CÁC BIỂU THỨC SONG SONG và PHÂN tán TRONG các NGÔN NGỮ THUẬT TOÁN các điểm cải TIẾN CHỦ yếu để THUẬT TOÁN LAMPORT HOẠT ĐỘNG NHANH hơn

LỜI NÓI ĐẦUTrong tất cả các hệ thống tin học, bao giờ nó cũng cần cung cấp những cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình để bảo đảm hoạt động của các tiến trình đồng hành không tác động sai lệ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tất cả các hệ thống tin học, bao giờ nó cũng cần cung cấp những cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình để bảo đảm hoạt động của các tiến trình đồng hành không

tác động sai lệch đến nhau vì hai lý do sau đây:

 Nhìn chung, các tiến trình kể cả các tiến trình xuất phát từ các ứng dụng độc lậpmuốn truy cập vào các tài nguyên với số lượng vốn rất hạn chế hay truy cập vào thông

tin dùng chung cùng một lúc Trường hợp này gọi là truy cập tương tranh Tương tranh chính là nguyên nhân chính của các xung đột giữa các tiến trình muốn truy cập

vào tài nguyên dùng chung

 Các tiến trình của cùng một hệ ứng dụng hoạt động theo kiểu hợp lực để giải

quyết các bài toán đặt ra và cho kết quả nhanh chóng nhất Điều này cho phép tăng

hiệu năng sử dụng thiết bị và hiệu quả hoạt động của chương trình Hợp lực là nguyên

nhân chính của sự tác động tương hỗ được lập trình giữa các tiến trình nhằm cho phépchúng tham gia vào các hành động chung

Sự tương tranh và hợp lực giữa các tiến trình đòi hỏi phải có trao đổi thông điệpqua lại với nhau Trong các hệ thống tập trung, điều đó được thực hiện nhờ thuật toánloại bỏ tương hỗ thông qua các biến cùng tác động trong một vùng nhớ chung Trong

hệ tin học phân tán, các thông tin cần trao đổi thông qua các kênh thuộc hệ thống viễnthông

Trong khuôn khổ phần tiểu luận này, em xin trình bày một số khía cạnh cơ bảnsau:

+ Phần 1: Các biểu thức song song và phân tán trong các ngôn ngữ thuật toán.

+ Phần 2: Thuật toán đồng bộ các đồng hồ lôgic [Lamport] và các điểm cải tiến

chủ yếu để thuật toán Lamport hoạt động nhanh hơn

Trong quá trình trình bày tiểu luận chắc chắn có nhiều sai sót Kính mong sự chỉbảo tận tình của thầy hướng dẫn

Xin trân trọng cảm ơn thầy PGS.TS Lê Văn Sơn đã cung cấp kiến thức, tài liệu để

em hoàn thành tiểu luận này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ PHÂN TÁN

I.1 Hệ phân tán (Distributed System):

Hệ tin học phân tán là một hệ thống đa dạng, nhiều thành phần và phức tạp về mặtcấu trúc, là vùng tri thức hiện đại đang được các chuyên gia công nghệ thông tin đặcbiệt quan tâm nghiên cứu và đổi mới một cách nhanh chóng Trong điều kiện đó, đứngtrên một quan điểm khác nhau người ta đã đưa ra các định nghĩa khác nhau về hệ phântán như sau:

Theo định nghĩa của Andrew Tanenbanum:

Hệ phân tán là một tập hợp các máy tính độc lập mà xuất hiện đối với các người sửdụng như một máy tính đơn Với các đặc điểm:

 Nhiều bộ phận

 Kết nối thông qua mạng truyền thông

 Chia sẻ các tài nguyên

Hình 1.1 Ví dụ về hệ phân tán - Một Intranet tiêu biểuNói chung, một định nghĩa phổ biến và khá đầy đủ về hệ phân tán được trình bàytrong tài liệu [1] như sau:

“Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán (Distributed System) là hệ

thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm các tại các vị tríkhác nhau và được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới sự điềukhiển thống nhất của một hệ điều hành.”

Mục tiêu của hệ phân tán:

 Tăng tốc độ bình quân trong tính toán, xử lý

 Cải thiện tình trạng luôn luôn sẵn sàng của các loại tài nguyên

 Tăng độ an toàn cho dữ liệu

 Đa dạng hóa các loại hình dịch vụ tin học

 Đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin

I.2 Các mô hình hệ phân tán:

I.2.1 Các lớp dịch vụ phần mềm và phần cứng:

Các lớp phần mềm:

Kiến trúc phần mềm: cấu trúc của phần mềm như là các lớp và các module trongcác thuật ngữ của các dịch vụ đưa ra và yêu cầu giữa các tiến trình trên cùng hoặc trêncác máy tính khác nhau

Platform (hệ nền): phần cứng mức thấp nhất và các lớp phần mềm (hệ điều hành).Middleware: một lớp của phần mềm mà mục đích của nó là đánh dấu heterogeneity

và để cung cấp một mô hình lập trình cho các ứng dụng, như: CORBA, RMI (RemoteMethod Invocation), DCOM (Distributed Component Object Model),

I.2.2 Kiến trúc hệ thống phân tán:

1.Mô hình Client/Server:

Một WebServer thường là một client của một File Server cục bộ

Các WebServer và các Server của Internet khác là các client của một DNS Servercái mà dịch các tên miền Internet thành các địa chỉ mạng

Một máy tìm kiếm là một Server, nhưng nó chạy chương trình được gọi là WebCrawlers cái mà truy cập các Web server thông qua Internet cho thông tin yêu cầu

 Dịch vụ cung cấp bởi nhiều server:

Nhiều Server có thể:

 Mỗi phần là một tập hợp các đối tượng

 Duy trì các bản copy của toàn bộ tập hợp các đối tượng trên một vài máy

 Ví dụ Web Proxy Server:

Web Proxy Server cung cấp một bộ nhớ cache chia xẻ cho các máy client tại mộtsite hoặc băng qua một vài site khác nhau

2.Mô hình tương tác trong hệ phân tán:

 Thực hiện truyền thông:

 Sự biến đống tạp (Jitter): thời gian khác nhau giữa các sự trì hoãn ảnh hưởngbởi các thông điệp khác nhau.

 Đồng hồ và thứ tự các sự kiện:

 Không có khái niệm toàn cục của thời gian

 Nhịp độ đồng hồ trôi: nhịp độ tương đối ở một đồng hồ máy tính trôi dạt rakhỏi từ một đồng hồ tham chiếu hoàn hảo

 Đồng bộ hóa đồng hồ:

 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): một ít máy tính có thể sử dụng máy thuradio để nhận thời gian đọc từ GPS với độ chính xác là 1 micro-giây Chúng cóthể gửi các thông điệp thời gian đến các máy tính khác trong mạng tương ứngcủa chúng

 Các đồng hồ logic: mỗi thông điệp là thời gian đóng dấu lên với một số nốitiếp mà phản chiếu thứ tự lôgic của chúng

CHƯƠNG II CÁC BIỂU THỨC SONG SONG VÀ PHÂN TÁN

TRONG NGÔN NGỮ THUẬT TOÁN

II.1 Giới thiệu:

Để thực hiện các tính toán song song, hoặc phân tán một số ngôn ngữ đưa ra mộtcách triển khai thực hiện khác nhau, nói chung có thể chia thành hai nhóm:

1 Một số ngôn ngữ cho phép lập trình các ứng dụng với tư cách là thực hiện songsong và hoàn toàn không quan tâm đến vấn đề là triển khai ứng dụng trên hệ tập trunghay hệ phân tán Các ngôn ngữ này triển khai các cấu trúc kiểm tra có tính chất thủ tục.Mặc dù có một số hạn chế song chúng cũng có thể triển khai trên hệ phân tán

2 Một số ngôn ngữ khác cho phép triển khai tường minh công việc phân tán.Chúng cho phép tạo ra các quan hệ cần thiết từ một trạm đến trạm khác trong hệ phântán

II.2 Biểu thức song song trong ngôn ngữ:

Hai ngôn ngữ phổ biến cho phép thực hiện các tính toán song song là CSP(Communication Sequential Processes) và ADA, các phương tiện định nghĩa các tiếntrình và thực hiện trao đổi thông tin giữa chúng với nhau Hai ngôn ngữ này cho phépphân đoạn dữ liệu của một ứng dụng thành các tập hợp độc lập với nhau Việc quản lýcác tập hợp này được thực hiện nhờ một tiến trình độc lập

Cả hai ngôn ngữ đều có đặc tính chung như sau:

 Sự liên thông giữa hai tiến trình không cần đặt lại cho sự tồn tại của các biếntoàn cục

 Các cơ chế cho việc đồng bộ hóa là sơ đẳng như “cuộc gặp gỡ” của hệ CSP,hoặc “điểm vào” của ADA thường là gần giống nhau

 Các cấu trúc mô phỏng tạo thuận lợi cho các tiên trình thể hiện việc chờ tươngđối đồng nhất và có điều kiện phù hợp với một trong hai khả năng có thể

 Các nguyên lý khác nhau cho ta khả năng lựa chọn cấu trúc thể hiện quan hệgiữa các tiến trình cũng như công cụ song song cho phép truy cập đến dữ liệu

 Trong hệ CSP, các quan hệ và sự đồng bộ hóa giữa các tiến trình được thể hiệntường minh bằng các trao đổi thông điệp Ngược lại, trong hệ ADA, một tiếntrình P1 nào đó có thể truy cập vào dữ liệu cục bộ của tiến trình P2 khác bằngcách sử dụng hàm nguyên thủy mà hiệu ứng của nó là việc thực hiện thủ tục.Các sự đồng bộ hóa thực tế (tùy vào tình hình) được thể hiện bởi P2 nhờ các cấutrúc thích hợp

 Trong hệ CSP, số lượng và lai lịch của các tiến trình được định nghĩa theo kiểutĩnh Một dữ liệu nào đó chỉ có thể được truy cập bởi tiến trình có nhiệm vụquản lý rõ ràng, trong khi đó ADA cho phép nhiều tiến trình truy cập đến dữliệu (việc kiểm soát dữ liệu được giao cho một tiến trình đặc biệt)

Dưới đây chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu một cách sơ lược hai ngôn ngữ trên để

có thể nắm được cách thức làm việc về các biểu thức song song trong các ngôn ngữthuật toán nói chung

II.2.1 Ngôn ngữ CSP:

Ngôn ngữ CSP cho phép lập chương trình ứng dụng dưới dạng một số lượng tiếntrình cố định Các tiến trình này có thể phối hợp với nhau nhờ phép toán liên lạc kiểu

“cuộc gặp gở”

Một chương trình bao gồm tập hợp các tiến trình có thể thể hiện dưới dạng như sau:

[<Tiến trình 1> || <Tiến trình 2> || || <Tiến trình n>]

Trong đó, <Tiến trình i> dựa vào liên hợp một tên với mã chương trình nguồn củatiến trình:

Name:: <Text>

Ở đây các biến toàn cục bị cấm sử dụng

Các tiến trình cần phải có hai hàm nguyên thủy để trao đổi Đó là gửi (phép ra) vànhận (phép vào) một thông điệp Mỗi tiến trình cần phải định danh tường minh ngườiđối thoại (đối tác) của mình và các thông điệp đúng kiểu Các vào-ra điển hình đượcđảm bảo bằng các tiến trình được định nghĩa trước phối hợp với các ngoại vi mắc nối

Để gửi một thông điệp cho tiến trình Q, tiến trình P phải sử dụng lệnh ra có dạngnhư sau:

Ta phải có các thông điệp cấu trúc hóa ví dụ như chuyển hai giá trị nguyên có thểthể hiện như sau:

Q!(4, 5) trong PP!(i, j) trong QViệc kiểm tra chặt chẻ trên lại lịch của người đối thoại và trên kiểu của các thôngđiệp trao đổi được tiến hành khi thử hiệu chỉnh và dịch chương trình Ngược lại, chínhviệc kiểm tra đó có thể lại là việc bắt buộc đối với người lập trình

 Ví dụ:

Ví dụ này nhằm giúp thể hiện việc đợi một thông điệp nào đó từ một tập hợp cáctiến trình Một cấu trúc thú vị của phát biểu bảo vệ trong tài liệu Dijkstra cho phép mô

tả các khả năng chờ đợi có thể theo kiểu tương tự như là công việc cần lựa chọn

Một phát biểu bảo vệ thể hiện một sự lựa chọn giữa các tiến trình xử lý căn cứ vàogiá trị điều kiện gọi là bảo vệ (garde) Trong các bảo vệ có thể xuất hiện các biểu thứclogic và các lệnh nhận thông điệp

Một bảo vệ có thể thay đổi, nếu và chỉ nếu các biểu thức logic chứa nó thay đổi vànếu một thông điệp tương ứng kiểu chờ được tiếp nhận Việc thực hiện một phát biểu

bảo vệ tương ứng với việc thực hiện một xử lý được lựa chọn ngẫu nhiên giữa chúng

mà có giá trị là true Khi các bảo vệ đều nhận giá trị false, ta chuyển sang trạng tháichờ nhận thông điệp; nếu không có bảo vệ nào chứa phép toán “nhận” thì chương trình

bị sai

Phát biểu bảo vệ thể hiện dưới dạng như sau:

[<Bảo vệ 1>  T1 

<Bảo vệ 2>  T2 

]Bảo vệ cấu trúc này có thể được sử dụng theo kiểu lặp lại và thể hiện như sau:

Ta hãy xem xét phát biểu sau đây trong R, nơi mà biến Z được khai báo:

[P?X  T1 Z=0; P?Y  T2 (J: 1 10) Q(j)?X  T3(J) ]

có nghĩa là ta đang đợi một thông điệp kiểu X từ tiến trình P hoặc nếu biến Z nhậngiá trị 0 thì một thông điệp loại Y từ P hoặc còn một thông điệp kiểu X đến từ mộttrong 10 tiến trình Q(j) Dựa theo bản chất của thông điệp đầu tiên nhận được và giá trịcủa Z, R thực hiện các phát biểu T1 hay T2 hay T3(j)

Nếu có nhiều thông điệp chấp nhận được đã sẵn sàng, R sẽ chọn theo kiểu ngẫunhiên Ngược lại nếu không có thông điệp nào cả, R chuyển sang trạng thái treo

II.2.2 Ngôn ngữ ADA:

Chúng ta sẽ tìm hiểu ngôn ngữ ADA một cách tổng quát, bằng cách mô phỏng (giảADA) để có thể hiểu sâu hơn về cách thức làm việc của nó Thông qua ngôn ngữ nàyngười ta có thể phân rã chương trình thành một tập hợp các tiến trình song song mà

mỗi tiến trình ta gọi là hoạt động chia xẻ các biến toàn cục Số lượng các tiến trình có

thể phát triển động và các trao đổi được tiến hành nhờ vào việc gọi thực hiện thủ tụchay “điểm vào”

1 Hoạt động:

Theo ADA, một họat động được định nghĩa tĩnh, nhưng việc thực hiện lại động nhờvào lệnh khởi sự từ đầu:

 Các dữ liệu cục bộ

 Các thủ tục cho phép truy cập vào dữ liệu cục bộ.

 Một chương trình tuần tự hay thân của họat động được thực hiện cùng lệnh khởi

sự từ đầu

Các dữ liệu cục bộ của một họat động không được truy cập bởi các hoạt động khác,nhưng chúng lại có thể gọi một vài thủ tục có thể thực hiện nhiệm vụ của chương trìnhgọi được phản ánh như sau:

Hình 2.1.Thực hiện chương trình từ xa trong ADA

2 Điểm vào:

Trong quá trình thực hiện, hai họat động có thể trao đổi thông tin với nhau hay vàotheo kiểu cạnh tranh để truy cập dữ liệu Trong ví dụ trên, khi T1 thực hiện P, nó cóthể vào và xung đột với T2 để truy cập vào dữ liệu D Thực tế T2 hành động như là

kiểm tra để kiểm tra việc truy cập vào D Tất cả các hành động trên D có thể thực hiện

song song được xác định như là các thủ tục Ngược lại, các hành động theo kiểu loại

trừ tương hỗ được thực hiện trực tiếp bởi T2; chúng được xác định như là các điểm vào.

Trong một họat động khai báo vào cũng giống như phần đầu của khai báo thủ tục.Như thế, trong T2 ta có phần khai báo như sau:

Thực thể E (X:nguyên; Y:out nguyên)

Có nghĩa E (thực thể) là một vào với hai tham số kiểu nguyên; tham số thứ hai cóthể thay đổi

Ta có thể tìm thấy hoạt động khác, ví dụ như T1 một lời gọi có dạng T2.E(4, Z).Quan sát từ bên ngoài ta có nhận xét rằng để cho T1, việc gọi này chính là gọi thủ tục;khi T1 chuyển sang lệnh tiếp theo, việc xử lý tương ứng với E, bằng cách sử dụng Z,

đã được thực hiện Giá trị của Z là tham số ra có thể đã thay đổi Thực tế, vịêc xử lýnày được thực hiện bởi T2 bằng một lệnh đặc biệt chấp nhận (Accept) Lệnh này đượcthể hiện như sau:

Chấp nhận E(X:in nguyên; Y:out nguyên) do Y:=X+1Chấm dứt

Thân của

động T2T2.P(X)

Khai báo T1

Quá trình trao đổi

từ xa được bắt đầu bằng tiến trình T1

Các đường chấm chỉ quá trình thực

hiện từ xa

Dữ liệu DThủ tục P

Chừng nào một lệnh gọi vào đã không được thực hiện, lệnh chấp nhận sẽ là mộtlệnh treo Ngược lại, gọi vào treo hoạt động thực hiện nó cho đến khi họat động mà ở

đó vào đã kết thúc việc thực hiện một lệnh chấp nhận tương ứng với vào đó đã đượckhai báo có nghĩa là thực hiện các lệnh giữa do và end phối hợp cùng với chấp nhận

Để cùng một vào, ta có thể tìm thấy nhiều lệnh chấp nhận; điều đó cho phép nhiều

TL1hoặc

Chừng nào C1 => accept Y( ) thực hiện T2 kết thúcTL2

Kết thúcChỉ ra rằng:

1.Nếu C1 nhận giá trị false, thì chờ một lời gọi từ X

2.Nếu C1 nhận giá trị true, thì chờ bội một lời gọi từ X hay từ Y

Trong trường hợp sau cùng, nếu không có lời gọi nào từ X hay từ Y đã được tiếnhành thì họat động thực hiện lệnh lựa chọn bị treo; nó phải chấp nhận lời gọi đầu tiêntrong số hai “chờ” nêu trên Mỗi khi việc chọn lựa là có thể thì nó là bấp bênh(aleatoire)

Việc xử lý từng nhánh được phân định thành hai phần bằng từ khóa kết thúc Ti vàTLi; trong quá trình Ti hoạt động gọi đang trong trạng thái chờ và trong TLi, nó có thểthực hiện công việc của mình theo kiểu song song

Cần lưu ý rằng các xử lý Ti và TLi là các dãy phát biểu nào đó và có thể chứa cáclựa chọn và các chấp nhận

Trong ví dụ đã chọn, mặt tĩnh của việc xác định tiến trình CSP đòi hỏi thành lập sốtiến trình truy vấn bằng số tiến trình hội thoại Trong ADA việc thành lập một tiếntrình mới diễn ra khi gọi thủ tục truy vấn và tồn tại trong suốt thời gian truy vấn này

Do vậy, số lượng các tiến trình đúng bằng số nhu cầu Nếu số lượng quá lớn, thì đòihỏi phải tiếp tục nghiên cứu áp dụng hình thức mới và đương nhiên là phải khác vớichương trình trên.

II.3 Biểu thức phân tán trong các ngôn ngữ thuật toán:

Sự phân tán thông thường là trong suốt đối với người sử dụng có nghĩa là bản thânngười sử dụng không hề quan sát được những diễn biến bên trong của hệ Thậm chí cónhững việc họ hoàn toàn không hề hay biết gì cả Về mặt kỹ thuật trong nhiều trườnghợp thiết kế, các hệ cho phép cất dấu rất kỹ sự tồn tại của các trạm bằng cách cho ví dụmột khả năng địa chỉ hóa đồng nhất, các truy cập từ xa dường như cùng kiểu với cáctruy cập cục bộ

Trong khi đó, có một vài trường hợp mà người sử dụng có kiến thức về kiến trúccủa hệ mà anh ta đang làm việc tại đó và các ngôn ngữ , mà anh ra sẽ phải sử dụng đểlập chương trình Ta coi các ngôn ngữ này như là các trường hợp đặc biệt trong việclập trình cho các hệ tin học phân tán

II.3.1 Ngôn ngữ triển khai:

Các ngôn ngữ này thường được sử dụng bởi các chuyên viên máy tính đang đảmtrách công tác tổ chức, khai thác mạng và vận hành các hệ điều hành lớn

Xét một cách tổng quát, các ngôn ngữ này có các chức năng chủ yếu như sau:

1 Thành lập cấu hình ban đầu và gọi các cấu hình khởi sự

2 Thay đổi cấu hình hệ này bằng cách thêm vào hay bớt đi các thànhphần

3 Thực hiện công tác kiểm soát khi các thành phần khác nhau của hệđang họat động

Ví dụ:

Hệ thống SNA của IBM thành lập một ngôn ngữ thuộc loại này, ta

có thể trích một vài lệnh của nó như sau:

Hình thành kênh liên lạc: Activate link <đầu>, <địa chỉ kênh>

4 Nối kết với một thành phần vật lý như:

Activate physical unit <mã>, <thủ tục xử lý lỗi>, <lọc>, , <đinhdanh>

II.3.2 Ngôn ngữ lệnh cho mạng:

Loại ngôn ngữ này cho phép người lập chương trình lựa chọn địa điểm thực hiệnchương trình của mình và nơi đặt kết quả thực hiện của chương trình đó