù vaät lyù sao cho hieäu quaû Vaø deã daøng chuyeån ñoåi chöông trình qua laïi giöõa BNC vaø BNP 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 20 Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Linker – Loader Base & Bound Caáp phaùt Khoâng lieân tuïc (Non Contigous Allocation) Segmentation Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 21 Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Nguyeân taéc : Chöông trình ñöôïc naïp toaøn theå vaøo BNC ñeå thi haønh Caàn moät vuøng nhôù lieân tuïc, ñuû lôùn ñeå chöùa Chöông trình Khoâng gian ñòa chæ : lieân tuïc Khoâng gian vaät lyù : coù theå toå chöùc Fixed partition Variable partition 2 moâ hình ñôn giaûn Linker – Loader Base & Bound 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 22 Fixed Partitioning Phaân chia KGVL thaønh caùc partitions Coù 2 caùch phaân chia partitions : kích thöôùc baèng nhau kích thöôùc khaùc nhau Moãi tieán trình seõ ñöôïc naïp vaøo moät partition ñeå thi haønh Chieán löôïc caáp phaùt partition ? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 23 Chieán löôïc caáp phaùt partitions cho tieán trình Kích thöôùc partition baèng nhau khoâng coù gì phaûi suy nghó ! Kích thöôùc partition khoâng baèng nhau : Söû duïng nhieàu haøng ñôïi Caáp cho tieán trình partition vôùi kích thöôùc beù nhaát (ñuû lôùn ñeå chöùa tieân trình) Khuyeát ñieåm : phaân boá caùc tieán trình vaøo caùc partition khoâng ñeàu, moät soá tieán trình phaûi ñôïi trong khi coù partition khaùc troáng 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 24 Chieán löôïc caáp phaùt partitions cho tieán trình Kích thöôùc partition khoâng baèng nhau : Söû duïng 1 haøng ñôïi Caáp cho tieán trình partition töï do vôùi kích thöôùc beù nhaát (ñuû lôùn ñeå chöùa tieân trình) Caàn duøng moät CTDL ñeå theo doõi caùc partition töï do 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 25 Nhaän xeùt Fixed Partitioning Söû duïng BN khoâng hieäu quaû internal fragmentation : kích thöôùc chöông trình khoâng ñuùng baèng kích thöôùc partition Möùc ñoä ña chöông cuûa heä thoáng (Soá tieán trình ñöôïc naïp) bò giôùi haïn bôûi soá partitions P1 (2M) internal frag P2 (4M) 3M 8M internal frag 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 26 Dynamic Partitioning BNC khoâng ñöôïc phaân chia tröôùc Caùc partition coù kích thöôùc tuøy yù, seõ hình thaønh trong quaù trình naïp caùc tieán trình vaøo heä thoáng P1 (2M) P2 (4M) Moãi tieán trình seõ ñöôïc caáp phaùt ñuùng theo kích thöôùc yeâu caàu khoâng coøn internal fragmentation 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 27 Dynamic Partitioning: tình huoáng P1 (2M) P2 (4M) external fragmentation P4 (1.5M) P3 (8M) 2M Choïn löïa partition ñeå caáp phaùt cho tieán trình ? Ñoàng thôøi coù nhieàu partition töï do ñuû lôùn ñeå chöùa tieán trình Dynamic Allocation problem Tieán trình vaøo sau khoâng laáp ñaày choã troáng tieán trình tröôùc ñeå laïi external fragmentation Ví duï Dynamic Partitioning 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 29 Ví duï Dynamic Partitioning 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 30 Giaûi quyeát vaán ñeà Dynamic Allocation Caùc chieán löôïc thoâng duïng ñeå choïn partition: First-fit: choïn partition töï do ñaàu tieân Best-fit: choïn partition töï do nhoû nhaát ñuû chöùa tieán trình Worst-fit: choïn partition töï do lôùn nhaát ñuû chöùa tieán trình 2M First Fit P1 P3 (1M) 8M Worst Fit P2 1.5M 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi Best Fit 31 Memory Compaction (Garbage Collection) Giaûi quyeát vaán ñeà External Fragmentation : Doàn caùc vuøng bò phaân maûnh laïi vôùi nhau ñeå taïo thaønh partition lieân tuïc ñuû lôùn ñeå söû duïng Chi phí thöïc hieän cao 2M P1 External fragmentations 1M P2 1.5M 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 32 Caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Fixed/Dynamic partition laø moâ hình toå chöùc naïp tieán trình vaøo KGVL Caàn coù moâ hình ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ töø KGÑC vaøo KGVL Linker Loader Base & Bound 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 33 Moâ hình Linker-Loader test.exe OS 0x4000 test.exe jump 0x5000 jump 0x2000 0x0000 0x7000 0x3000 (base) Taïi thôøi ñieåm Link, giöõ laïi caùc ñòa chæ logic Vò trí base cuûa tieán trình trong boä nhôù xaùc ñònh ñöôïc vaøo thôøi ñieåm naïp : ñòa chæ physic = ñòa chæ logic + base 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 34 Nhaän xeùt moâ hình Linker-Loader Khoâng caàn söï hoã trôï phaàn cöùng ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ Loader thöïc hieän Baûo veä ? Khoâng hoã trôï Dôøi chuyeån sau khi naïp ? Khoâng hoã trôï taùi ñònh vò Phaûi naïp laïi ! 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 35 Moâ hình Base & Bound OS Test.exe 0x4000 Test.exe jump 0x2000 jump 0x2000 0x0000 Bound 0x7000 Base 0x3000 Taïi thôøi ñieåm Link, giöõ laïi caùc ñòa chæ logic Vò trí base , bound ñöôïc ghi nhaän vaøo 2 thanh ghi: Keát buoäc ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh => taùi ñònh vò ñöôïc : ñòa chæ physic = ñòa chæ logic + base register Baûo veä : ñòa chæ hôïp leä ⊆ [base, bound] 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 36 Nhaän xeùt moâ hình Base & Bound Keát buoäc ñòa chæ taïi thôøi ñieåm thi haønh => caàn hoã trôï cuûa phaàn cöùng physical addrs logical addrs CPU MMU + base reg memory Hoã trôï Baûo veä Taùi ñònh vò 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 37 Khuyeát ñieåm cuûa caáp phaùt lieân tuïc Khoâng coù vuøng nhôù lieân tuïc ñuû lôùn ñeå naïp tieán trình ? Boù tay ... Söû duïng BNC khoâng hieäu qua”! 1M P1 P3 (9M) 8M P2 1M 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 38 Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Linker – Loader Base & Bound Caáp phaùt Khoâng lieân tuïc (Non Contigous Allocation) Segmentation Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 39 Caùc moâ hình caáp phaùt khoâng lieân tuïc Cho pheùp naïp tieán trình vaøo BNC ôû nhieàu vuøng nhôù khoâng lieân tuïc Khoâng gian ñòa chæ : phaân chia thaønh nhieàu partition Segmentation Paging Khoâng gian vaät lyù : coù theå toå chöùc Fixed partition : Paging Variable partition : Segmentation 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 40 Segmentation Laäp trình vieân : chöông trình laø moät taäp caùc segments Moät segment laø moät ñôn vò chöông trình goàm caùc ñoái töôïng coù cuøng nhoùm ngöõ nghóa Ví duï : main program, procedure, function, local variables, global variables,common block,stack, symbol table, arrays... Caùc segment coù theå coù kích thöôùc khaùc nhau Moâ hình Segmentation : KGÑC : phaân chia thaønh caùc segment KGVL : toå chöùc thaønh dynamic partitions Naïp tieán trình : Moãi segment caàn ñöôïc naïp vaøo moät partition lieân tuïc, töï do, ñuû lôùn cho segment partition naøo ? ...Dynamic Allocation ! 4/6/2008 Caùc segment cuûa cuøng 1 chöông trình coù theå ñöôïc naïp vaøo nhöõng partition khoâng lieân tuïc Trần Hạnh Nhi 41 Moâ hình Segmentation int m; heap main () { F1(m); } F1(int x) { x = 9; } stack data (m) code (main,F1) Quaûn lyù KGDC ñòa chæ ? 4/6/2008 KGVL Trần Hạnh Nhi 42 Toå chöùc Segmentation Ñiaï chæ logic : Ñòa chæ physic : Chuyeån ñoåi ñòa chæ : Chuyeån ñoåi ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh MMU thi haønh Söû duïng Segment Table (baûng phaân ñoaïn) ñeå löu thoâng tin caáp phaùt BNC, laøm cô sôû thöïc hieän aùnh xaï ñòa chæ Moãi tieán trình coù moät Segment Table Sâegment Table: Soá phaàn töû cuûa Segment Table = Soá Segment cuûa chöông trình Moãi phaàn töû cuûa Segment Table moâ taû cho 1 segment, vaø coù caáu truùc : base: ñòa chæ vaät lyù trong BNC cuûa partition chöùa segment limit : kích thöôùc segment Löu tröõ Segment Table ? Cache : neáu ñuû nhoû BNC : Segment-table base register (STBR), Segment-table length register (STLR) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 43 Chuyeån ñoåi ñòa chæ trong moâ hình Segmentation Logical Addr 3 no ? 128 Seg# offset fault yes Seg table base limit + mem 0x1000 seg 128 0 1 2 3 4/6/2008 0x1000 512 Trần Hạnh Nhi 44 Logical-to-Physical Address Translation in segmentation 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 45 Nhaän xeùt Moâ hình Segmentation Caáp phaùt khoâng lieân tuïc => taän duïng boä nhôù hieäu quaû Hoã trôï taùi ñònh vò Töøng Segment Hoã trôï Baûo veä vaø Chia seû ñöôïc ôû möùc module YÙ nghóa cuûa “möùc module” ? Chuyeån ñoåi ñòa chæ phöùc taïp ☺ Ñaõ coù MMU... Söû duïng dynamic partition : chòu ñöïng Dynamic Allocation : choïn vuøng nhôù ñeå caáp cho moät segment ☺ First fit, Best fit, Worst fit External Fragmentation : Memory Compaction : chi phí cao 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 46 Sharing of Segments: Text Editor 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 47 Paging Hoã trôï HÑH khaéc phuïc baøi toaùn caáp phaùt boä nhôù ñoäng, vaø loaïi boû external fragmentation Moâ hình Paging : KGÑC : phaân chia chöông trình thaønh caùc page coù kích thöôùc baèng nhau Khoâng quan taâm ñeán ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng naèm trong page KGVL : toå chöùc thaønh caùc fixed partitions coù kích thöôùc baèng nhau goïi laø frame page size = frame size Naïp tieán trình : Moãi page caàn ñöôïc naïp vaøo moät frame töï do Caùc pages cuûa cuøng 1 chöông trình coù theå ñöôïc naïp vaøo nhöõng frames khoâng keá caän nhau. Tieán trình kích thöôùc N pages -> caàn N frame töï do ñeå naïp 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 48 Moâ hình Paging int m; int m; main () main () { F1(int x) F1(m); } stack F1(int x) { x = 9; heap } KGDC Quaûn lyù ñòa chæ ? 4/6/2008 KGVL Trần Hạnh Nhi 49 Toå chöùc Paging Ñiaï chæ logic : Ñòa chæ physic : Chuyeån ñoåi ñòa chæ : Chuyeån ñoåi ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh MMU thi haønh Söû duïng Page Table ñeå löu thoâng tin caáp phaùt BNC, laøm cô sôû thöïc hieän aùnh xaï ñòa chæ Moãi tieán trình coù moät Page Table Page Table Soá phaàn töû cuûa Page Table = Soá Page trong KGÑC cuûa chöông trình Moãi phaàn töû cuûa baûng Page Table moâ taû cho 1 page, vaø coù caáu truùc : frame: soá hieäu frame trong BNC chöùa page Löu tröõ Page Table ? Cache : khoâng ñuû BNC : Page-table base register (PTBR), Page-table length register (PTLR) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 50 Chuyeån ñoåi ñòa chæ trong moâ hình Paging Logical addr CPU p Physical addr d f d KGVL f Page table 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 51 Logical-to-Physical Address Translation in Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 52 Nhaän xeùt Moâ hình Paging Loaïi boû Dynamic Allocation External Fragmentation “Trong suoát” vôùi LTV Hoã trôï Baûo veä vaø Chia seû ôû möùc page Internal Fragmentation Löu tröõ Page Table trong boä nhôù Toán choã Taêng thôøi gian chuyeån ñoåi ñòa chæ 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 53 Löu tröõ Page Table Giaû söû heä thoáng söû duïng m bit ñòa chæ Size of KGÑC = 2m Kích thöôùc page Treân nguyeân taéc tuøy yù, thöïc teá choïn pagesize = 2n Taïi sao ? Soá trang trong KGÑC: #pages = 2m / 2n = 2m-n Ví duï : 32-bits ñòa chæ, pagesize = 4K KGÑC = 232 -> #pages= 232-212 = 220 = 1.000.000 pages ! #pages = #entry trong PT Ñiaï chæ logic : Page Table 4/6/2008 p (m-n) d n Moãi tieán trình löu 1 Page Table Soá löôïng phaàn töû quaù lôùn -> Löu BNC Moãi truy xuaát ñòa chæ seõ toán 2 laàn truy xuaát BNC Trần Hạnh Nhi 54 Löu tröõ Page Table : Tieát kieäm khoâng gian Söû duïng baûng trang ña caáp Chia baûng trang thaønh caùc phaàn nhoû, baûn thaân baûng trang cuõng seõ ñöôïc phaân trang Chæ löu thöôøng tröïc baûng trang caáp 1, sau ñoù khi caàn seõ naïp baûng trang caáp nhoû hôn thích hôïp... Coù theå loaïi boû nhöõng baûng trang chöùa thoâng tin veà mieàn ñòa chæ khoâng söû duïng Söû duïng Baûng trang nghòch ñaûo Moâ taû KGVL thay vì moâ taû KGÑC -> 1 IPT cho toaøn boä heä thoáng 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 55 Baûng trang ña caáp p d 0 1 Baûng trang tuyeán tính Söû duïng page-number laøm chæ muïc ñeán Page Table Phaûi löu taát caû caùc phaàn töû moâ taû taát caû caùc trang trong KGÑC Nhöõng page khoâng söû duïng : laõng phí Naïp toaøn boä PT vaøo BNC : toán choã 5 16 2 3 ... p f ... 7 8 2 9 10 11 12 13 14 15 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 9 56 Baûng trang ña caáp 0 0 1 2 3 Page Table caáp 2 4 5 0 1 6 7 2 8 3 9 Page Table caáp 1 Page Table caáp 2 10 11 Page Table caáp 2 12 13 14 15 Page Table caáp 2 1 0 2 1 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10 9 11 10 12 11 13 12 12 13 13 14 14 15 15 Moâ hình baûng trang 2 caáp 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 58 Ví duï moâ hình baûng trang 2 caáp Moät maùy tính söû duïng ñòa chæ 32bít vôùi kích thöôùc trang 4Kb. Ñòa chæ logic ñöôïc chia thaønh 2 phaàn: Soá hieäu trang : 20 bits. Offset tính töø ñaàu moãi trang :12 bits. Vì baûng trang laïi ñöôïc phaân trang neân soá hieäu trang laïi ñöôïc chia laøm 2 phaàn: Soá hieäu trang caáp 1. Soá hieäu trang caáp 2. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 59 Ví duï moâ hình baûng trang 2 caáp Vì theá, ñòa chæ logic seõ coù daïng nhö sau: page number page offset 4/6/2008 pi p2 d 10 10 12 Trần Hạnh Nhi 60 Baûng trang ña caáp 1 2 100 0 0 1 1 2 2 3 Page Table caáp 2 0 5 1 0 1 2 3 2 0 3 1 Page Table caáp 1 6 Page Table caáp 2 7 8 9 10 2 3 3 4 Page Table caáp 2 11 12 13 0 14 1 15 2 3 Page Table caáp 2 16 17 Baûng trang nghòch ñaûo (Inverted Page Table) Söû duïng duy nhaát moät baûng trang nghòch ñaûo cho taát caû caùc tieán trình Moãi phaàn töû trong baûng trang nghòch ñaûo moâ taû moät frame, coù caáu truùc : soá hieäu page maø frame ñang chöùa ñöïng : id cuûa tieán trình ñang ñöôïc sôõ höõu trang Moãi ñòa chæ aûo khi ñoù laø moät boä ba Khi moät tham khaûo ñeán boä nhôù ñöôïc phaùt sinh, moät phaàn ñòa chæ aûo laø ñöôïc ñöa ñeán cho trình quaûn lyù boä nhôù ñeå tìm phaàn töû töông öùng trong baûng trang nghòch ñaûo, neáu tìm thaáy, ñòa chæ vaät lyù seõ ñöôïc phaùt sinh 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 62 Kieán truùc baûng trang nghòch ñaûo 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 63 Löu tröõ Page table : Tieát kieäm thôøi gian Moãi truy caäp BNC caàn truy xuaát BNC 2 laàn : Tra cöùu Page Table ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ Tra cöu baûn thaân data Laøm gì ñeå caûi thieän : Tìm caùch löu PT trong cache Cho pheùp tìm kieám nhanh PT lôùn, cache nhoû : laøm sao löu ñuû ? Löu 1 phaàn PT... Phaàn naøo ? Caùc soá hieäu trang môùi truy caäp gaàn ñaây nhaát... 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 64 Translation Lookaside Buffer (TLB) Vuøng nhôù Cache trong CPU ñöôïc söû duïng ñeå löu taïm thôøi moät phaàn cuûa PT ñöôïc goïi laø Translation Lookaside Buffer (TLB) Cho pheùp tìm kieám toác ñoä cao Kích thöôùc giôùi haïn (thöôøng khoâng quaù 64 phaàn töû) Moãi entry trong TLB chöùa moät soá hieäu page vaø frame töông öùng ñang chöùa page Khi chuyeån ñoåi ñòa chæ, truy xuaát TLB tröôùc, neáu khoâng tìm thaáy soá hieäu page caàn thieát, môùi truy xuaát vaøo PT ñeå laáy thoâng tin frame. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 65 Translation Lookaside Buffer 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 66 Chuyeån ñoåi ñòa chæ vôùi Paging virtual address CPU p d f physical address f d d TLB p f Memory f f 4/6/2008 PT Trần Hạnh Nhi 67 Söû duïng TBL 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 68 Baûo veä vaø chia seû trong Segmentation vaø Paging Baûo veä Segmentation : moãi phaàn töû trong ST ñöôïc gaén theâm caùc bit baûo veä Moãi segment coù theå ñöôïc baûo veä tuøy theo ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng beân trong segment Paging : moãi phaàn töû trong PT ñöôïc gaén theâm caùc bit baûo veä Moãi page khoâng nhaän thöùc ñöôïc ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng beân trong page, neân baûo veä chæ aùp duïng cho toaøn boä trang, khoâng phaân bieät. Chia seû: Cho nhieàu phaàn töï trong KGÑC cuøng troû ñeán 1 vò trí trong KGVL Segmentation : chia seû möùc module chöông trình Paging : chia seû caùc trang 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 69 Sharing Pages: A Text Editor Sharing Pages: A Text Editor ed 3 + data 1 ed 3 + data 2 ed 3 + data 3 Chia seû Page 2 = Chia seû caû code vaø data ! Ñaùnh giaù caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Giaû söû coù: tm : thôøi gian truy xuaát BNC tc : thôøi gian truy xuaát cache hit-ration : tæ leä tìm thaáy moät soá hieäu trang p trong TLB Coâng thöùc tính thôøi gian truy caäp thöïc teá (Time Effective Acess) ñeán moät ñoái töôïng trong BNC bao goàm thôøi gian chuyeån ñoåi ñòa chæ vaø thôøi gian truy xuaát döõ lieäu TEA = (time biding add + time acces memory) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 72 Linker-Loader TEA = tm (data) Base + Bound TEA = (tc + tc) (Base & Bound) Segmentation TEA = tc (ST trong cache) Paging + + Khoâng söû duïng TLB : TEA = tm tm (data) tm (data) + (PT trong mem) tm (data) Coù söû duïng TLB : TEA = hit-ratio ( tc + tm ) + (1- hit-ratio)( tc + tm + tm ) (TLB) (data) (TLB) (PT) (data) Baøi giaûng 7 : Boä nhôù AÛo VaÁn ñeà vôùi Real Memory YÙ töôûng Virtual Memory Thöïc hieän Virtual Memory Caùc chieán löôïc cuûa Virtual Memory Chieán löôïc naïp Chieán löôïc thay theá trang Chieán löôïc caáp phaùt khung trang Hieän töôïng thrashing Nguyeân nhaân Giaûi phaùp 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 1 Caùc caáp boä nhôù Cho ñeán nay : Naïp toaøn boä tieán trình vaøo boä nhôù roài thöïc hieän noù... Neáu kích thöôùc tieán trình lôùn hôn dung löông boä nhôù chính ? Memory Cache Registers 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 2 Giaûi phaùp Taïi moät thôøi ñieåm chæ coù 1 chæ thò ñöôïc thi haønh Taïi sao phaûi naïp taát caû tieán trình vaøo BNC cuøng 1 luùc ? YÙ töôûng Cho pheùp naïp vaø thi haønh töøng phaàn tieán trình Ai ñieàu khieån vieäc thay ñoåi caùc phaàn ñöôïc naïp vaø thi haønh ? Taïi moät thôøi ñieåm chæ giöõ trong BNC caùc chæ thò vaø döõ lieäu caàn thieát taïi thôøi ñieåm ñoù Caùc phaàn khaùc cuûa tieán trình naèm ôû ñaâu ? Giaûi phaùp 12/16/2007 Boä nhôù aûo (virtual memory) Trần Hạnh Nhi 3 Virtual Memory Neáu coù moät Virtual Memory vôùi dung löôïng raát raát lôùn cho LTV laøm vieäc... Hoan hoâ ! Virtual Memory Memory Cache Registers 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 4 YÙ töôûng Taùch bieät KGÑC vaø KGVL LTV : moãi tieán trình laøm vieäc vôùi KGÑC 2m cuûa mình (ñòa chæ töø 0 – (2m -1)) HÑH : chòu traùch nhieäm naïp caùc KGÑC vaøo moät KGVL chung Giaûi phaùp cuûa HÑH : Naïp töøng phaàn tieán trình Phaân chia KGÑC thaønh caùc phaàn ? Paging/Segmentation Môû roäng BNC ñeå löu tröõ caùc phaàn cuûa tieán trình chöa ñöôïc naïp Duøng BNP(disk) ñeå môû roäng BNC Nhaän bieát phaàn naøo cuûa KGÑC chöa ñöôïc naïp ? Boå sung bit côø hieäu ñeå nhaän daïng tình traïng cuûa moät page/segment laø ñaõ ñöôïc naïp vaøo BNC hay chöa Cô cheá chuyeån ñoåi qua laïi caùc phaàn cuûa tieán trình giöõa BNC vaø BNP Swapping... 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 5 Virtual Memory vôùi cô cheá phaân trang (Paging) Phaân chia KGÑC thaønh caùc page Duøng BNP(disk) ñeå môû roäng BNC, löu tröõ caùc phaàn cuûa tieán trình chöa ñöôïc naïp Boå sung bit côø hieäu trong Page Table ñeå nhaän daïng tình traïng moät page ñaõ ñöôïc naïp vaøo BNC hay chöa . 12/16/2007 Caáu truùc moät phaàn töû trong Page Tables Trần Hạnh Nhi 6 Löu tröõ KGÑC ôû ñaâu ? Söû duïng boä nhôù phuï ñeå löu tröõ taïm thôøi caùc trang chöa söû duïng P DISK RAM 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 7 Virtual Memory virtual address space 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 4 13 2 18 3 physical memory 7 1 5 3 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 8 Memory Lookup present bit Page table 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 000 000 000 000 111 000 101 000 000 000 011 100 000 110 001 010 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 Incoming virtual address (0x2004, 8196) 12/16/2007 Outgoing physical address 1 1 0 (0x6004, 24580) 4-bit index into page table virtual page = 0x0010 = 2 12-bit offset 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Trần Hạnh Nhi 9 Memory Lookup present bit Page table 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 000 000 000 000 111 000 101 000 000 000 011 100 000 110 001 010 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 Incoming virtual address (0x2004, 8196) 12/16/2007 Outgoing physical address PAGE FAULT 4-bit index into page table virtual page = 0x0010 = 2 12-bit offset 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Trần Hạnh Nhi 10 Demand Paging int i,j; i emacs main () { j ji i = 5; j = 2; } i=5 gcc j=2 KGDC Khi naïp moät tieán trình môùi, chæ naïp vaøo BNC page chöùa entry code Khi truy xuaát ñeán moät chæ thò hay döõ lieäu, page töông öùng môùi ñöôïc naïp vaøo BNC 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi code KGVL 11 Swapping 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 12 Demand Paging + Swapping int i,j; main () { i = 5; j = 2; } i emacs j ji i=5 gcc j=2 KGDC 12/16/2007 code Trần Hạnh Nhi KGVL 13 Boä nhôù aûo = “True lie“ Ngöôøi duøng : sôû höõu boä nhôù “voâ haïn”, “rieâng bieät” Heä ñieàu haønh : “thaàm laëng” thöïc hieän quaù trình swapping # of references 10% RAM + 90% DISK Memory address DISK RAM 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 14 Thöïc hieän Boä nhôù aûo Baûng trang : theâm 1 bit valid/invalid ñeå nhaän dieän trang ñaõ hay chöa ñöôïc naïp vaøo RAM Frame 17 4183 177 5721 valid/invalid 1 0 1 0 Disk Mem Truy xuaát ñeán moät trang chöa ñöôïc naïp vaøo boä nhôù : loãi trang (page fault) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 15 Page Tables Xöû lyù loãi trang 3 OS xaùc ñònh vò trí löu trang treân ñóa loãi trang 2 truy xuaát swap out trang naïn nhaân 1 naïp M Boä nhôù aûo 12/16/2007 i 6 taùi kích hoaït tieán trình Page Table 3’ M frame troáng 5 caäp nhaät baûng trang 4 Boä nhôù vaät lyù Trần Hạnh Nhi mang trang caàn truy xuaát vaøo boä nhôù 17 Caùc böôùc xöû lyù loãi trang 1. 2. 3. 4. Kieåm tra truy xuaát ñeán boä nhôù laø hôïp leä hay baát hôïp leä Neáu truy xuaát baát hôïp leä : keát thuùc tieán trình Ngöôïc laïi : ñeán böôùc 3 Tìm vò trí chöùa trang muoán truy xuaát treân ñóa. Tìm moät khung trang troáng trong boä nhôù chính : a. b. 5. 6. Neáu tìm thaáy : ñeán böôùc 5 Neáu khoâng coøn khung trang troáng, choïn moät khung trang naïn nhaân ñeå swap out, caäp nhaät baûng trang töông öùng roài ñeán böôùc 5 Chuyeån trang muoán truy xuaát töø boä nhôù phuï vaøo boä nhôù chính : naïp trang caàn truy xuaát vaøo khung trang troáng ñaõ choïn (hay vöøa môùi laøm troáng ) ; caäp nhaät noäi dung baûng trang, baûng khung trang töông öùng. Taùi kích hoaït tieán trình ngöôøi söû duïng. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 18 Caùc caâu hoûi 1. Choïn trang naøo ñeå naïp ? => Chieán löôïc naïp Demand Paging / Prepageing 2. Choïn trang naïn nhaân ? => Chieán löôïc thay theá trang FIFO / OPTIMAL/LRU 3. Caáp phaùt khung trang => Chieán löôïc caáp phaùt khung trang Coâng baèng/ Tyû leä... 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 19 Chieán löôïc naïp Quyeát ñònh thôøi ñieåm naïp moät/nhieàu page vaøo BNC Naïp tröôùc : laøm sao bieát ? =>prepaging Naïp sau : taàn suaát loãi trang cao ? => pure demand paging Prepaging : Naïp saün moät soá trang caàn thieát vaøo BNC tröôùc khi truy xuaát chuùng Demand paging : Chæ naïp trang khi ñöôïc yeâu caàu truy xuaát ñeán trang ñoù ld init pages ld page ld page ld page init pages = 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi ... ? 20 Chieán löôïc thay theá trang (Page Replacement) Muïc tieâu : thay theá trang sao cho taàn suaát xaûy ra loãi trang thaáp nhaát Ñaùnh giaù Söû duïng soá frame cuï theå Giaû söû coù moät chuoãi truy xuaát cuï theå adresse : 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0611 # page : 1, 4, 1, 6, 1, 1, 1, 6, Thöïc hieän moät thuaät toaùn thay theá trang treân chuoãi truy xuaát naøy Ñeám soá loãi trang phaùt sinh Chuoãi truy xuaát 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1 3 frames 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 21 Chieán löôït thay theá trang FIFO Optimal LRU (Least Recently Used) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 22 Chieán löôïc thay theá trang FIFO Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang “giaø” nhaát Ñöôïc naïp vaøo laâu nhaát trong heä thoáng victim add Thöïc hieän Löu thôøi ñieåm naïp, so saùnh ñeå tìm min Chi phí cao Toå chöùc FIFO caùc trang theo thöù töï naïp Trang ñaàu danh saùc laø naïn nhaân Nhaän xeùt Ñôn giaûn Coâng baèng ? Khoâng xeùt ñeán tính söû duïng ! Trang ñöôïc naïp vaøo laâu nhaát coù theå laø trang caàn söû duïng thöôøng xuyeân ! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 23 Ví duï : FIFO 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 7 7 7 7 2 2 2 2 4 2 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 3 32 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 3 3 3 3 3 2 3 2 * * * * * * * * * * * * 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi ... 24 FIFO vaø hieäu öùng Belady Söû duïng caøng nhieàu frame...caøng coù nhieàu loãi trang ! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 25 Chieán löôïc thay theá trang : Optimal Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang laâu söû duïng ñeán nhaát trong töông lai Laøm sao bieát ? Nhaän xeùt Baûo ñaûm taàn suaát loãi trang thaáp nhaát Khoâng khaû thi ! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi victim AGBDCABCABCGABC Cur page 26 Ví duï : Optimal 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 7 7 7 7 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 4 4 1 1 1 3 1 3 3 3 * * * * 12/16/2007 * 3 2 1 2 0 2 2 2 2 2 0 4 0 4 0 0 0 0 1 3 3 3 3 1 3 1 2 * 0 * Trần Hạnh Nhi ... * 27 Chieán löôïc thay theá trang : LRU Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang laâu nhaát chöa söû duïng ñeán trong quaù khöù Nhìn lui : ñuû thoâng tin victim Nhaän xeùt Xaáp xæ Optimal Thöïc hieän ? AGBDCABCABCGABC Cur page 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 28 Ví duï : LRU 0 1 2 0 3 0 4 7 7 7 7 2 2 2 2 2 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 3 1 3 3 * * * * 12/16/2007 * * 2 3 7 3 2 1 2 0 0 4 0 0 0 1 1 1 3 0 3 3 3 3 3 3 0 3 2 2 2 2 2 2 2 2 * * * Trần Hạnh Nhi 0 * ... * 29 Thöïc hieän LRU Söû duïng boä ñeám: Theâm tröôøng reference time cho moãi phaàn töû trong baûng trang Theâm vaøo caáu truùc cuûa CPU moät boä ñeám counter. moãi laàn coù söï truy xuaát ñeán moät trang trong boä nhôù giaù trò cuûa counter taêng leân 1. giaù trò cuûa counter ñöôïc ghi nhaän vaøo reference time cuûa trang töông öùng. thay theá trang coù reference time laø min . Söû duïng stack: toå chöùc moät stack löu tröõ caùc soá hieäu trang moãi khi thöïc hieän moät truy xuaát ñeán moät trang, soá hieäu cuûa trang seõ ñöôïc xoùa khoûi vò trí hieän haønh trong stack vaø ñöa leân ñaàu stack. trang ôû ñænh stack laø trang ñöôïc truy xuaát gaàn nhaát, vaø trang ôû ñaùy stack laø trang laâu nhaát chöa ñöôïc söû duïng.. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 30 Thöïc hieän LRU vôùi stack 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 31 Thöïc hieän LRU : thöïc teá Heä thoáng ñöôïc hoã trôï phaàn cöùng hoaøn chænh ñeå caøi ñaët LRU ? Ñöøng coù mô ! Heä thoáng chæ ñöôïc trang bò theâm moät bit reference : gaén vôùi moät phaàn töû trong baûng trang. ñöôïc khôûi gaùn laø 0 ñöôïc phaàn cöùng ñaët giaù trò 1 moãi laàn trang töông öùng ñöôïc truy caäp ñöôïc phaàn cöùng gaùn trôû veà 0 sau töøng chu kyø qui ñònh tröôùc. Bit reference chæ giuùp xaùc ñònh nhöõng trang coù truy caäp, khoâng xaùc ñònh thöù töï truy caäp Khoâng caøi ñaët ñöôïc LRU Xaáp xæ LRU... reference 12/16/2007 modify frame Trần Hạnh Nhi protect 32 4-53 Xaáp xæ LRU : Söû duïng caùc bits History thôøi gian 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 bit reference 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 caùc bits history söû duïng theâm N bit history phuï trôï Sau töøng chu kyø, bit reference seõ ñöôïc cheùp laïi vaøo moät bit history tröôùc khi bi reset N bit history seõ löu tröõ tình hình truy xuaát ñeán trang trong N chu kyø cuoái cuøng. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 33 Thôøi gian 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 Thôøi gian 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 Thôøi gian 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 Thôøi gian 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 Xaáp xæ LRU : Cô hoäi thöù 2 (Clock algorithme) Söû duïng moät bit reference duy nhaát. Choïn ñöôïc trang naïn nhaân theo FIFO Kieåm tra bit reference cuûa trang ñoù : Neáu reference = 0, ñuùng laø naïn nhaân roài ☺ Neáu reference = 1, cho trang naøy moät cô hoäi thöù hai reference = 0 thôøi ñieåm vaøo Ready List ñöôïc caäp nhaät laïi laø thôøi ñieåm hieän taïi. Choïn trang FIFO tieáp theo... Nhaän xeùt : Moät trang ñaõ ñöôïc cho cô hoäi thöù hai seõ khoâng bò thay theá tröôùc khi heä thoáng ñaõ thay theá heát nhöõng trang khaùc. Neáu trang thöôøng xuyeân ñöôïc söû duïng, bit reference cuûa noù seõ duy trì ñöôïc giaù trò 1, vaø trang haàu nhö khoâng bao giôø bò thay theá. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 38 Xaáp xæ LRU : Cô hoäi thöùc 2 (Clock algorithme) 12/16/2007 0 page# 0 page# Trang FIFO 10 page# Trang FIFO 10 1 page# Naïn nhaân 00 page# 10 1 page# 10 1 page# Trần Hạnh Nhi 4-55 39 Xaáp xæ LRU : NRU Söû duïng 2 bit Reference vaø Modify Vôùi hai bit naøy, coù theå coù 4 toå hôïp taïo thaønh 4 lôùp sau : (0,0) khoâng truy xuaát, khoâng söûa ñoåi (0,1) khoâng truy xuaát gaàn ñaây, nhöng ñaõ bò söûa ñoåi (1,0) ñöôïc truy xuaát gaàn ñaây, nhöng khoâng bò söûa ñoåi (1,1) ñöôïc truy xuaát gaàn ñaây, vaø bò söûa ñoåi Priority R M 4 0 0 3 0 1 2 1 0 1 1 1 Choïn trang naïn nhaân laø trang coù ñoä öu tieân cao nhaát khi keát hôïp bit R vaø bit M 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 40 Chieán löôïc caáp phaùt frame Soá frame caàn caáp phaùt cho moãi tieán trình ? Giaûi söû coù m frame vaø n process Caáp phaùt coâng baèng: #frame(Pi) = m/n Coâng baèng ??? Caáp phaùt theo tyû leä: #frame(pi) = (si / (Σ si ))* m si = kích thöôùc cuûa boä nhôù aûo cho tieán trình pi Loãi trang xaûy ra tieáp theo, caáp phaùt theâm frame cho tieán trình nhö theá naøo ? Tuøy thuoäc chieán löôïc thay theá trang Cuïc boä : chæ choïn trang naïn nhaân trong taäp caùc trang cuûa tieán trình phaùt sinh loãi trang -> soá frame khoâng taêng Toaøn cuïc: ñöôïc choïn baát kyø trang naïn nhaân naøo (duø cuûa tieán trình khaùc) > soá frame coù theå taêng, loãi trang lan truyeàn 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 41 Thay theá trang toaøn cuïc vaø...keát cuïc bi thaûm ! Running IO CPU P1, error P1 P2, error P1 P2 P3, error P3 P1, swap out P2, swap out P1 Taát caû caùc tieán trình baän roän thay theá trang ! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 42 Thrashing Taát caû tieán trình ñaàu baän roän xöû lyù loãi trang ! IO hoaït ñoäng 100 %, CPU raûnh ! Heä thoáng ngöøng treä P1 P2 P3 Real mem Virtual Memory = Tha hoà xaøi boä nhôù Thrashing = aûo töôûng suïp ñoå ! Caùc tieán trình trong heä thoáng yeâu caàu boä nhôù nhieàu hôn khaû naêng cung caáp cuûa heä thoáng ! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 43 Thrashing Diagram Why does paging work? Locality model Process migrates from one locality (working set) to another Why does thrashing occur? Σ size of working sets > total memory size 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 44 Nguyeân nhaân Thrashing 1. Tieán trình khoâng taùi söû duïng boä nhôù (quaù khöù != töông lai) 2. Tieán trình taùi söû duïng boä nhôù, nhöng vôùi kích thöôc lôùn hôn 3. Quaù nhieàu tieán trình trong heä thoáng Chæ coù theå kieåm soaùt thrashing do nguyeân nhaân 3. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 45 Working set (1968, Denning) Working set: Working set = taäp hôïp caùc trang tieán trình ñang truy xuaát taïi 1 thôøi ñieåm Caùc pages ñöôïc truy xuaát trong Δ laàn cuoái cuøng seõ naèm trong working set cuûa tieán trình Δ : working set parameter Kích thöôùc cuûa WS thay ñoåi theo thôøi gian tuøy vaoø locality cuûa tieán trình 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 46 Working-Set Model Δ ≡ working-set window ≡ soá laàn truy caäp VD: 10,000 instruction 261577775162341234443434441323 Δ=10 WS(t1) = {1,2,5,6,7}, WS(t2) = {3,4} WSSi (working set of Process Pi) = toång soá trang ñöôïc truy caäp trong Δ laàn gaàn ñaây nhaát D = Σ WSSi ≡ Toång caùc frame caàn cho N tieán trình trong heä thoáng if D > m ⇒ Thrashing if D > m, choïn moä/moät soá tieán trình ñeå ñình chæ taïm thôøi. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 47 Giaûi quyeát thrasing vôùi moâ hình Working set Söû duïng Working set Cache partitioning: Caáp cho moãi tieán trình soá frame ñuû chöùa WS cuûa noù Page replacement: öu tieân swap out caùc non-WS pages. Scheduling: chæ thi haønh tieán trình khi ñuû choã ñeå naïp WS cuûa noù 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 48 BAØI GIẢNG 8 : LIEÂN LAÏC GIÖÕA CAÙC TIEÁN TRÌNH CÔ CHEÁ ? TRAO ÑOÅI THOÂNG TIN GIÖÕA CAÙC TIEÁN TRÌNH VAÁN ÑEÀ ? GÆAI PHAÙP ? 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 1 Nhu Caàu Lieân Laïc Q Chia seû thoâng tin P Phoái hôïp xöû lyù L R JOB P R1 Q 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi R2 L 2 Caùc cô cheá lieân laïc Chia seû taøi nguyeân chung Signal Pipe Shared Memory Trao ñoåi thoâng ñieäp Message Socket 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 3 IPC theo nguyeân taéc chia seû taøi nguyeân chung User Process User Process OS - Kernel shared resources Caùc tieán trình chia seû Memory File System Space Communication Facilities, Common communication protocol 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 4 Signal Signal Meaning Handler Ñònh nghóa tröôùc khi thöïc hieän lieân laïc SIGINT, SIGSTOP… SIGUSR1, SIGUSER2 Hoã trôï lieân laïc Kernel vôùi User Process Process Error Timer Child Process keát thuùc… Terminate Process Suspend, Resume… 12/16/2007 Signal Signal handler Signal Action User process vôí nhau OS Process Trần Hạnh Nhi 5 Name Value Function SIGHUP 1 Terminal hangup SIGINT 2 Interrupt by user: generated by < CTRL C > SIGQUIT 3 Quit by user: generated by < CTRL \ > SIGFPE 8 Floating point error such as divide by zero SIGKILL 9 Kill the process SIGUSR1 10 User defined signal 1 SIGSEGV 11 SIGUSR2 12 Segment violation: process has tried to access memory not assigned to it User defined signal 2 SIGALRM 14 Timer set with alarm() function has timed out SIGTERM 15 Termination request SIGCHLD 17 Child process termination signal SIGCONT 18 Continue after a SIGSTOP or SIGSTP signal SIGSTOP 19 Stop the process SIGTSTP 20 Terminal stop: generated by < CTRL Z > SIGWINCH 28 Change of window size Nhaän xeùt Signals L Lieân laïc khoâng ñoàng boä SH Khoâng bieát tröôùc thôøi ñieåm Thieáu tin caäy Q Quiz : OK A Sig B Khoâng cho pheùp trao ñoåi döõ lieäu Q 12/16/2007 ? Result L Trần Hạnh Nhi 7 Pipes AB Q B……….A WritePipe() AB L ReadPipe() Pipe Kernel buffer (File) coù kích thöôùc giôùi haïn (4K, 8K…) HÑH cung caáp haøm WritePipe & ReadPipe WritePipe khi Pipe ñaày ? ReadPipe khi Pipe roãng ? Phaûiù xeùt ñeán caùc khaû naêng ñoàng boä Hoã trôï lieân laïc (UNIX original ) Giöõa 2 tieán trình Cha - Con Moät chieàu Khoâng caáu truùc (byte transfer) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 8 Nhaän xeùt Pipe Öu ñieåm : Khuyeát ñieåm Cho pheùp trao ñoåi döõ lieäu khoâng caáu truùc Chi phí thöïc hieän cao (system call) Lieân laïc giöõa 2 tieán trình Lieân laïc moät chieàu Pipe trong caùc HÑH hieän ñaïi : Anomynous Pipe : This… Named Pipe : Unix , Windows NT… Truyeàn döõ lieäu coù caáu truùc Lieân laïc 2 chieàu 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 9 Shared Memory Shared Memory: Laø moät phaàn khoâng gian nhôù khoâng thuoäc sôû höõu cuûa tieán trình naøo Ñöôïc HÑH taïo ra Caùc tieán trình coù theå aùnh xaï ñòa chæ vaøo khoâng gian chia seû naøy ñeå truy xuaát döõ lieäu (nhö ñoái vôùi khoâng gian noäi boä) Khoâng giôùi haïn soá löôïng tieán trình, chieàu trao ñoåi, vaø thöù töï truy caäp Maâu thuaãn truy xuaát - > nhu caàu ñoàng boä 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 10 IPC theo nguyeân taéc trao ñoåi thoâng ñieäp User Process User Process OS-Kernel OS-Kernel Network Khoâng coù boä nhôù chung Caàn coù ñöôøng keát noái giöõa caùc maùy tính 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 11 Message Message HÑH cung caáp 2 primitive chính Döõ lieäu coù caáu truùùc Caáu truùc vaø thoâng dòch msg ñöôïc thoûa thuaän giöõa 2 tieán trình lieân laïc send(destination, message) receive(source, message) Caùc vaán ñeà quan taâm : Direct or indirect addressing Blocking or non-blocking communication Reliable or unreliable communication Buffered or un-buffered communication 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 12 Ñònh daïng Message 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 13 Nhaän xeùt message Laø cô cheá IPC toång quaùt Hoã trôï lieân laïc giöõa caùc tieán trính treân cuøng maùy Hoã trôï lieän laïc giöõa caùc tieán trính trong heä thoáng phaân taùn Lieân laïc giöõa caùc heä thoáng khoâng ñoàng nhaát ? 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 14 Lieân laïc giöõa caùc heä thoáng khoâng ñoàng nhaát Máy A P1 Send( ) //UNIX Receive( ) //WIN (UNIX) Máy B P2 (Windows) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 15 Socket Endpoint cuûa moät keát noái 2 chieàu Töông ñöông vôùi moät network interface (hardware) Cho pheùp caùc öùng duïng “plug in” vaøo maïng moät caùch aån duï Laø moät giao dieän laäp trình maïng Cho pheùp caùc tieán trình lieân laïc 2 chieàu vôùi nhau Socket description Thieát laäp lieân laïc : taïo 2 socket, keát noái chuùng vôùi nhau Söû duïng moät transport protocol Caàn ñaëc taû IPaddress vaø port keát noái Ñöôïc hoã trôï ñaàu tieân trong Berkeley socket Laø söï môû roäng cuûa nhaäp xuaát file tröøu töôïng Hieän nay ñöôïc hoã trôï trong haàu heát HÑH hieän ñaïi 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 16 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 17 Socket Communication 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 18 Lieân laïc giöõa caùc heä thoáng khoâng ñoàng nhaát Máy A P1 (UNIX) Receive( ) 12/16/2007 Socket Socket Trần Hạnh Nhi Send( ) P2 Máy B (Windows) 19 Lieân laïc thoâng qua Socket Hoã trôï 2 phöông thöùc lieân laïc Connection-oriented (TCP/IP) Connectionless (UDP/IP) Stream Reliable Bi-directional communication Datagram Unreliable Bi-directional communication Cho pheùp lieân laïc giöõa caùc tieán trình treân caùc maïng khoâng ñoàng nhaát 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 20 Phöông thöùc Connection-Oriented Thöïc hieän treân TCP (Transmission Control Protocol.) Phaûi thöïc hieän keát noái giöõa 2 tieán trình tröôùc khi trao ñoåi döõ lieäu Döõ lieäu ñöôïc phaân phoái Töông töï heä thoáng ñieän thoaïi in sequence. guaranteed. Keát noái keát thuùc khi lieân laïc chaám döùt 2 modes: Iterative (synchronous) Concurrent (asynchronous) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 21 Phöông thöùc Connectionless Thöïc hieän treân UDP (User Datagram Protocol) Khoâng yeâu caàu keát noái toàn taïi tröôùc khi truyeàn döõ lieäu Töông töï heä thoáng thö tín Döõ lieäu truyeàn coù theå bò maát maùt hay khoâng ñuùng traät töï 2 modes: Iterative (synchronous) Concurrent (asynchronous) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 22 Caáu truùc ñòa chæ Socket Generic socket address structure: struct sockaddr { sa_family_t sa_family; char sa_data[14]; }; /* address family */ /* socket address */ A popular BSD-derived implementation: struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family */ in_port_t sin_port; /* protocol port number */ struct in_addr sin_addr; /* IP addr in NW byte order */ char sin_zero[8]; /* unused, set to zero */ }; 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 23 Port Numbers Port laø 1 khaùi nieäm tröøu töôïng ñöôïc TCP/UDP söû duïng ñeå phaân bieät caùc öùng duïng treân moät maùy chuû Moät port ñöôïc xaùc ñònh baèng 1 soá nguyeân 16 bit laø port number. 3 mieàn giaù trò ñöôc daønh cho Well-known ports (0-1023) Registered ports (1024-49151) Dynamic ports (49512 – 65535) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 24 Some Well-Known Ports 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 25 Socket Types Socket types: SOCK_STREAM SOCK_DGRAM Stream socket (TCP) Datagram socket (UDP) SOCK_RAW Raw socket (talk to IP directly) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 26 Socket Primitives Primitive Socket Bind Listen Accept Connect Send Receive Close 12/16/2007 YÙ nghóa Taïo 1 communication endpoint Keát buoäc moät local address vôùi 1 socket Thoâng baùo saün saøng “laéng nghe” (tieáp nhaän keát noái) Khoaù caller ñeán khi coù 1 yeâu caàu keát noái Chuû ñoäng thöïc hieän keát noái Gôûi döõ lieäu qua keát noái ñaõ thieát laäp Nhaän döõ lieäu qua keát noái ñaõ thieát laäp Keát thuùc keát noái Trần Hạnh Nhi 27 TCP System Calls Server socket() bind() Client listen() socket() accept() blocks until connection from client connect() write() read() process request 12/16/2007 write() read() close() close() Trần Hạnh Nhi 28 UDP System Calls Server socket() bind() Client recvfrom() socket() blocks until data received from a client sendto() data(request) process request sendto() data(reply) recvfrom() close() 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 29 [...]... “hò hẹn” (Rendez-vous) Thực hiện đồng bộ hoá : Lập trình viên đề xuất chiến lược Các tiến trình liên quan trong bài toán phải tôn trọng các luậtđồng bộ Giải pháp sử dụng các cơ chế đồng bộ : Do lập trình viên /phần cứng / HĐH / NNLT cung cấp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 18 Mô hình đảm bảo Mutual Exclusion Nhiệm vụ của lập trình viên: Thêm các đoạn code đồng bộ hóa vào chương trình gốc Thêm thế nào : xem mô... hai tiến trình cùng ở trong miền găng cùng lúc Progess : Một tiến trình tạm dừng bên ngoài miền găng không được ngăn cản các tiến trình khác vào miền găng Bounded Waiting : Không có tiến trình nào phải chờ vô hạn để được vào miền găng 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 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 22 Các giải pháp đồng bộ. .. tổ chức phối hợp giữa hai tiến trình Nhiệm vụ của lập trình viên: Thêm các đoạn code đồng bộ hóa vào 2 chương trình gốc Thêm thế nào : xem mô hình sau P2 P1 Job1; Chờ ; Báo hiệu ; Job2; Nhiều tiến trình hơn thì sao ? Không có mô hình tổng quát Tùy thuộc bạn muốn hẹn hò ra sao ☺ 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 20 Nội dung bài giảng Xử lý đồng hành và các vấn đề: Vấn đề tranh đoạt điều khiển (Race Condition)... hợp xử lý Bài toán đồng bộ hóa Yêu cầu độc quyền truy xuất (Mutual Exclusion) Yêu cầu phối hợp xử lý (Synchronization) Các giải pháp đồng bộ hoá Busy wating Sleep & Wakeup Các bài toán đồng bộ hoá kinh điển Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 21 Giải pháp đồng bộ hoá Một phương pháp giải quyết tốt bài toán đồng bộ hoá cần thoả mản 4 điều kiện sau: Mutual... giải pháp đồng bộ hoá Busy waiting Sleep & Wakeup Các bài toán đồng bộ hoá kinh điển Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 17 Bài toán đồng bộ hoá (Synchronization) Nhiều tiến trình chia sẻ tài nguyên chung đồng thời : Tranh chấp Race Condition Nhu cầu “độc quyền truy xuất” (Mutual Exclusion) Các tiến trình phối hợp hoạt động : Tương quan diễn tiến xử lý... Job1; Job2; Làm thế nào bảo đảm trình tự thực hiện Job1 - Job2 ? P1 và P2 thực hiện “hẹn hò” (Rendez-vous) với nhau Hỗ trợ Rendez-vous : Bảo đảm các tiến trình phối hợp với nhau theo 1 trình tự xử lý đònh trước 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 16 Nội dung bài giảng Xử lý đồng hành và các vấn đề: Vấn đề tranh đoạt điều khiển (Race Condition) Vấn đề phối hợp xử lý Bài toán đồng bộ hóa Yêu cầu độc quyền truy xuất... giảng Xử lý đồng hành và các vấn đề: Vấn đề tranh đoạt điều khiển (Race Condition) Vấn đề phối hợp xử lý Bài toán đồng bộ hóa Yêu cầu độc quyền truy xuất (Mutual Exclusion) Yêu cầu phối hợp xử lý (Synchronization) Các giải pháp đồng bộ hoá Busy waiting Sleep & Wakeup Các bài toán đồng bộ hoá kinh điển Producer – Consumer Readers – Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 13 Phối hợp hoạt... Nhận xét Giải pháp 2: Kiểm tra luân phiên Chỉ dành cho 2 tiến trình Bảo đảm Mutual Exclusion Chỉ có 1 biến turn, tại 1 thời điểm chỉ cho 1 tiến trình turn vào CS Không bảo đảm Progress Nguyên nhân ? “Mờ của” cho người = “Đóng cửa” chính mình ! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 31 Giải pháp phần mềm 3 : Peterson’s Solution Kết hợp ý tưởng của 1 & 2, các tiến trình chia sẻ: turn; //đến phiên ai interest[2] = FALSE;... Miền găng (CS) là đoạn chương trình có khả năng gây ra hiện tượng race condition P2 P1 printf(“Welcome”); printf(“Welcome”); CS hits = hits + 1 hits = hits + 1 printf(“Bye”); printf(“Bye”); CS (Hỗ trợ Atomicity : Cần bảo đảm tính “độc quyền truy xuất” (Mutual Exclusion) cho miền găng (CS) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 12 Nội dung bài giảng Xử lý đồng hành và các vấn đề: Vấn đề tranh đoạt điều khiển (Race Condition)... mềm đáp ứng được cả 3 điều kiện Mutual Exclusion : Pi chỉ có thể vào CS khi: interest[j] == F hay turn == i Nếu cả 2 muốn về thì do turn chỉ có thể nhận giá trò 0 hay 1 nên chỉ có 1 tiến trình vào CS Progress Sử dụng 2 biến interest[i] riêng biệt => trạng thái đối phương không khoá mình được Bounded Wait : interest[i] và turn đều có thay đổi giá trò Không thể mở rộng cho N tiến trình 11/10/2007 Trần