tiểu luận đồng bộ hóa nguyên thủy

 Chú ý:  Java không cung cấp các cột để xây dựng ngôn ngữ cơ bản, nhưng có thể dễ dàng được thực thi trong Java bằng cách sử dụng ý tưởng của các Monitor sẽ đề cập sau.. Bài toán Bộ đọ

Trang 1

ĐỒNG BỘ HOÁ NGUYÊN THUỶ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Đình Quế

Học viên thực hiện:

Bùi Hồng Đại Nguyễn Thị Bích Ngọc Phạm Hữu Tình

Phạm Minh Tuấn Nguyễn Tuấn

Trang 2

3.2.2 Bài toán Bộ đọc – Bộ ghi (The Reader-Writer Problem)

3.2.3 Bài toán các triết gia ăn tối (The Dining Philosopher Problem)

3.3 Monitors

3.4 Nguy hiểm của sự tắc nghẽn (DANGERS OF DEADLOCKS)

3.5 Problems

3.6 Bibliographic Remarks

Trang 4

 Các thao tác này được đặt tên P () (cho wait - chờ để kiểm tra)

và V () (cho signal- báo hiệu để tăng).

 Giá trị của Semaphore (hoặc Semaphore nhị phân) chỉ có thể

là sai hoặc đúng.

 Hàng đợi của các quá trình bị chặn ban đầu là trống rỗng

 một quá trình có thể thêm vào hàng đợi khi nó làm cho một cuộc gọi đến P ().

 Khi một quá trình gọi P () và giá trị là đúng, thì giá trị của cột trở thành sai.

 Nếu giá trị của cột là sai, sau đó quá trình này bị chặn cho đến khi nó trở thành đúng

Bùi

Bùi Hồng Hồng Đại Đại – – M12CQCT01 M12CQCT01 B B GROUP 1

Trang 5

Trang 6

 Loại trừ lẫn nhau là đơn giản để thực hiện:

BinarySernaphore mutex = new BinarySemaphore(true1;

mutex.P();

c r i t i c a l S e c t i o n 0 ; mutex.V();

 Một biến thể của cột cho phép nó để có bất kỳ số

nguyên giá trị của nó.

 Các cột này được gọi là Semaphores đếm

Trang 7

 Chú ý:

 Java không cung cấp các cột để xây dựng ngôn ngữ cơ bản, nhưng có thể dễ dàng được thực thi trong Java bằng cách sử dụng ý tưởng của các Monitor (sẽ đề cập sau).

 Chỉ đơn giản cho rằng Semaphores có sẵn và giải quyết vấn đề đồng bộ hóa bằng cách sử dụng

chúng.

Bùi

Trang 8

gia ăn ăn tối tối

Trang 9

Bài toán Nhà sản xuất – Người tiêu thụ

 Một bộ đệm được chia sẻ giữa hai quá trình được gọi là nhà sản xuất và người tiêu thụ

 Nhà sản xuất sản xuất các mục được gửi trong bộ đệm và người tiêu thụ lấy các mục từ bộ đệm và tiêu thụ (sử dụng) chúng

 Giả sử các mặt hàng kiểu Double Kể từ khi bộ đệm được chia sẻ, mỗi quá trình phải truy cập vào bộ

đệm trong một cách loại trừ lẫn nhau.

 Sử dụng một loạt các đôi kích thước như một bộ

đệm của chúng

Bùi

Trang 10

 Bộ đệm có hai con trỏ, inBuf và outBuf, các chỉ số trong mảng gửi một mục và lấy một mục tương ứng

 Biến đếm theo dõi số lượng các mục hiện trong bộ đệm

 bên cạnh việc loại trừ lẫn nhau, có thêm hai hạn chế

đồng bộ hóa mà cần phải được thỏa mãn:

 Người tiêu dùng không nên lấy bất kỳ mục nào từ

một bộ đệm trống.

 Nhà sản xuất không nên gửi bất kỳ mục nào trong bộ đệm nếu nó là đầy đủ Các bộ đệm có thể trở thành đầy đủ nếu nhà sản xuất là sản xuất các mặt hàng tại một tỷ lệ lớn hơn so với tỷ lệ mà tại đó các mặt hàng được tiêu thụ của người tiêu dùng.

Bùi

Trang 11

điều kiện đồng bộ hóa.

điều kiện để trở thành hiện thực (chẳng hạn như các bộ đệm để trở thành không rỗng)

trước khi tiếp tục các hoạt động của mình.

Bùi

Trang 12

Bài toán Bộ đọc – Bộ ghi

truy cập vào cơ sở dữ liệu chia sẻ Yêu cầu bao gồm:

đảm bảo rằng người đọc và người viết không truy cập CSDL đồng thời.

đảm bảo rằng 2 người ghi không truy cập CSDL đồng thời.

Nguyễn

Nguyễn Thị Thị Bích Bích Ngọc Ngọc – – M12CQCT01 M12CQCT01 B B GROUP 1

Trang 13

 Có thể đồng thời nhiều người đọc truy cập vào

CSDL đồng thời

 giả sử rằng người đọc theo dõi giao thức bằng cách

họ gọi hàm startRead trước khi đọc CSDL và gọi

hàm endRead sau khi đọc xong

 Người ghi theo dõi với giao thức tương tự

 dụng wlock semaphores để đảm bảo rằng chỉ có

người ghi đơn lẻ truy cập vào CSDL và chỉ có những người đọc truy cập vào nó Để đếm số lượng người đọc truy cập vào CSDL, chúng ta sử dụng hàm

numReaders.

www.themegallery.com Company Logo

Trang 14

 Phương thức startWrite và endWrite là khá đơn

người ghi có thể truy cập vào CSDL cho đến khi

người ghi này gỡ bỏ việc khóa sử dụng hàm

endWrite().

Trang 15

 Xem hàm startRead và endRead

 Trong hàm startRead, người đọc đầu tiên gia tăng

numReaders Nếu đây là người đọc đầu tiên (numReaders = 1) , sau đó nó cần khóa CSDL, nếu không sẽ có những người đọc khác truy cập vào CSDL và có thể sử dụng nó

 Trong hàm endRead, giá trị của numRead giảm dần và khi người đọc cuối cùng rời khỏi CSDL thì CSDL sẽ được mở khóa và sử dụng gọi hàm wlock.V().

 Giao thức này có sự bất lợi đó là người ghi có thể bị bỏ đói trong sự có mặt liên tục của người đọc Một giải pháp starvation – free cho vẫn đề đọc – ghi vẫn còn là một bài tập

Trang 16

Bài toán các triết gia ăn tối

 Vấn đề này, đầu tiên đặt ra và giải quyết bằng cách

Dijkstra, có ích trong việc đưa ra khỏi vấn đề liên quan

với lập trình đồng thời và đối xứng

 yêu cầu đưa ra 1 giao thức để phối hợp truy cập vào các tài nguyên chia sẻ Một người có đầu óc máy tính có thể thay thế cho quy trình triết học và tập tin cho các đĩa

Nhiệm vụ ăn uống có thể xem như là phản hồi của hoạt động yêu cầu truy nhập đến file chia sẻ

 Mỗi triết gia Pi lặp lại một cách xoay vòng các trạng thái được theo dõi như sau: thinking, hungry và eating Để

ăn, triết gia cần có các tài nguyên (dĩa) do đó cần gọi

hàm acquire(i) Do đó giao thức yêu cầu trừu tượng hóa một giao diện Resource

Trang 17

 Để giải quyết vấn đề này sử dụng nhị phân

semaphores cho mỗi chiếc dĩa.

 Để yêu cầu các nguồn tài nguyên để ăn, một nhà

triết học i sẽ túm lấy chiếc dĩa ở bên trái bằng cách

sử dụng fork[i] P() và dĩa bên phải sử dụng

người hàng xóm bên phải đặt lại dĩa đó.

Trang 18

 Có nhiều cách để mở ra hướng giải quyết đảm bảo giải phóng bế tắc Ví dụ:

 Chúng ta có thể giới thiệu đối xứng bằng cách yêu

cầu một người triết gia túm lấy chiếc dĩa trong một thứ tự khác nhau ( ví dụ: dĩa bên phải cho phép bởi dĩa bên trái thay vì ngược lại).

 Chúng ta có thể yêu cầu triết gia cầm cả 2 dĩa lên tại thời điểm đồng thời.

 Giả sử nhà triết gia có thể đứng lên trước khi cầm bất

cứ dĩa nào Cho phép nhiều nhất 4 triết gia tại bất cứ thời điểm nào.

 Đây như là bài tập để người đọc thiết kế giao thức để

giải phóng bế tắc

Trang 19

họa sự khác biệt giữa bế tắc tự do và bế tắc đói.

 Giả sử yêu cầu triết gia cầm cả 2 dĩa tại thời điểm đồng thời Mặc dù lúc này có thể loại

bỏ bế tắc

 Sẽ có vấn đề với các triết gia đang đói bởi vì hàng xóm tiếp tục luân phiên nhau ăn Người đọc được mời đến với giải pháp là tự do bế tắc tốt hơn là bị đói.

Trang 20

 Monitor là một cấu trúc hướng đối tượng bậc cao

để đồng bộ hóa trong lập trình đồng thời

 Monitor có thể được xem như một lớp (Class) mà

có thể được sử dụng trong chương trình đồng thời

 một Monitor có các biến dữ liệu (variables) và

phương pháp (methods) để thao tác dữ liệu Bởi vì nhiều luồng (threads) có thể truy cập dữ liệu được chia sẻ cùng một lúc

 Monitor hỗ trợ methods để đảm bảo loại trừ lẫn

nhau (mutual exclusion)

Trang 21

 Điều kiện là ít nhất một threads có thể được thực hiện

trong bất kỳ methods nào và bất cứ lúc nào.

 Cụm từ " thread t is inside the monitor " được sử dụng để biểu thị rằng thread t được thực hiện bên trong monitor

 Nhiều nhất là một thread có thể được ỏ trong monitor tại

một thời điển bất kỳ

 Như vậy, liên quan đến tất cả các đối tượng monitor là một danh sách các thread đang chờ đợi để vào monitor

 Đối tượng monitor là một tài nguyên sử dụng chung còn

các Thread như là các tiến trình chờ đợi để được sử dụng tài nguyên chung.

 Tại một thời điểm bất kỳ chỉ có 1 thread có thể được sử

dụng tài nguyên chung là monitor).

Trang 22

 Chương trình đồng thời cũng yêu cầu đồng bộ hóa có điều

kiện (conditional synchronization) khi một threads phải chờ

đợi một điều kiện nhất định để trở thành hiện thực

 Để giải quyết đồng bộ có điều kiện, Monitor hỗ trợ xây dựng

các khái niệm về biến điều kiện (condition variables) Một biến

điều kiện có hai hoạt động được xác định trên nó: chờ đợi

(wait) và thông báo (notify) (còn được gọi là signal)

 Đối với bất kỳ điều kiện biến x:

 Với mọi thread t1, mà gọi đến x.wait () thì thread t1 bị chặn

và đưa vào một hàng đợi kết hợp với x.

 Khi thread khác t2, gọi đến x.notify (), nếu hàng đợi kết hợp với x là rỗng, một thread được lấy ra từ hàng đợi và đưa vào hàng đợi của các thread có đủ điều kiện để chạy.

Trang 23

được chờ đợi Có hai câu trả lời có thể sảy ra:

 Một trong những thread đã được chờ đợi trên biến

điều kiện tiếp tục thực hiện monitor theo quy tắc này được gọi là Hoare monitor

 Các thread đó thực hiện cuộc gọi thông báo cho tiếp tục thực hiện Khi thread này đi ra khỏi monitor, sau

đó các thread khác có thể nhập vào monitor Đây là ngữ nghĩa sau trong Java (the semantics followed in Java)

Trang 24

khi thông báo (notify), nó có thể cho rằng điều kiện là

đúng Vì vậy, bằng cách sử dụng Hoare Mointor, mã của một thread có thể là: if (!B) x.wait();

 Giả sử rằng t2 thông báo chỉ khi B là đúng, chúng ta biết rằng t1 có thể giả định B thay đổi Trong Java kiểu

monitor, mặc dù t2 phát hành thông báo, t1 vẫn tiếp tục thực hiện Vì vậy, khi t1 được được thực hiện, các điều kiện B có thể không đúng nữa Do đó, khi sử dụng Java, các thread thường chờ đợi điều kiện này như: while(!B) x.wait();

Trang 25

 Các thread t1 có thể chỉ lấy một notify() như một gợi ý

rằng B có thể đúng Do đó, rõ ràng cần phải kiểm B khi thay đổi Nếu B thực sự là sai, nó gọi lại wait().

 Trong Java, chúng ta xác định một đối tượng là một

monitor bằng cách sử dụng các từ khóa đồng bộ với các phương pháp của nó Để có được đồng bộ hóa có điều kiện, Java cung cấp:

 wait(): chèn các thread trong hàng đợi Để đơn giản, chúng tôi sử dụng Util.myWait () thay vì wait () trong Java Sự khác biệt duy nhất là myWait () bắt được ngoại lệ bị gián đoạn( InterruptedException)

 notify (): đánh thức một thread trong hàng đợi.

 notifyAll (): đánh thức tất cả các thread trong hàng

đợi chờ.

Trang 26

 Java không có biến điều kiện Như vậy, kết hợp với mỗi đối tượng có một hàng đợi duy nhất cho điều kiện.

 Điều này là đủ cho hầu hết nhu cầu lập trình.

 Nếu cần, nó cũng dễ dàng để mô phỏng các biến điều

kiện trong Java Một đại diện bằng hình ảnh của một

Java monitor.

 Có hai hàng đợi kết hợp với một đối tượng: một hàng đợi của các thread chờ khóa liên quan đến monitor và một hàng đợi của các thread chờ đợi một số điều kiện để trở thành hiện thực

Trang 27

Nguy hiểm của sự tắc nghẽn

(Deadlock)

để xảy ra quá trình tắc nghẽn (Deadlock).

xuyên chiến lược đặt tất cả các đối tượng trong một hệ thống và thu được duy nhất một lock trong đơn tăng thêm

t2.interrupt(), t2 sẽ get InterruptedException.

khác Nó không yêu cầu một ngắt nào với các thread khác và một chương trình không có yield() sẽ có chức năng tương đương với gọi yield() Một thread có thể chọn yield() nếu nó đang đợi cho dữ liệu để sẵn sàng từ InputStream.

đang sử dụng giám sát lock của đối tượng x.

Trang 28

Các vấn đề

thi tự động, khi đó các kết thúc có thể bị vi phạm

dụng nhị phân (Gợi ý: sử dụng các biến chia sẻ kiểu integer và

semaphore hai nhị phân.

semaphore.

thread gọi là barbe Barber sẽ chặn lại sự đợi chờ của bất cứ

customer nào Nếu không có customer, barber sẽ ngừng làm việc Nếu

có nhiều thread customer Một customer sẽ đợi barber nếu có bất cứ ghế bên trái trong barber room Ngược lại, customer rời ngay lập tức Nếu có một chair trống, customer sẽ chiếm đóng Nếu barber đang

ngủ, customer sẽ đánh thưc barber dậy giả sử rằng có n ghế trong

barber shop Viết một lớp Java SleepingBarber swrr dụng semaphore cho phép những phương thức sau: runBarber() // gọi thread barber; chạy mãi mai; hairCut() // gọi thread customer

Trang 29

Các vấn đề

 3.5 Đưa một giải pháp deadlock-free cho vấn đề

dùng bữa tối sử dụng semaphore Giả sử rằng một trong số các chiếc dĩa được chọn là khác nhau.

 3.6 Giả sử rằng có ba threads – P, Q và R Sử dụng semaphore để điều hành in ấn như là số của R được

in ra luôn nhỏ hơn hoặc bằng tổng số của P và Q

được in ra.

 3.7 Viết một giám sát cho vấn đề sleeping barber

 3.8 Chỉ ra cách điều khiển các biến của một giám sát

có thể thực thi trong Java

Trang 30

phương thức: increment() và decrement() Kết quả

của việc giảm giá trị nhỏ nhất và tăng giá trị lớn nhất trong việc gọi thread đợi đến khi thao tác được thực hiện mà không xâm phạm vào phạm vi đếm

Trang 31

Bình luận thư mục

[Dij65a] Khái niệm giám sát được giới thiệu bởi Brinch Hansen [Ha11721 và Hoare-

phong cách giám sát, bởi Hoare [Hoa74].

cổ điển trong Java cũng sẽ được thảo luận

trong cuốn sách của Hartley [Har98] Ví dụ

của bế tắc và độ phân giải của nó dựa trên

nguồn tài nguyên đặt hàng được thảo luận

trong cuốn sách của Lea [Lea99].

Trang 32

LOGO

Tiêu đề	Tiểu luận Đồng bộ hóa nguyên thủy
Tác giả	Bùi Hồng Đại, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Phạm Hữu Tình, Phạm Minh Tuấn, Nguyễn Tuấn
Người hướng dẫn	PGS.TS Trần Đình Quế
Trường học	Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật phần mềm
Thể loại	Bài tiểu luận
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	32
Dung lượng	724,56 KB