›
›

Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Hải Đăng

pdf 464 trang hapham 2640
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Hải Đăng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_dieu_hanh_chuong_2_quan_ly_tien_trinh_pham_hai.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Hải Đăng

  1. Hệ điều hành HỆ ĐIỀU HÀNH Phạm Đăng Hải haipd-fit@mail.hut.edu.vn Bộ môn Khoa học Máy tính Viện Công nghệ Thông tin & Truyền Thông Ngày 13 tháng 3 năm 2012 1 / 217
  2. Chương 2: Quản lý tiến trình Chương 2 Quản lý tiến trình 2 / 217
  3. Chương 2: Quản lý tiến trình Giới thiệu Khi chương trình đang thực hiện Được cung cấp tài nguyên (CPU, bộ nhớ, thiết bị vào/ra ) để hoàn thành công việc Tài nguyên được cấp khi bắt đầu chương trình hay trong khi chương trình đang thực hiện Gọi là tiến trình (process) Hệ thống bao gồm tập các tiến trình thực hiện đồng thời Tiến trình hệ điều hành Thực hiện mã lệnh hệ thống Tiến trình người dùng Thực hiện mã lệnh người dùng Tiến trình có thể chứa một hoặc nhiều luồng điều khiển Trách nhiệm của Hệ điều hành: Đảm bảo họat động của tiến trình và tiểu trình (luồng) Tạo/xóa tiến trình (người dùng, hệ thống) Điều phối tiến trình Cung cấp cơ chế đồng bộ, truyền thông và ngăn ngừa tình trạng bế tắc giữa các tiến trình 3 / 217
  4. Chương 2: Quản lý tiến trình Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 4 / 217
  5. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 5 / 217
  6. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 6 / 217
  7. Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện q0 q1 q2 qn Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng Xuất phát từ một trạng thái ban đầu §Tiến trình là sự thực hiện chương trình ¤ ¦ ¥ Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình Trạng thái hệ thống Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị 7 / 217
  8. Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng Xuất phát từ một trạng thái ban đầu §Tiến trình là sự thực hiện chương trình ¤ ¦ ¥ Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình Trạng thái hệ thống Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện q0 q1 q2 qn 7 / 217
  9. §Tiến trình là sự thực hiện chương trình ¤ ¦ ¥ Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình Trạng thái hệ thống Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện q0 q1 q2 qn Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng Xuất phát từ một trạng thái ban đầu 7 / 217
  10. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình Trạng thái hệ thống Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện q0 q1 q2 qn Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng Xuất phát từ một trạng thái ban đầu §Tiến trình là sự thực hiện chương trình ¤ 7 / 217 ¦ ¥
  11. Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa) Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA ) Dữ liệu: Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ Biến toàn cục Biến được cung cấp động (malloc, new, ) Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ ) Thư viện liên kết động (DLL) Không được dịch & liên kết cùng với chương trình Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên) Một chương trình có thể Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau) gcc hello.c k gcc baitap.c Gọi tới nhiều tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình >< chương trình 8 / 217
  12. Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên) Một chương trình có thể Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau) gcc hello.c k gcc baitap.c Gọi tới nhiều tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình >< chương trình Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa) Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA ) Dữ liệu: Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ Biến toàn cục Biến được cung cấp động (malloc, new, ) Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ ) Thư viện liên kết động (DLL) Không được dịch & liên kết cùng với chương trình Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện 8 / 217
  13. Một chương trình có thể Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau) gcc hello.c k gcc baitap.c Gọi tới nhiều tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình >< chương trình Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa) Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA ) Dữ liệu: Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ Biến toàn cục Biến được cung cấp động (malloc, new, ) Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ ) Thư viện liên kết động (DLL) Không được dịch & liên kết cùng với chương trình Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên) 8 / 217
  14. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình >< chương trình Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa) Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA ) Dữ liệu: Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ Biến toàn cục Biến được cung cấp động (malloc, new, ) Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ ) Thư viện liên kết động (DLL) Không được dịch & liên kết cùng với chương trình Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên) Một chương trình có thể Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau) gcc hello.c k gcc baitap.c Gọi tới nhiều tiến trình 8 / 217
  15. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Dịch và thực hiên một chương trình 9 / 217
  16. Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên Tiến trình là chương trình đang thực hiện Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình 10 / 217
  17. Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên Tiến trình là chương trình đang thực hiện Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó 10 / 217
  18. Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên Tiến trình là chương trình đang thực hiện Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) 10 / 217
  19. Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên Tiến trình là chương trình đang thực hiện Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa 10 / 217
  20. Tiến trình là chương trình đang thực hiện Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên 10 / 217
  21. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên 10 /Tiến 217 trình là chương trình đang thực hiện
  22. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Trạng thái tiến trình Khi thực hiện, tiến trình thay đổi trạng thái Khởi tạo (New) Tiến trình đang được khởi tạo Sẵn sàng (Ready) Tiến trình đang đợi sử dụng processor vật lý Thực hiện (Running) Các câu lệnh của tiến trình đang được thực hiện Chờ đợi (Waiting) Tiến trình đang chờ đợi một sự kiện nào đó xuất hiện (sự hoàn thành thao tác vào/ra) Kết thúc (Terminated) Tiến trình thực hiện xong Trạng thái của tiến trình là một phần trong hoạt động hiện tại của tiến trình 11 / 217
  23. Hệ thống có một processor Có duy nhất một tiến trình ở trạng thái thực hiện Có thể có nhiều tiến trình ở trạng thái chờ đợi hoặc sẵn sàng Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Lưu đồ thay đổi trạng thái tiến trình (Silberschatz 2002) 12 / 217
  24. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Lưu đồ thay đổi trạng thái tiến trình (Silberschatz 2002) Hệ thống có một processor Có duy nhất một tiến trình ở trạng thái thực hiện Có thể có nhiều tiến trình ở trạng thái chờ đợi hoặc sẵn sàng 12 / 217
  25. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Khối điều khiển tiến trình (PCB: Process Control Block) Mỗi tiến trình được thể hiện trong hệ thống bởi một khối điều khiển tiến trình PCB: cấu trúc thông tin cho phép xác định duy nhất một tt Trạng thái tiến trình Bộ đếm lệnh Các thanh ghi của CPU Thông tin dùng để điều phối tiến trình Thông tin quản lý bộ nhớ Thông tin tài nguyên có thể sử dụng Thông tin thống kê Con trỏ tới một PCB khác 13 / 217
  26. tail head Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Danh sách tiến trình 14 / 217
  27. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Danh sách tiến trình tail head 14 / 217
  28. Tiến trình đa luồng : Là tiến trình có nhiều luồng thực thi ⇒ Cho phép thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ tại một thời điểm Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình đơn luồng và tiến trình đa luồng Tiến trình đơn luồng : Là chương trình thực hiện chỉ một luồng thực thi Có một luồng câu lệnh thực thi ⇒ Cho phép thực hiện chỉ một nhiệm vụ tại một thời điểm 15 / 217
  29. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Tiến trình đơn luồng và tiến trình đa luồng Tiến trình đơn luồng : Là chương trình thực hiện chỉ một luồng thực thi Có một luồng câu lệnh thực thi ⇒ Cho phép thực hiện chỉ một nhiệm vụ tại một thời điểm Tiến trình đa luồng : Là tiến trình có nhiều luồng thực thi ⇒ Cho phép thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ tại một thời điểm 15 / 217
  30. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 16 / 217
  31. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Giới thiệu Mục đích Sử dụng tối đa thời gian của CPU ⇒ Cần có nhiều tiến trình trong hệ thống Vấn đề Luân chuyển CPU giữa các tiến trình ⇒ Phải có hàng đợi cho các tiến trình Hệ thống một processor ⇒ Một tiến trình thực hiện ⇒ Các tiến trình khác phải đợi tới khi CPU tự do 17 / 217
  32. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Các hàng đợi tiến trìnhI Hệ thống có nhiều hàng đợi dành cho tiến trình Job-queue Tập các tiến trình trong hệ thống Ready-Queue Tập các tiến trình tồn tại trong bộ nhớ, đang sẵn sàng và chờ đợi để được thực hiện Device queues Tập các tiến trình đang chờ đợi một thiết bị vào ra. Phân biệt hàng đợi cho từng thiết bị 18 / 217
  33. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Các hàng đợi tiến trình II Các tiến trình di chuyển giữa hàng đợi khác nhau Tiến trình mới tạo, được đặt trong hàng đợi sẵn sàng, và đợi cho tới khi được lựa chọn để thực hiện 19 / 217
  34. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Các hàng đợi tiến trình III Tiến trình đã được chọn và đang thực hiên 1 Đưa ra một yêu cầu vào ra: đợi trong một hàng đợi thiết bị 2 Tạo một tiến trình con và đợi tiến trình con kết thúc 3 Hết thời gian sử dụng CPU, phải quay lại hàng đợi sẵn sàng Trường hợp (1&2) sau khi sự kiện chờ đợi hoàn thành, Tiến trình sẽ chuyển từ trạng thái đợi sang trạng thái sẵn sàng Tiến trình quay lại hàng đợi sẵn sàng Tiến trình tiếp tục chu kỳ (sẵn sàng, thực hiện, chờ đợi) cho tới khi kết thúc Xóa khỏi tất cả các hàng đợi PCB và tài nguyên đã cấp được giải phóng 20 / 217
  35. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Bộ điều phối (Scheduler) Lựa chọn tiến trình trong các hàng đợi Điều phối công việc (Job scheduler; Long-term scheduler) Điều phối CPU (CPU scheduler; Short-term scheduler) 21 / 217
  36. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Điều phối công việc Chọn các tiến trình từ hàng đợi tiến trình được lưu trong các vùng đệm (đĩa từ) và đưa vào bộ nhớ để thực hiện Thực hiện không thường xuyên (đơn vị giây/phút) Điều khiển mức độ đa chương trình (số t/trình trong bộ nhớ ) Khi mức độ đa chương trình ổn định, điều phối công việc được gọi chỉ khi có tiến trình rời khỏi hệ thống Vấn đề lựa chọn công việc Tiến trình thiên về vào/ra: sử dụng ít thời gian CPU Tiến trình thiên về tính toán: sử dụng nhiều thời gian CPU Cần lựa chọn lẫn cả 2 loại tiến tình ⇒ tt vào ra: hàng đợi sẵn sàng rỗng, lãng phí CPU ⇒ tt tính toán: hàng đợi thiết bị rỗng, lãng phí thiết bị 22 / 217
  37. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Điều phối CPU Lựa chọn một tiến trình từ hàng đợi các tiến trình đang sẵn sàng thực hiện và phân phối CPU cho nó Được thực hiện thường xuyên (VD: 100ms/lần) Tiến trình thực hiện vài ms rồi thực hiện vào ra Lựa chọn tiến trình mới, đang sẵn sàng Phải thực hiện nhanh 10ms để quyết định ⇒10/(110)=9% thời gian CPU lãng phí Vấn đề luân chuyển CPU từ tiến trình này tới tiến trình khác Phải lưu trạng thái của tiến trình cũ (PCB) và khôi phục trạng thái cho tiến trình mới Thời gian luân chuyển là lãng phí Có thể được hỗ trợ bởi phần cứng Vấn đề lựa chọn tiến trình (điều phối CPU) 23 / 217
  38. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Swapping tiến trình (Medium-term scheduler) Nhiệm vụ Đưa t/trình ra khỏi bộ nhớ (làm giảm mức độ đa chương trình) Sau đó đưa tiến trình quay trở lại (có thể ở vị trí khác) và tiếp tục thực hiện Mục đích: Giải phóng vùng nhớ, tạo vùng nhớ tự do rộng hơn 24 / 217
  39. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Chuyển ngữ cảnh (context switch) Chuyển CPU từ tiến trình này sang tiến trình khác (hoán đổi tiến trình thực hiện) Thực hiện khi xuất hiện tín hiệu ngắt (ngắt thời gian) hoặc tiến trình đưa ra lời gọi hệ thống (thực hiện và ra) Lưu đồ của chuyển CPU giữa các t/trình(Silberschatz 2002) 25 / 217
  40. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 26 / 217
  41. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Thao tác trên tiến trình Tạo tiến trình Kết thúc tiến trình 27 / 217
  42. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Tạo tiến trình Tiến trình có thể tạo nhiều tiến trình mới cùng hoạt động (CreateProcess(), fork()) Tiến trình tạo: tiến trình cha Tiến trình được tạo: tiến trình con Tiến trình con có thể tạo tiến trình con khác ⇒Cây tiến trình Vấn đề phân phối tài nguyên Tiến trình con lấy tài nguyên từ hệ điều hành Tiến trình con lấy tài nguyên từ tiến trình cha Tất cả các tài nguyên Một phần tài nguyên của tiến trình cha (ngăn ngừa việc tạo quá nhiều tiến trình con) Vấn đề thực hiện Tiến trình cha tiếp tục thực hiện đồng thời với tiến trình con Tiến trình cha đợi tiến trình con kết thúc 28 / 217
  43. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Kết thúc tiến trình Hoàn thành câu lệnh cuối và yêu cầu HĐH xóa nó (exit) Gửi trả dữ liệu tới tiến trình cha Các tài nguyên đã cung cấp được trả lại hệ thống Tiến trình cha có thể kết thúc sự thực hiện của tiến trình con Tiến trình cha phải biết định danh tiến trình con ⇒ tiến trình con phải gửi định danh cho tiến trình cha khi được khởi tạo Sử dụng lời gọi hệ thống (abort) Tiến trình cha kết thúc tiến trình con khi Tiến trình con sử dụng vượt quá mức tài nguyên được cấp Nhiệm vụ cung cấp cho tiến trình con không còn cần thiết nữa Tiến trình cha kết thúc và hệ điều hành không cho phép tiến trình con tồn tại khi tiến trình cha kết thúc ⇒Cascading termination. VD, kết thúc hệ thống 29 / 217
  44. TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode) hProcess Thẻ tiến trình bị kết thúc đóng uExitCode Mã kết thúc tiến trình WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMs) hHandle Thẻ đối tượng dwMs Thời gian chờ đợi (INFINITE) Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Một số hàm với tiến trình trong WIN32 API CreateProcess( ) LPCTSTR Tên của chương trình được thực hiện LPTSTR Tham số dòng lệnh LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh t/trình LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh luồng BOOL Cho phép kế thừa các thẻ thiết bị (TRUE/FALSE) DWORD Cờ tạo tiến trình (VD CREATE_NEW_CONSOLE) LPVOID Trỏ tới khối môi trường LPCTSTR Đường dẫn đầy đủ đến chương trình LPSTARTUPINFO Cấu trúc thông tin cho tiến trình mới LPPROCESS_INFORMATION Thông tin về tiến trình mới 30 / 217
  45. WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMs) hHandle Thẻ đối tượng dwMs Thời gian chờ đợi (INFINITE) Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Một số hàm với tiến trình trong WIN32 API CreateProcess( ) LPCTSTR Tên của chương trình được thực hiện LPTSTR Tham số dòng lệnh LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh t/trình LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh luồng BOOL Cho phép kế thừa các thẻ thiết bị (TRUE/FALSE) DWORD Cờ tạo tiến trình (VD CREATE_NEW_CONSOLE) LPVOID Trỏ tới khối môi trường LPCTSTR Đường dẫn đầy đủ đến chương trình LPSTARTUPINFO Cấu trúc thông tin cho tiến trình mới LPPROCESS_INFORMATION Thông tin về tiến trình mới TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode) hProcess Thẻ tiến trình bị kết thúc đóng uExitCode Mã kết thúc tiến trình 30 / 217
  46. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Một số hàm với tiến trình trong WIN32 API CreateProcess( ) LPCTSTR Tên của chương trình được thực hiện LPTSTR Tham số dòng lệnh LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh t/trình LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh luồng BOOL Cho phép kế thừa các thẻ thiết bị (TRUE/FALSE) DWORD Cờ tạo tiến trình (VD CREATE_NEW_CONSOLE) LPVOID Trỏ tới khối môi trường LPCTSTR Đường dẫn đầy đủ đến chương trình LPSTARTUPINFO Cấu trúc thông tin cho tiến trình mới LPPROCESS_INFORMATION Thông tin về tiến trình mới TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode) hProcess Thẻ tiến trình bị kết thúc đóng uExitCode Mã kết thúc tiến trình WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMs) hHandle Thẻ đối tượng 30 / 217 dwMs Thời gian chờ đợi (INFINITE)
  47. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Ví dụ #include #include int main(){ STARTUPINFO si; PROCESS_INFORMATION pi; ZeroMemory(&si, sizeof(si)); si.cb = sizeof(si); CreateProcess("Child.exe",NULL,NULL,NULL,FALSE, CREATE_NEW_CONSOLE,NULL,NULL,&si,&pi); WaitForSingleObject(pi.hProcess,10000);//INFINITE TerminateProcess(pi.hProcess, 0); CloseHandle(pi.hProcess); CloseHandle(pi.hThread); return 0; } 31 / 217
  48. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Project 1: Tiny shell Giới thiệu Thiết kế và cài đặt một shell đơn giản (myShell) Mục đích Nghiên cứu các API quản lý tiến trình trong Windows Hiểu cách cài đặt và các thức shell làm việc Nội dung Shell nhận lệnh, phân tích và tạo tiến trình con thực hiện foreground mode: Shell phải đợi tiến trình kết thúc background mode: Shell và tiến trình thực hiện song song Shell chứa các câu lệnh quản lý tiến trình List: in ra DS tiến trình (process Id, Cmd name, status) Kill, Stop, Resume một background process Shell hiểu một số lệnh đặc biệt (exit, help, date, time, dir, ) path/addpath : xem và đặt lại biến môi trường Shell có thể nhận tín hiệu ngắt từ bàn phím để hủy bỏ foreground process đang thực hiện (CRTL+C) Shell có thể thực hiện được file *.bat 32 / 217
  49. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Project 1: Tiny shell → Ví dụ 33 / 217
  50. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 34 / 217
  51. Các tiến trình song song Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm giữa điểm bắt đầu và kết thúc của tiến trình kia Độc lập: Không ảnh hưởng tới hoặc bị ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Có hợp tác: Ảnh hưởng tới hoặc chịu ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Hợp tác tiến trình nhằm Chia sẻ thông tin Tăng tốc độ tính toán: Module hóa Tiện dụng Hợp tác tiến trình đòi hỏi cơ chế cho phép Truyền thông giữa các tiến trình Đồng bộ hóa hoạt động của các tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Phân loại tiến trình Các tiến trình tuần tự Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm sau điểm kết thúc của tiến trình kia 35 / 217
  52. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Phân loại tiến trình Các tiến trình tuần tự Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm sau điểm kết thúc của tiến trình kia Các tiến trình song song Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm giữa điểm bắt đầu và kết thúc của tiến trình kia Độc lập: Không ảnh hưởng tới hoặc bị ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Có hợp tác: Ảnh hưởng tới hoặc chịu ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Hợp tác tiến trình nhằm Chia sẻ thông tin Tăng tốc độ tính toán: Module hóa Tiện dụng Hợp tác tiến trình đòi hỏi cơ chế cho phép Truyền thông giữa các tiến trình Đồng bộ hóa hoạt động của các tiến trình 35 / 217
  53. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer)I Hệ thống gồm 2 tiến trình Producer sản xuất ra các sản phẩm Consumer tiêu thụ các sản phẩm được sản xuất ra Ứng dụng Chương trình in (producer) sản xuất ra các ký tự được tiêu thụ bởi bộ điều khiển máy in (consumer) Trình dịch (producer) sản xuất ra mã hợp ngữ, trình hợp ngữ (consumer/producer) tiêu thụ mã hợp ngữ rồi sản xuất ra module đối tượng được bộ thực hiện (consumer) tiêu thụ 36 / 217
  54. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer) II Producer và Consumer hoạt động đồng thời Sử dụng vùng đệm dùng chung (Buffer) chứa sản phẩm được điền vào bởi producer và được lấy ra bởi consumer IN Vị trí trống kế tiếp trong vùng đệm; OUT Vị trí đầy đầu tiên trong vùng đệm. Counter Số sản phẩm trong vùng đệm Producer và Consumer phải đồng bộ Consumer không cố gắng tiêu thụ một sản phẩm chưa được sản xuất Vùng đệm dung lượng vô hạn Khi Buffer rỗng, Consumer phải đợi Producer không phải đợi khi đặt sản phẩm vào buffer Vùng đệm dung lượng hữu hạn Khi Buffer rỗng, Consumer phải đợi Producer phải đợi nếu vùng đệm đầy 37 / 217
  55. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer) III Producer while(1){ /*produce an item in nextProduced*/ while (Counter == BUFFER_SIZE) ; /*do nothing*/ Buffer[IN] = nextProduced; IN = (IN + 1) % BUFFER_SIZE; Counter++; } Consumer while(1){ while(Counter == 0) ; /*do nothing*/ nextConsumed = Buffer[OUT]; OUT =(OUT + 1) % BUFFER_SIZE; Counter ; /*consume the item in nextConsumed*/ } 38 / 217
  56. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 39 / 217
  57. Dùng mô hình truyền thông liên tiến trình (Interprocess communication) Là cơ chế cho phép các tiến trình truyền thông và đồng bộ các hoạt động Thường được sử dụng trong các hệ phân tán khi các tiến trình truyền thông nằm trên các máy khác nhau (chat) Đảm bảo bởi hệ thống truyền thông điệp Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Trao đổi giữa các tiến trình Dùng mô hình bộ nhớ phân chia Các tiến trình chia sẻ vùng nhớ chính Mã cài đặt được viết tường minh bởi người lập trình ứng dụng Ví dụ: Bài toán Producer-Consumer 40 / 217
  58. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Trao đổi giữa các tiến trình Dùng mô hình bộ nhớ phân chia Các tiến trình chia sẻ vùng nhớ chính Mã cài đặt được viết tường minh bởi người lập trình ứng dụng Ví dụ: Bài toán Producer-Consumer Dùng mô hình truyền thông liên tiến trình (Interprocess communication) Là cơ chế cho phép các tiến trình truyền thông và đồng bộ các hoạt động Thường được sử dụng trong các hệ phân tán khi các tiến trình truyền thông nằm trên các máy khác nhau (chat) Đảm bảo bởi hệ thống truyền thông điệp 40 / 217
  59. Các vấn đề cài đặt Các liên kết được thiết lập như thế nào? Một liên kết có thể dùng cho nhiều hơn 2 tiến trình? Bao nhiêu liên kết có thể tồn tại giữa mọi cặp tiến trình? Kích thước thông báo mà liên kết chấp nhận cố định/thay đổi? Liên kết một hay hai chiều? Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Hệ thống truyền thông điệp Cho phép các tiến trình trao đổi với nhau không qua sử dụng các biến phân chia Yêu cầu 2 thao tác cơ bản Send (msg) Các msg có kích thước cố định hoặc thay đổi Cố định : dễ cài đặt mức hệ thống, nhiệm vụ lập trình khó Thay đổi: cài đặt mức hệ thống phức tạp, lập trình đơn giản Receive (msg) Nếu 2 tiến trình P và Q muốn trao đổi, chúng cần Thiết lập một liên kết truyền thông (vật lý/logic) giữa chúng Trao đổi các messages nhờ các thao tác send/receive 41 / 217
  60. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Hệ thống truyền thông điệp Cho phép các tiến trình trao đổi với nhau không qua sử dụng các biến phân chia Yêu cầu 2 thao tác cơ bản Send (msg) Các msg có kích thước cố định hoặc thay đổi Cố định : dễ cài đặt mức hệ thống, nhiệm vụ lập trình khó Thay đổi: cài đặt mức hệ thống phức tạp, lập trình đơn giản Receive (msg) Nếu 2 tiến trình P và Q muốn trao đổi, chúng cần Thiết lập một liên kết truyền thông (vật lý/logic) giữa chúng Trao đổi các messages nhờ các thao tác send/receive Các vấn đề cài đặt Các liên kết được thiết lập như thế nào? Một liên kết có thể dùng cho nhiều hơn 2 tiến trình? Bao nhiêu liên kết có thể tồn tại giữa mọi cặp tiến trình? Kích thước thông báo mà liên kết chấp nhận cố định/thay đổi? Liên kết một hay hai chiều? 41 / 217
  61. Tính chất của liên kết truyền thông Các liên kết được thiết lập tự động Một liên kết gắn chỉ với cặp tiến trình truyền thông Chỉ tồn tại một liên kết giữa cặp tiến trình Liên kết có thể là một chiều, nhưng thường hai chiều Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông trực tiếp Các tiến trình phải gọi tên tiến trình nhận/gửi một cách tường minh send (P, message) - gửi một thống báo tới tiến trình P receive(Q, message) - Nhận một thông báo từ tiến trình Q 42 / 217
  62. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông trực tiếp Các tiến trình phải gọi tên tiến trình nhận/gửi một cách tường minh send (P, message) - gửi một thống báo tới tiến trình P receive(Q, message) - Nhận một thông báo từ tiến trình Q Tính chất của liên kết truyền thông Các liên kết được thiết lập tự động Một liên kết gắn chỉ với cặp tiến trình truyền thông Chỉ tồn tại một liên kết giữa cặp tiến trình Liên kết có thể là một chiều, nhưng thường hai chiều 42 / 217
  63. Tính chất các liên kết Các liên kết được thiết lập chỉ khi các tiến trình dùng chung hòm thư Một liên kết có thể được gắn với nhiều tiến trình Mỗi cặp tiến trình có thể dùng chung nhiều liên kết truyền thông Liên kết có thể một hay hai chiều Các thao tác Tạo hòm thư Gửi/nhận thông báo qua hòm thư send(A, msg): Gửi một msg tới hòm thư A receive(A, msg): Nhận một msg từ hòm thư A Hủy bỏ hòm thư Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông gián tiếp Các thông điệp được gửi/nhận tới/từ các hòm thư (mailboxes), cổng (ports) Mỗi hòm thư có định danh duy nhất Các tiến trình có thể trao đổi nếu chúng dùng chung hòm thư 43 / 217
  64. Các thao tác Tạo hòm thư Gửi/nhận thông báo qua hòm thư send(A, msg): Gửi một msg tới hòm thư A receive(A, msg): Nhận một msg từ hòm thư A Hủy bỏ hòm thư Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông gián tiếp Các thông điệp được gửi/nhận tới/từ các hòm thư (mailboxes), cổng (ports) Mỗi hòm thư có định danh duy nhất Các tiến trình có thể trao đổi nếu chúng dùng chung hòm thư Tính chất các liên kết Các liên kết được thiết lập chỉ khi các tiến trình dùng chung hòm thư Một liên kết có thể được gắn với nhiều tiến trình Mỗi cặp tiến trình có thể dùng chung nhiều liên kết truyền thông Liên kết có thể một hay hai chiều 43 / 217
  65. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông gián tiếp Các thông điệp được gửi/nhận tới/từ các hòm thư (mailboxes), cổng (ports) Mỗi hòm thư có định danh duy nhất Các tiến trình có thể trao đổi nếu chúng dùng chung hòm thư Tính chất các liên kết Các liên kết được thiết lập chỉ khi các tiến trình dùng chung hòm thư Một liên kết có thể được gắn với nhiều tiến trình Mỗi cặp tiến trình có thể dùng chung nhiều liên kết truyền thông Liên kết có thể một hay hai chiều Các thao tác Tạo hòm thư Gửi/nhận thông báo qua hòm thư send(A, msg): Gửi một msg tới hòm thư A receive(A, msg): Nhận một msg từ hòm thư A Hủy bỏ hòm thư 43 / 217
  66. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Vấn đề đồng bộ hóa Truyền thông điệp có thể phải chờ đợi (blocking), hoặc không chờ đợi (non blocking) Blocking Truyền thông đồng bộ Non-blocking Truyền thông không đồng bộ Các thủ tục send() và receive() có thể bị chờ đợi hoặc không chờ đợi Blocking send Tiến trình gửi thông báo và đợi cho tới khi msg được nhận bởi tiến trình nhận hoặc bởi hòm thư Non blockking send Tiến trình gửi thông báo và tiếp tục làm việc Blocking receive Tiến trình nhận phải đợi cho tới khi có thông báo Non-blocking receive Tiến trình nhận trả về hoặc một thông báo có giá trị, hoặc một giá trị null 44 / 217
  67. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Vùng đệm Các thông điệp trao đổi giữa các tiến trình được lưu trong hàng đợi tạm thời Hàng đợi có thể được cài đặt theo Khả năng chứa 0 (Zero capacity): Độ dài hàng đợi là 0 Không tồn tại thông điệp trong đường liên kết ⇒ Sender phải đợi cho tới khi thông điệp được nhận Khả năng chứa có giới hạn(Bound capacity) Hàng đợi có độ dài n ⇒ chứa nhiều nhất n thông điệp Nếu hàng đợi không đầy, thông điệp sẽ được lưu vào trong vùng đệm và Sender tiếp tục bình thường Nếu hàng đợi đầy, sender phải đợi cho tới khi có chỗ trống Khả năng chứa không giới hạn (Unbound capacity) Sender không bao giờ phải đợi 45 / 217
  68. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Truyền thông trong hệ thống Client-Server Socket RPC (Remote Procedure Calls) RMI (Remote Method Invocation) Cơ chế truyền thông của Java 46 / 217
  69. Bao gồm cặp địa chỉ IP và cổng: 161.25.19.8:1625 Truyền thông thực hiện giữa các cặp Sockets Win32API: Winsock Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Socket Được xem như một đầu mút cho truyền thông 47 / 217
  70. Truyền thông thực hiện giữa các cặp Sockets Win32API: Winsock Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Socket Được xem như một đầu mút cho truyền thông Bao gồm cặp địa chỉ IP và cổng: 161.25.19.8:1625 47 / 217
  71. Win32API: Winsock Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Socket Được xem như một đầu mút cho truyền thông Bao gồm cặp địa chỉ IP và cổng: 161.25.19.8:1625 47 / 217 Truyền thông thực hiện giữa các cặp Sockets
  72. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Socket Được xem như một đầu mút cho truyền thông Bao gồm cặp địa chỉ IP và cổng: 161.25.19.8:1625 47 / 217 Truyền thông thực hiện giữa các cặp Sockets Win32API: Winsock
  73. Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Bài tập Tìm hiểu các phương pháp truyền thông Client-Server Viết chương trình giải quyết bài toán Producer-Consumer 48 / 217
  74. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 49 / 217
  75. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 50 / 217
  76. Với hệ thống nhiều vi xử lý Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Vector Tính toán trên vector kích thước lớn for(k = 0; k < n; k + +){ a[k] = b[k] ∗ c[k]; } 51 / 217
  77. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Vector Tính toán trên vector kích thước lớn for(k = 0; k < n; k + +){ a[k] = b[k] ∗ c[k]; } Với hệ thống nhiều vi xử lý 51 / 217
  78. Process Q Vấn đề nhận Msg Process P while(1){ IBlocking Receive while(1){ Receive(P,Msg); INon-blocking Receive ReadLine(Msg); PrintLine(Msg); Send(Q,Msg); ReadLine(Msg); Giải quyết Receive(Q,Msg); Send(P,Msg); PrintLine(Msg); Thực hiện song song } Receive & Send } Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Chat 52 / 217
  79. Vấn đề nhận Msg Process P IBlocking Receive while(1){ INon-blocking Receive ReadLine(Msg); Send(Q,Msg); Giải quyết Receive(Q,Msg); PrintLine(Msg); Thực hiện song song Receive & Send } Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Chat Process Q while(1){ Receive(P,Msg); PrintLine(Msg); ReadLine(Msg); Send(P,Msg); } 52 / 217
  80. Vấn đề nhận Msg IBlocking Receive INon-blocking Receive Giải quyết Thực hiện song song Receive & Send Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Chat Process Q Process P while(1){ while(1){ Receive(P,Msg); ReadLine(Msg); PrintLine(Msg); Send(Q,Msg); ReadLine(Msg); Receive(Q,Msg); Send(P,Msg); PrintLine(Msg); } } 52 / 217
  81. Giải quyết Thực hiện song song Receive & Send Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Chat Process Q Vấn đề nhận Msg Process P while(1){ IBlocking Receive while(1){ Receive(P,Msg); INon-blocking Receive ReadLine(Msg); PrintLine(Msg); Send(Q,Msg); ReadLine(Msg); Receive(Q,Msg); Send(P,Msg); PrintLine(Msg); } } 52 / 217
  82. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Chat Process Q Vấn đề nhận Msg Process P while(1){ IBlocking Receive while(1){ Receive(P,Msg); INon-blocking Receive ReadLine(Msg); PrintLine(Msg); Send(Q,Msg); ReadLine(Msg); Giải quyết Receive(Q,Msg); Send(P,Msg); PrintLine(Msg); Thực hiện song song } Receive & Send } 52 / 217
  83. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Chương trình - Tiến trình - Luồng Chương trình: Dãy lệnh, các biến, Tiến trình: Chương trình đang thực hiện: Stack, t/bị, VXL, Luồng: C/trình đang thực hiện trong ngữ cảnh tiến trình Nhiều processor → Nhiều luồng, mỗi luồng trên một VXL 53 / 217 Khác nhau về giá trị các thanh ghi, nội dung stack
  84. Hệ điều hành hiện nay (Windows, Linux) Tiến trình có thể gồm nhiều luồng Có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ tại một thời điểm Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình đơn luồng và đa luồng Hệ điều hành truyền thống (MS-DOS, UNIX) Tiến trình có một luồng điều khiển (heavyweight process) 54 / 217
  85. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình đơn luồng và đa luồng Hệ điều hành truyền thống (MS-DOS, UNIX) Tiến trình có một luồng điều khiển (heavyweight process) Hệ điều hành hiện nay (Windows, Linux) Tiến trình có thể gồm nhiều luồng Có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ tại một thời điểm 54 / 217
  86. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Ví dụ: Word processor (Tanenbaum 2001) 55 / 217
  87. Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) Một tiến trình có ít nhất là một luồng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack 56 / 217
  88. Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) Một tiến trình có ít nhất là một luồng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) 56 / 217
  89. Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) Một tiến trình có ít nhất là một luồng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau 56 / 217
  90. Một tiến trình có ít nhất là một luồng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) 56 / 217
  91. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) Một tiến trình có ít nhất là một luồng 56 / 217
  92. Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng 57 / 217
  93. Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình 57 / 217
  94. Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình 57 / 217
  95. Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém 57 / 217
  96. Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ 57 / 217
  97. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo 57 / 217
  98. Chia sẻ tài nguyên Các luồng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của tiến trình chứa nó Tốt cho các thuật toán song song (sử dụng chung các CTDL) Trao đổi giữa các luồng thông qua bộ nhớ phân chia Cho phép một ứng dụng chứa nhiều luồng hoạt động trong cùng không gian địa chỉ Tính kinh tế Các thao tác khởi tạo, hủy bỏ và luân chuyển luồng ít tốn kém Minh họa được tính song song trên bộ đơn VXL do thời gian luân chuyển CPU nhanh (Thực tế chỉ một luồng thực hiện) Sử dụng kiến trúc nhiều vi xử lý Các luồng chạy song song thực sự trên các bộ VXL khác nhau. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng Tăng tính đáp ứng với người dùng Cho phép chương trình vẫn thực hiện ngay khi một phần đang chờ đợi (block) hoặc đang thực hiện tính toán tăng cường Ví dụ trình duyệt Web (Web browser) đa luồng Một luồng tương tác với người dùng Một luồng thực hiện nhiệm vụ tải dữ liệu 58 / 217
  99. Tính kinh tế Các thao tác khởi tạo, hủy bỏ và luân chuyển luồng ít tốn kém Minh họa được tính song song trên bộ đơn VXL do thời gian luân chuyển CPU nhanh (Thực tế chỉ một luồng thực hiện) Sử dụng kiến trúc nhiều vi xử lý Các luồng chạy song song thực sự trên các bộ VXL khác nhau. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng Tăng tính đáp ứng với người dùng Cho phép chương trình vẫn thực hiện ngay khi một phần đang chờ đợi (block) hoặc đang thực hiện tính toán tăng cường Ví dụ trình duyệt Web (Web browser) đa luồng Một luồng tương tác với người dùng Một luồng thực hiện nhiệm vụ tải dữ liệu Chia sẻ tài nguyên Các luồng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của tiến trình chứa nó Tốt cho các thuật toán song song (sử dụng chung các CTDL) Trao đổi giữa các luồng thông qua bộ nhớ phân chia Cho phép một ứng dụng chứa nhiều luồng hoạt động trong cùng không gian địa chỉ 58 / 217
  100. Sử dụng kiến trúc nhiều vi xử lý Các luồng chạy song song thực sự trên các bộ VXL khác nhau. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng Tăng tính đáp ứng với người dùng Cho phép chương trình vẫn thực hiện ngay khi một phần đang chờ đợi (block) hoặc đang thực hiện tính toán tăng cường Ví dụ trình duyệt Web (Web browser) đa luồng Một luồng tương tác với người dùng Một luồng thực hiện nhiệm vụ tải dữ liệu Chia sẻ tài nguyên Các luồng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của tiến trình chứa nó Tốt cho các thuật toán song song (sử dụng chung các CTDL) Trao đổi giữa các luồng thông qua bộ nhớ phân chia Cho phép một ứng dụng chứa nhiều luồng hoạt động trong cùng không gian địa chỉ Tính kinh tế Các thao tác khởi tạo, hủy bỏ và luân chuyển luồng ít tốn kém Minh họa được tính song song trên bộ đơn VXL do thời gian luân chuyển CPU nhanh (Thực tế chỉ một luồng thực hiện) 58 / 217
  101. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng Tăng tính đáp ứng với người dùng Cho phép chương trình vẫn thực hiện ngay khi một phần đang chờ đợi (block) hoặc đang thực hiện tính toán tăng cường Ví dụ trình duyệt Web (Web browser) đa luồng Một luồng tương tác với người dùng Một luồng thực hiện nhiệm vụ tải dữ liệu Chia sẻ tài nguyên Các luồng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của tiến trình chứa nó Tốt cho các thuật toán song song (sử dụng chung các CTDL) Trao đổi giữa các luồng thông qua bộ nhớ phân chia Cho phép một ứng dụng chứa nhiều luồng hoạt động trong cùng không gian địa chỉ Tính kinh tế Các thao tác khởi tạo, hủy bỏ và luân chuyển luồng ít tốn kém Minh họa được tính song song trên bộ đơn VXL do thời gian luân chuyển CPU nhanh (Thực tế chỉ một luồng thực hiện) Sử dụng kiến trúc nhiều vi xử lý Các luồng chạy song song thực sự trên các bộ VXL khác nhau. 58 / 217
  102. Câu hỏi Tạo 4 tiến trình-CreateProcess() thay cho 4 luồng-CreateThread() Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng → Ví dụ Tính toán trên vector Mô hình đa luồng for(k = 0; k < n; k + +){ void fn(a,b) a[k] = b[k] ∗ c[k]; for(k = a; k < b; k + +){ } a[k] = b[k] ∗ c[k]; } void main(){ CreateThread(fn(0, n/4)); CreateThread(fn(n/4, n/2)); CreateThread(fn(n/2, 3n/4)); CreateThread(fn(3n/4, n)); } 59 / 217
  103. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Lợi ích của lập trình đa luồng → Ví dụ Tính toán trên vector Mô hình đa luồng for(k = 0; k < n; k + +){ void fn(a,b) a[k] = b[k] ∗ c[k]; for(k = a; k < b; k + +){ } a[k] = b[k] ∗ c[k]; } void main(){ CreateThread(fn(0, n/4)); CreateThread(fn(n/4, n/2)); CreateThread(fn(n/2, 3n/4)); CreateThread(fn(3n/4, n)); } Câu hỏi Tạo 4 tiến trình-CreateProcess() thay cho 4 luồng-CreateThread() 59 / 217
  104. Cài đặt trong không gian nhân Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Cài đặt luồng Cài đặt trong không gian người dùng 60 / 217
  105. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Cài đặt luồng Cài đặt trong không gian nhân Cài đặt trong không gian người dùng 60 / 217
  106. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Luồng người dùng (User -Level Threads) Quản lý các luồng được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nhân hệ thống không biết gì về sự tồn tại luồng Điều phối tiến trình như một đơn vị duy nhất Gán cho mỗi tiến trình một trạng thái duy nhất Sẵn sàng, chờ đợi, thực hiện, Chương trình ứng dụng được lập trình theo mô hình đa luồng bởi sử dụng thư viện luồng Thư viện hỗ trợ tạo, hủy bỏ, truyền thông điệp giữa các luồng, điều phối, lưu trữ, khôi phục trạng thái (context) luồng , Ưu điểm Nhanh chóng trong tạo và quản lý luồng Nhược điểm Khi một luồng rơi vào trạng thái chờ đợi, tất cả các luồng trong cùng tiến trình bị chờ đợi theo ⇒Không tận dụng được ưu điểm của mô hình lập trình đa luồng 61 / 217
  107. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Luồng mức hệ thống (Kernel - Level threads) Nhân duy trì thông tin về tiến trình và các luồng Quản lý luồng được thực hiện bởi nhân Không tồn tại các mã quản lý luồng trong ứng dụng Điều phối luồng được thực hiện bởi nhân, dựa trên các luồng Nhược điểm: Chậm trong tạo và quản lý luồng Ưu điểm: Một luồng chờ đợi vào ra, không ảnh hưởng tới luồng khác Trong môi trường đa VXL, nhân có thể điều phối các luồng cho các VXL khác nhau Hệ điều hành: Windows NT/2000/XP, Linux, OS/2, 62 / 217
  108. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 63 / 217
  109. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Giới thiệu Nhiều hệ thống hỗ trợ cả luồng mức người dùng và luồng mức hệ thống ⇒ Nhiều mô hình đa luồng khác nhau 64 / 217
  110. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Mô hình nhiều-một Ánh xạ nhiều luồng mức người dùng tới một luồng mức hệ thống Quản lý luồng được thực hiện trong không gian người dùng Hiệu quả Cho phép tạo nhiều luồng tùy ý Toàn bộ tiến trình sẽ bị khóa nếu một luồng bị khóa Không thể chạy song song trên các máy nhiều vi xử lý (Chỉ một luồng có thể truy nhập nhân tại một thời điểm) Dùng trong hệ điều hành không hỗ trợ luồng hệ thống 65 / 217
  111. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Mô hình một-một Ánh xạ mỗi luồng mức người dùng tới một luồng hệ thống Cho phép thực hiện luồng khác khi một luồng bị chờ đợi Cho phép chạy song song đa luồng trên máy nhiều vi xử lý Tạo luồng mức người dùng đòi hỏi tạo một luồng mức hệ thống tương ứng Ảnh hướng tới hiệu năng của ứng dụng Chi phi cao ⇒ Giới hạn số luồng được hệ thống hỗ trợ Được sử dụng trong Window NT/2000/XP 66 / 217
  112. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Mô hình nhiều-nhiều Nhiều luồng mức người dùng ánh xạ tới một số nhỏ luồng mức hệ thống Số lượng luồng nhân có thể được xác định theo máy hoặc theo ứng dụng VD: Được cấp nhiều luồng nhân hơn trên hệ thống nhiều VXL Có được ưu điểm của 2 mô hình trên Cho phép tạo nhiều luồng mức ứng dụng theo yêu cầu Các luồng nhân tương ứng có thể chạy song song trên hệ nhiều VXL Một luồng bị khóa, nhân có thể cho phép luồng khác thực hiện Ví dụ: UNIX 67 / 217
  113. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 68 / 217
  114. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Một số hàm với luồng trong WIN32 API HANDLE CreateThread( ); LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes, ⇒Trỏ tới cấu trúc an ninh: thẻ trả về có thể được kế thừa? DWORD dwStackSize, ⇒Kích thước ban đầu của stack cho luồng mới LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, ⇒Trỏ tới hàm được thực hiện bởi luồng mới LPVOID lpParameter, ⇒Trỏ tới các biến được gửi tới luồng mới (tham số của hàm) DWORD dwCreationFlags, ⇒Phương pháp tạo luồng CREATE_SUSPENDED : Luồng ở trạng thái tạm ngừng 0: Luồng được thực hiện ngay lập tức LPDWORD lpThreadId ⇒Biến ghi nhận định danh luồng mới Kết quả trả về: Thẻ của luồng mới hoặc giá trị NULL nếu không tạo được luồng mới 69 / 217
  115. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Ví dụ #include #include void Routine(int *n){ printf("My argument is %d\n", &n); } int main(){ int i, P[5]; DWORD Id; HANDLE hHandles[5]; for (i=0;i < 5;i++) { P[i] = i; hHandles[i] = CreateThread(NULL,0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)Routine,&P[i],0,&Id); printf("Thread %d was created\n",Id); } for (i=0;i < 5;i++) WaitForSingleObject(hHandles[i],INFINITE); return 0; } 70 / 217
  116. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Java Threads Được cài đặt bởi Mở rộng lớp Thread (Thread class) Cài đặt giao diện có thể thực thi được (Runnable interface) Được quản lý bởi máy ảo Java (Java Virtual Machine) Các trạng thái có thể Tồn tại một phương thức run(), sẽ được thực hiện trên JVM Luồng được thực hiện bởi gọi phương thức start() Cung cấp vùng nhớ và khởi tạo luồng mới trong máy ảo Java Gọi tới phương thức run() 71 / 217
  117. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Ví dụ class Sum extends Thread{ int low, up, S; public Sum(int a, int b){ low = a; up = b; S= 0; System.out.println("This is Thread "+this.getId()); } public void run(){ for(int i= low; i < up; i ++) S+= i; System.out.println(this.getId()+ " : " + S); } } public class Tester { public static void main(String[] args) { Sum T1 = new Sum(1,100); T1.start(); Sum T2 = new Sum(10,200); T2.start(); System.out.println("Main process terminated"); } } 72 / 217
  118. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 73 / 217
  119. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Ví dụ #include #include int x = 0, y = 1; void T1(){ while(1){ x = y + 1; printf("%4d", x); } } void T2(){ while(1){ y = 2; y = y * 2; } } int main(){ HANDLE h1, h2; DWORD Id; h1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)T1,NULL,0,&Id); h2=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)T2,NULL,0,&Id); WaitForSingleObject(h1,INFINITE); WaitForSingleObject(h2,INFINITE); return 0; } 74 / 217
  120. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Kết quả thực hiện 75 / 217
  121. t x ←y+ 1 a t 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 x = ? t 76 / 217
  122. t x ←y+ 1 a t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=3x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 t y ← y * 2 x ←y+ 1 a t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 x=2 t 76 / 217
  123. t x ←y+ 1 a t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 x=3 t 76 / 217
  124. t x ←y+ 1 a t x ←y+ 1 a Kết quả thực hiện các luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 t x ←y+ 1 a x=5 t 76 / 217
  125. t x ←y+ 1 a t x ←y+ 1 a x=2x=3 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập x=5 biến dùng chung giữa t chúng 76 / 217
  126. Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) Bài tập Cài đặt bài toán Producer-Consumer sử dụng khái niệm luồng Viết chương trình trao đổi thông báo giữa 2 máy (chat) 77 / 217
  127. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 78 / 217
  128. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 79 / 217
  129. Tiến trình được thực hiện (chiếm dụng VXL) cho tới khi phải chờ đợi một thao tác vào ra Hệ đơn chương trình: CPU không được sử dụng ⇒Lãng phí Hệ đa chương trình: cố gắng sử dụng CPU (đang rảnh rỗi) cho các tiến trình khác (đang chờ đợi) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ tại một thời điểm Khi một tiến trình phải chờ, hệ điều hành lấy lại processor để phân cho tiến trình khác Điều phối processor quan trong với hệ điều hành đa nhiệm Luân chuyển CPU giữa các tiến trình → khai thác hệ thống hiệu quả hơn Điều phối processor là nền tảng trong thiết kế hệ điều hành Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Giới thiệu Hệ thống có một processor → Chỉ có một tiến trình được thực hiện tại một thời điểm 80 / 217
  130. Điều phối processor quan trong với hệ điều hành đa nhiệm Luân chuyển CPU giữa các tiến trình → khai thác hệ thống hiệu quả hơn Điều phối processor là nền tảng trong thiết kế hệ điều hành Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Giới thiệu Hệ thống có một processor → Chỉ có một tiến trình được thực hiện tại một thời điểm Tiến trình được thực hiện (chiếm dụng VXL) cho tới khi phải chờ đợi một thao tác vào ra Hệ đơn chương trình: CPU không được sử dụng ⇒Lãng phí Hệ đa chương trình: cố gắng sử dụng CPU (đang rảnh rỗi) cho các tiến trình khác (đang chờ đợi) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ tại một thời điểm Khi một tiến trình phải chờ, hệ điều hành lấy lại processor để phân cho tiến trình khác 80 / 217
  131. Điều phối processor là nền tảng trong thiết kế hệ điều hành Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Giới thiệu Hệ thống có một processor → Chỉ có một tiến trình được thực hiện tại một thời điểm Tiến trình được thực hiện (chiếm dụng VXL) cho tới khi phải chờ đợi một thao tác vào ra Hệ đơn chương trình: CPU không được sử dụng ⇒Lãng phí Hệ đa chương trình: cố gắng sử dụng CPU (đang rảnh rỗi) cho các tiến trình khác (đang chờ đợi) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ tại một thời điểm Khi một tiến trình phải chờ, hệ điều hành lấy lại processor để phân cho tiến trình khác Điều phối processor quan trong với hệ điều hành đa nhiệm Luân chuyển CPU giữa các tiến trình → khai thác hệ thống hiệu quả hơn 80 / 217
  132. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Giới thiệu Hệ thống có một processor → Chỉ có một tiến trình được thực hiện tại một thời điểm Tiến trình được thực hiện (chiếm dụng VXL) cho tới khi phải chờ đợi một thao tác vào ra Hệ đơn chương trình: CPU không được sử dụng ⇒Lãng phí Hệ đa chương trình: cố gắng sử dụng CPU (đang rảnh rỗi) cho các tiến trình khác (đang chờ đợi) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ tại một thời điểm Khi một tiến trình phải chờ, hệ điều hành lấy lại processor để phân cho tiến trình khác Điều phối processor quan trong với hệ điều hành đa nhiệm Luân chuyển CPU giữa các tiến trình → khai thác hệ thống hiệu quả hơn Điều phối processor là nền tảng trong thiết kế hệ điều hành 80 / 217
  133. Phân biệt các kiểu tiến trình Dựa trên sự phân bổ thời gian cho các chu kỳ CPU & vào/ra Tiến trình tính toán (CPU-bound process) có vài chu kỳ CPU dài Tiến trình vào ra (I/0-bound process) có nhiều chu kỳ CPU ngắn Để chọn giải thuật điều phối thích hợp Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Chu kỳ thực hiện CPU - I/O Tiến trình là chuỗi luân phiên giữa chu kỳ tính toán và chờ đợi vào/ra Bắt đầu bởi chu kỳ tính toán Tiếp theo chu kỳ đợi vào/ra Tính toán→ đợi vào/ra → tính toán → đợi vào/ra → Kết thúc: Tính toán (yêu cầu hệ thống kết thúc thực hiện) 81 / 217
  134. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Chu kỳ thực hiện CPU - I/O Tiến trình là chuỗi luân phiên giữa chu kỳ tính toán và chờ đợi vào/ra Bắt đầu bởi chu kỳ tính toán Tiếp theo chu kỳ đợi vào/ra Tính toán→ đợi vào/ra → tính toán → đợi vào/ra → Kết thúc: Tính toán (yêu cầu hệ thống kết thúc thực hiện) Phân biệt các kiểu tiến trình Dựa trên sự phân bổ thời gian cho các chu kỳ CPU & vào/ra Tiến trình tính toán (CPU-bound process) có vài chu kỳ CPU dài Tiến trình vào ra (I/0-bound process) có nhiều chu kỳ CPU ngắn Để chọn giải thuật điều phối thích hợp 81 / 217
  135. Quyết định điều phối CPU xảy ra khi tiến trình 1 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái chờ đợi (y/c vào/ra) 2 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái sẵn sàng (hết thời gian sử dụng CPU → ngắt thời gian) 3 Chuyển từ trạng thái chờ đợi sang trạng thái sẵn sàng (hoàn thành vào/ra) 4 Tiến trình kết thúc Ghi chú Trường hợp 1&4 ⇒Điều phối không trưng dụng (non-preemptive) Trường hợp khác ⇒Điều phối trưng dụng (preemptive) Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Bộ điều phối CPU Lựa chọn một trong số các tiến trình đang sẵn sàng trong bộ nhớ và cung cấp CPU cho nó Các tiến trình phải sắp hàng trong hàng đợi Hàng đợi FIFO, Hàng đợi ưu tiên, DSLK đơn giản 82 / 217
  136. Ghi chú Trường hợp 1&4 ⇒Điều phối không trưng dụng (non-preemptive) Trường hợp khác ⇒Điều phối trưng dụng (preemptive) Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Bộ điều phối CPU Lựa chọn một trong số các tiến trình đang sẵn sàng trong bộ nhớ và cung cấp CPU cho nó Các tiến trình phải sắp hàng trong hàng đợi Hàng đợi FIFO, Hàng đợi ưu tiên, DSLK đơn giản Quyết định điều phối CPU xảy ra khi tiến trình 1 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái chờ đợi (y/c vào/ra) 2 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái sẵn sàng (hết thời gian sử dụng CPU → ngắt thời gian) 3 Chuyển từ trạng thái chờ đợi sang trạng thái sẵn sàng (hoàn thành vào/ra) 4 Tiến trình kết thúc 82 / 217
  137. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Bộ điều phối CPU Lựa chọn một trong số các tiến trình đang sẵn sàng trong bộ nhớ và cung cấp CPU cho nó Các tiến trình phải sắp hàng trong hàng đợi Hàng đợi FIFO, Hàng đợi ưu tiên, DSLK đơn giản Quyết định điều phối CPU xảy ra khi tiến trình 1 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái chờ đợi (y/c vào/ra) 2 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái sẵn sàng (hết thời gian sử dụng CPU → ngắt thời gian) 3 Chuyển từ trạng thái chờ đợi sang trạng thái sẵn sàng (hoàn thành vào/ra) 4 Tiến trình kết thúc Ghi chú Trường hợp 1&4 ⇒Điều phối không trưng dụng (non-preemptive) Trường hợp khác ⇒Điều phối trưng dụng (preemptive) 82 / 217
  138. Điều phối trưng dụng Tiến trình chỉ được phép thực hiện trong khoảng thời gian Kết thúc khoảng thời gian được định nghĩa trước, ngắt thời gian xuất hiện, bộ điều vận (dispatcher) được kích hoạt để quyết định hồi phục lại tiến trình hay lựa chọn tiến trình khác Bảo vệ CPU khỏi các tiến trình "đói-CPU" Vấn đề dữ liệu dùng chung Tiến trình 1 đang cập nhật DL thì bị mất CPU Tiến trình 2, được giao CPU và đọc DL đang cập nhật Ví dụ: Hệ điều hành đa nhiệm WinNT, UNIX Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Điều phối trưng dụng và không trưng dụng Điều phối không trưng dụng Tiến trình chiếm CPU cho tới khi giải phóng bởi Kết thúc nhiệm vụ Chuyển sang trạng thái chờ đợi Không đòi hỏi phần cứng đặc biệt (đồng hồ ) Ví dụ: DOS, Win 3.1, Macintosh 83 / 217
  139. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Điều phối trưng dụng và không trưng dụng Điều phối không trưng dụng Tiến trình chiếm CPU cho tới khi giải phóng bởi Kết thúc nhiệm vụ Chuyển sang trạng thái chờ đợi Không đòi hỏi phần cứng đặc biệt (đồng hồ ) Ví dụ: DOS, Win 3.1, Macintosh Điều phối trưng dụng Tiến trình chỉ được phép thực hiện trong khoảng thời gian Kết thúc khoảng thời gian được định nghĩa trước, ngắt thời gian xuất hiện, bộ điều vận (dispatcher) được kích hoạt để quyết định hồi phục lại tiến trình hay lựa chọn tiến trình khác Bảo vệ CPU khỏi các tiến trình "đói-CPU" Vấn đề dữ liệu dùng chung Tiến trình 1 đang cập nhật DL thì bị mất CPU Tiến trình 2, được giao CPU và đọc DL đang cập nhật Ví dụ: Hệ điều hành đa nhiệm WinNT, UNIX 83 / 217
  140. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 84 / 217
  141. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối Tiêu chuẩn điều phốiI Sử dụng CPU (Lớn nhất) Mục đích của điều độ là làm CPU hoạt động nhiều nhất có thể Độ sử dụng CPU thay đổi từ 40% (hệ thống tải nhẹ) đến 90% (hệ thống tải nặng). Thông lượng (throughput) (Lớn nhất) Số lượng tiến trình hoàn thành trong một đơn vị thời gian Các tiến trình dài: 1 tiến trình/giờ Các tiến trình ngắn: 10 tiến trình/giây Thời gian hoàn thành (Nhỏ nhất) Khoảng thời gian từ thời điểm gửi đến hệ thống tới khi quá trình hoàn thành Thời gian chờ đợi để đưa tiến trình vào bộ nhớ Thời gian chờ đợi trong hàng đợi sẵn sàng Thời gian chờ đợi trong hàng đợi thiết bị Thời gian thực hiện thực tế 85 / 217
  142. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối Tiêu chuẩn điều phối II Thời gian chờ đợi (Nhỏ nhất) Tổng thời gian chờ trong hàng đợi sẳn sàng (Giải thuật điều độ CPU không ảnh hưởng tới các tiến trình đang thực hiện hay đang đợi thiết bị vào ra) Thời gian đáp ứng (Nhỏ nhất) Từ lúc gửi câu hỏi cho tới khi câu trả lời đầu tiên được tạo ra Tiến trình có thể tạo kết quả ra từng phần Tiến trình vẫn tiếp tục tính toán kết quả mới trong khi kết quả cũ được gửi tới người dùng Giả thiết: Các tiến trình chỉ có một chu kỳ tính toán (ms) Đo đạc: Thời gian chờ đợi trung bình 86 / 217
  143. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 87 / 217
  144. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Đến trước phục vụ trước (FCFS: First Come, First Served) Nguyên tắc: Tiến trình được quyền sử dụng CPU theo trình tự xuất hiện Tiến trình sở hữu CPU tới khi kết thúc hoặc chờ đợi vào ra Ví dụ Tiến trình Thời gian P1 24 P2 3 P3 3 Đặc điểm Đơn giản, dễ thực hiện Tiến trình ngắn phải chờ đợi như tiến trình dài Nếu P1 thực hiện sau cùng ? 88 / 217
  145. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Công việc ngắn trước (SJF: Shortest Job First) Nguyên tắc Mỗi tiến trình lưu trữ thời gian của chu kỳ sử dụng CPU tiếp theo Tiến trình có thời gian sử dụng CPU ngắn nhất sẽ sở hữu CPU Hai phương pháp Không trưng dụng CPU Có trưng dụng CPU (SRTF: Shortest Remaining Time First) Ví dụ Tiến trình Thời gian Thời điểm đến P1 8 0.0 P2 4 1.0 P3 9 2.0 P4 5 3.0 Đặc điểm SJF (SRTF) là tối ưu: Thời gian chờ đợi trung bình nhỏ nhất Không thể biết chính xác thời gian của chu kỳ sử dụng CPU Dự báo dựa trên những giá trị trước đó 89 / 217
  146. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Điều phối có ưu tiên (Priority Scheduling) Nguyên tắc Mỗi tiến trình gắn với một sô hiệu ưu tiên (số nguyên) CPU sẽ được phân phối cho tiến trình có độ ưu tiên cao nhất SJF: độ ưu tiên gắn liền với thời gian thực hiện Hai phương pháp Không trưng dụng CPU Có trưng dụng CPU Ví dụ Tiến trình Thời gian Độ ưu tiên P1 10 3 P2 1 1 P3 2 4 P4 1 5 P5 5 2 Vấn đề "Nạn đói": Tiến trình có độ ưu tiên thấp phải chờ đợi lâu (thậm chí không được thực hiện) Giải pháp tăng dần độ ưu tiên tt theo t/gian trong hệ thống 90 / 217
  147. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Vòng tròn (RR: Round Robin Scheduling) Nguyên tắc Mỗi tiến trình được cấp một lượng tử thời gian τ để thực hiện Khi hết thời gian, tiến trình bị trưng dụng processor và được đưa vào cuối hàng đợi sẵn sàng Nếu có n tiến trình, thời gian chờ đợi nhiều nhất (n − 1)τ Ví dụ Tiến trình Thời gian P1 24 P2 3 P3 3 Lượng tử thời gian τ = 4 ⇒ twait = 5.66 Vấn đề: Lựa chọn lượng tử thời gian τ τ lớn: FCFS τ nhỏ: Hãy phải luân chuyển CPU Thông thường τ = 10-100ms 91 / 217
  148. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Điều phối hàng đợi đa mức (Multilevel Queue Scheduling) Hàng đợi sẵn sàng được phân chia thành nhiều hàng đợi nhỏ Tiến trình được ấn định cố định cho một hàng đợi Dựa vào tính chất như độ ưu tiên, kiểu tiến trình Mỗi hàng đợi sử dụng thuật toán điều độ riêng Cần điều phối giữa các hàng đợi Điều phối có trưng dụng, độ ưu tiên cố định Tiến trình hàng đợi độ ưu tiên thấp chỉ được thực hiện khi các hàng đợi có độ ưu tiên cao rỗng Tiến trình độ ưu tiên mức cao, trưng dụng tiến trình độ ưu tiên mức thấp Có thể gặp tình trạng starvation Phân chia thời gian giữa các hàng đợi Hàng đợi cho foreground process, chiếm 80% thời gian CPU cho RR Hàng đợi cho background process, chiếm 20% thời gian CPU cho FCFS 92 / 217
  149. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Điều phối hàng đợi đa mức → Ví dụ 93 / 217
  150. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Hàng đợi hồi tiếp đa mức (Multilevel Feeedback Queue) Cho phép các tiến trình được dịch chuyển giữa các hàng đợi Phân chia tiến trình theo đặc điểm sử dụng VXL Nếu dùng quá nhiều thời gian của VXL → Chuyển xuống hàng đợi có độ ưu tiên thấp Tiến trình vào ra nhiều → hàng đợi có độ ưu tiên cao Tiến trình đợi quá lâu tại hàng đợi có độ ưu tiên thấp → Chuyển lên hàng đợi độ ưu tiên cao Ngăn ngừa tình trạng "đói CPU" Được định nghĩa bởi các tham số Số hàng đợi Thuật toán điều độ cho mỗi hàng đợi Điều kiện để tiến trình được chuyển lên/xuống hàng đợi có độ ưu tiên cao/thấp hơn Phương pháp xác định một hàng đợi khi tiến trình cần phục vụ 94 / 217
  151. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Hàng đợi hồi tiếp đa mức → Ví dụ 95 / 217
  152. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.4 Điều phối đa xử lý 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 96 / 217
  153. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.4 Điều phối đa xử lý Vấn đề Điều phối phức tạp hơn so với trường hợp có một VXL Vấn đề chia sẻ tải Mỗi VXL có một hàng đợi sẵn sàng riêng Tồn tại VXL rảnh rỗi với hàng đợi rỗng trong khi VXL khác phải tính toán nhiều Hàng đợi sẵn sàng dùng chung Vấn đề dùng chung cấu trúc dữ liêu (hàng đợi): →Một tiến trình được lựa chọn bởi 2 processors hoặc →Một tiến trình bị thất lạc trên hàng đợi Đa xử lý không đối xứng Chỉ có một processor truy nhập hàng đợi hủy bỏ vấn đề dùng chung cơ sở dữ liêu Có thể tắc nghẽn tại một processor 97 / 217
  154. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Bài tập Viết chương trình mô phỏng hàng đợi hồi tiếp đa mức 98 / 217
  155. Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Kết luận 99 / 217
  156. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 100 / 217
  157. (Nguồn:
  158. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 103 / 217
  159. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Ví dụ: Luồng song song #include #include int x = 0, y = 1; void T1(){ while(1){ x = y + 1; printf("%4d", x); } } void T2(){ while(1){ y = 2; y = y * 2; } } int main(){ HANDLE h1, h2; DWORD ThreadId; h1 = CreateThread(NULL,0,T1, NULL,0,&ThreadId); h2 = CreateThread(NULL,0,T2, NULL,0,&ThreadId); WaitForSingleObject(h1,INFINITE); WaitForSingleObject(h2,INFINITE); return 0; } 104 / 217
  160. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Kết quả thực hiện 105 / 217
  161. t x ←y+ 1 a t 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 x = ? t 106 / 217
  162. t x ←y+ 1 a t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=3x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 t y ← y * 2 x ←y+ 1 a t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 x=2 t 106 / 217
  163. t x ←y+ 1 a t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=5 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 x=3 t 106 / 217
  164. t x ←y+ 1 a t x ←y+ 1 a Kết quả thực hiện các luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3 chúng Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 t x ←y+ 1 a x=5 t 106 / 217
  165. t x ←y+ 1 a t x ←y+ 1 a x=2x=3 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 y ← y * 2 t x = ? 1 y ←2 t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập x=5 biến dùng chung giữa t chúng 106 / 217
  166. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Producer Consumer while(1){ while(1){ /*produce an item */ while(Counter == 0); while(Counter==BUFFER_SIZE); nextConsumed = Buffer[OUT]; Buffer[IN] = nextProduced; OUT=(OUT+1)%BUFFER_SIZE; IN = (IN+1)%BUFFER_SIZE; Counter ; Counter++; /*consume the item*/ } } Nhận xét Producer sản xuất một sản phẩm Consumer tiêu thụ một sản phẩm ⇒Số sản phẩm còn trong Buffer không thay đổi 107 / 217
  167. Counter++ Counter−− Load R1,Counter Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Store Counter, R2 RR11 ==?56 t RR22 ==?54 Counter=5Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Load R1, Counter Inc R1 Store Counter, R1 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 Store Counter, R2 108 / 217
  168. Load R1,Counter Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Store Counter, R2 R1 = 56 R2 = 54 Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Store Counter, R1 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 =? t R2 =? Store Counter, R2 Counter=5 108 / 217
  169. Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Store Counter, R2 RR11 ==?6 R2 = 54 Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 = 5 t R2 =? Store Counter, R2 Counter=5 108 / 217
  170. Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Store Counter, R2 RR11 ==?6 RR22 ==?4 Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 = 5 t R2 = 5 Store Counter, R2 Counter=5 108 / 217
  171. Dec R2 Store Counter, R1 Store Counter, R2 RR11 ==?5 RR22 ==?4 Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Inc R1 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 = 6 t R2 = 5 Store Counter, R2 Counter=5 108 / 217
  172. Store Counter, R1 Store Counter, R2 RR11 ==?5 RR22 ==?5 Counter=6Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 = 6 t R2 = 4 Store Counter, R2 Counter=5 108 / 217
  173. Store Counter, R2 RR11 ==?5 RR22 ==?5 Counter=5Counter=4 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Counter−− Load R2, Counter Dec R2 R1 = 6 t R2 = 4 Store Counter, R2 Counter=6 108 / 217
  174. RR11 ==?5 RR22 ==?5 Counter=5Counter=6 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Counter−− Store Counter, R2 Load R2, Counter Dec R2 R1 = 6 t R2 = 4 Store Counter, R2 Counter=4 108 / 217
  175. Tài nguyên găng Tài nguyên hạn chế về khả năng sử dụng chung Cần đồng thời cho nhiều tiến trình Tài nguyên găng có thể là thiết bị vật lý hay dữ liệu dùng chung Vấn đề Dùng chung tài nguyên găng có thể dẫn đến không đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ⇒ Đòi hỏi cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Định nghĩa Tài nguyên Tất cả những gì cần thiết cho thực hiện tiến trình 109 / 217
  176. Vấn đề Dùng chung tài nguyên găng có thể dẫn đến không đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ⇒ Đòi hỏi cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Định nghĩa Tài nguyên Tất cả những gì cần thiết cho thực hiện tiến trình Tài nguyên găng Tài nguyên hạn chế về khả năng sử dụng chung Cần đồng thời cho nhiều tiến trình Tài nguyên găng có thể là thiết bị vật lý hay dữ liệu dùng chung 109 / 217
  177. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Định nghĩa Tài nguyên Tất cả những gì cần thiết cho thực hiện tiến trình Tài nguyên găng Tài nguyên hạn chế về khả năng sử dụng chung Cần đồng thời cho nhiều tiến trình Tài nguyên găng có thể là thiết bị vật lý hay dữ liệu dùng chung Vấn đề Dùng chung tài nguyên găng có thể dẫn đến không đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ⇒ Đòi hỏi cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình 109 / 217
  178. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Điều kiện cạnh tranh (Race condition) Tình trạng trong đó kết quả của việc nhiều tiến trình cùng truy nhập tới dữ liệu phân chia phụ thuộc vào trật tự của các truy nhập Làm cho chương trình không xác định Ngăn ngừa điều kiện cạnh tranh được thực hiện bởi đồng bộ hóa (synchronize) các tiến trình thực hiện đồng thời Chỉ một tiến trình truy nhập tới dữ liệu phân chia tại một thời điểm Biến counter trong v/đề Producer-Consumer Đoạn lệnh truy nhập tới dữ liệu phân chia trong các tiến trình phải thực hiện theo thứ tự xác định VD Lệnhx ←y+1 trong Thread T1 chỉ thực hiện khi cả 2 lệnh của Thread T2 đã thực hiện xong 110 / 217
  179. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Đoạn găng (Critical section) Đoạn găng (chỗ hẹp) là đoạn chương trình sử dụng tài nguyên găng Doạn chương trình thực hiện truy nhập và thao tác trên dữ liệu dùng chung Khi có nhiều tiến trình sử dụng tài nguyên găng thì phải điều độ Mục đích: đảm bảo không có quá một tiến trình nằm trong đoạn găng 111 / 217
  180. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Yêu cầu của chương trình điều độ Loại trừ lẫn nhau (Mutual Exclusion) Mỗi thời điểm, tài nguyên găng không phải phục vụ một số lượng tiến trình vượt quá khả năng của nó Một tiến trình đang thực hiện trong đoạn găng (sử dụng tài nguyên găng) ⇒ Không một tiến trình nào khác được quyền vào đoạn găng Tiến triển (Progress) Tài nguyên găng còn khả năng phục vụ và tồn tại tiến trình muốn vào đoạn găng, thì tiến trình đó phải được sử dụng tài nguyên găng Chờ đợi hữu hạn (Bounded Waiting) Nếu tài nguyên găng hết khả năng phục vụ và vẫn tồn tại tiến trình muốn vào đoạn găng, thì tiến trình đó phải được xếp hàng chờ đợi và sự chờ đợi là hữu hạn 112 / 217
  181. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Quy ước Có 2 tiến trình P1&P2 thực hiện đồng thời Các tiến trình dùng chung một tài nguyên găng Mỗi tiến trình đặt đoạn găng ở đầu, tiếp theo là phần còn lại Tiến trình phải xin phép trước khi vào đoạn găng {phần vào} Tiến trình khi thoát khỏi đoạn găng thực hiện {phần ra} Cấu trúc tổng quát của một tiến trình do{ Phần vào {Đoạn găng của tiến trình} Phần ra {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 113 / 217
  182. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Phân loại các phương pháp Các công cụ cấp thấp Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Các công cụ cấp cao Monitor 114 / 217
  183. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 115 / 217
  184. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Nguyên tắc Mỗi t/trình dùng một byte trong vùng nhớ chung làm khóa Tiến trình vào đoạn găng, đóng khoá (byte khóa: true) Tiến trình thoát khỏi đoạn găng, mở khóa (byte khóa: false) Tiến trình muốn vào đoạn găng: kiểm tra khóa của tiến trình còn lại Đang khóa ⇒ Đợi Đang mở ⇒ Được quyền vào đoạn găng 116 / 217
  185. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Thuật toán điều độ Share var C1,C2 Boolean // Các biến dùng chung làm khóa Khởi tạo C1 = C2 = false //Tài nguyên găng đang tự do Process P1 Process P2 do{ do{ while(C2 == true); while(C1 == true); C1 ← true; C2 ← true; {Đoạn găng của tiến trình P1} {Đoạn găng của tiến trình P2} C1 ← false; C2 ← false; {Phần còn lại của tiến trình P1} {Phần còn lại của tiến trình P2} }while(1); }while(1); 117 / 217
  186. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Thuật toán điều độ Share var C1,C2 Boolean // Các biến dùng chung làm khóa Khởi tạo C1 = C2 = false //Tài nguyên găng đang tự do Process P1 Process P2 do{ do{ C1 ← true; C2 ← true; while(C2 == true); while(C1 == true); {Đoạn găng của tiến trình P1} {Đoạn găng của tiến trình P2} C1 ← false; C2 ← false; {Phần còn lại của tiến trình P1} {Phần còn lại của tiến trình P2} }while(1); }while(1); 117 / 217
  187. Nguyên nhân: Do tách rời giữa Kiểm tra quyền vào đoạn găng Xác lập quyền sử dụng tài nguyên găng Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Nhận xét Điều độ chưa hợp lý Hai t/trình yêu cầu tài nguyên tại một thời điểm Vấn đề loại trừ lẫn nhau (trường hợp 1) Vấn đề tiến triển (trường hợp 2) 118 / 217
  188. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Nhận xét Điều độ chưa hợp lý Hai t/trình yêu cầu tài nguyên tại một thời điểm Vấn đề loại trừ lẫn nhau (trường hợp 1) Vấn đề tiến triển (trường hợp 2) Nguyên nhân: Do tách rời giữa Kiểm tra quyền vào đoạn găng Xác lập quyền sử dụng tài nguyên găng 118 / 217
  189. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Thuật toán Dekker Sử dụng biến turn để chỉ ra tiến trình được quyền ưu tiên Process P1 Process P2 do{ do{ C1 ← true; C2 ← true; while(C2==true){ while(C1==true){ if(turn == 2){ if(turn == 1){ C1 ← false; C2 ← false; while(turn ==2); while(turn ==1); C1 ← true; C2 ← true; } } } } {Đoạn găng của tiến trình P1} {Đoạn găng của tiến trình P2} turn = 2; turn = 1; C1 ← false; C2 ← false; {Phần còn lại của tiến trình P1} {Phần còn lại của tiến trình P2} }while(1); }while(1); 119 / 217
  190. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Nhận xét Điều độ hợp lý cho mọi trường hợp Không đòi hỏi sự hỗ trợ đặc biệt của phần cứng nên có thể thực hiện bằng ngôn ngữ bất kỳ Quá phức tạp khi số tiến trình và số tài nguyên tăng lên Phải chờ đợi tích cực (busy waiting) trước khi vào đoạn găng Khi chờ đợi vẫn phải thực hiện kiểm tra quyền vào đoạn găng Lãng phí thời gian của processor 120 / 217
  191. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 121 / 217
  192. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Nguyên tắc Sử dụng sự hỗ trợ từ phần cứng Phần cứng cung cấp các câu lệnh xử lý không tách rời Kiểm tra và thay đổi nội dung của một word boolean TestAndSet(VAR boolean target) { boolean rv = target; target = true; return rv; } Hoán đổi nội dung của 2 word khác nhau void Swap(VAR boolean , VAR boolean b) { boolean temp = a; a = b; b = temp; } Xử lý không tách rời (atomically) Khối lệnh không thể bị ngắt trong khi đang thực hiện 122 / 217 Được gọi đồng thời, sẽ được thực hiện theo thứ tự bất kỳ
  193. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Thuật toán với lệnh TestAndSet Biến phân chia Boolean: Lock: trạng thái của tài nguyên: Bị khóa (Lock=true) Tự do (Lock=false) Khởi tạo: Lock = false ⇒ Tài nguyên tự do Thuật toán cho tiến trình Pi do{ while(TestAndSet(Lock)); {Đoạn găng của tiến trình} Lock = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 123 / 217
  194. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Thuật toán với lệnh Swap Biến phân chia Lock cho biết trạng thái tài nguyên Biến địa phương cho mỗi tiến trình: Key: Boolean Khởi tạo: Lock = false ⇒ Tài nguyên tự do Thuật toán cho tiến trình Pi do{ key = true; while(key == true) swap(Lock, Key); {Đoạn găng của tiến trình} Lock = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 124 / 217
  195. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Nhận xét Đơn giản, không phức tạp khi số tiến trình và số đoạn găng tăng lên Các tiến trình phải chờ đợi tích cực trước khi vào đoạn găng Luôn kiểm tra xem tài nguyên găng đã được giải phóng chưa ⇒ Sử dụng Processor không hiệu quả Không đảm bảo yêu cầu chờ đợi hữu hạn Tiến trình được vào đoạn găng tiếp theo, sẽ phụ thuộc thời điểm giải phóng tài nguyên của tiến trình đang chiếm giữ ⇒ Cần khắc phục 125 / 217
  196. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Thuật toán cho nhiều tiến trình Nguyên tắc: Tiến trình khi ra khỏi đoạn găng sẽ tìm tiến trình đang đợi để trao tài nguyên cho nó Dùng biến toàn cục Waiting[n] lưu trạng thái mỗi tiến trình Sơ đồ cho tiến trình Pi do{ Waiting[i] = true; While(Waiting[i] && TestAndSet(Lock)) ; Waiting[i] = False; {Đoạn găng của tiến trình} j = (i+1) % N; while ( (j !=i) && (! Waiting[j])) j = (j+1) % N; if (j == i) Lock = false; else Waiting[j] = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 126 / 217
  197. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 127 / 217
  198. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Đèn báo (Semaphore) Là một biến nguyên S, khởi tạo bằng khả năng phục vụ của tài nguyên nó điều độ Số tài nguyên có thể phục vụ tại một thời điểm (VD 3 máy in) Số đơn vị tài nguyên có sẵn (VD 10 chỗ trống trong buffer) Chỉ có thể thay đổi giá trị bởi 2 thao tác cơ bản P và V Thao tác P(S) (wait(S)) wait(S) { while(S ≤ 0) no-op; S − −; } Thao tác V(S) (signal(S)) signal(S) { S + +; } Các thao tác P(S) và V(S) xử lý không tách rời Đèn báo là công cụ điều độ tổng quát 128 / 217
  199. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Sử dụng đèn báoI Điều độ nhiều tiến trình qua đoạn găng Sử dụng biến phân chia mutex kiểu Semaphore Khởi tạo mutex bằng 1 Thuật toán cho tiến trình Pi do{ wait(mutex); {Đoạn găng của tiến trình} signal(mutex) {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 129 / 217
  200. Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Sử dụng đèn báo II Điều độ thứ tự thực hiện bên trong các tiến trình Hai tiến trình P1 và P2 thực hiện đồng thời P1 chứa lệnh S1, P2 chứa lệnh S2 . Yêu cầu S2 được thực hiện chỉ khi S1 thực hiện xong Sử dụng đèn báo synch được khởi tạo giá trị 0 Đoạn mã cho P1 và P2 P1 P2 Phần đầu Phần đầu S1 wait(synch) Signal(synch) S2 Phần cuối Phần cuối 130 / 217