Trật tự từng phần và vấn đề đồng bộ hóa các tiến trình

Để giải quyết vấn đề này thì việc thiết kế các chiến lược đồng bộ hóa các tiến trình trong các hệ thống tin học phân tán là rất cần thiết và được quan tâm chú ý rất nhiều.. Với hệ phân t

-o0o -

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Lê Văn Sơn

Học viên : Bùi Tấn Ngọc

Đà Nẵng – 2012

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 1

Lời mở đầu

Ngày nay, công nghệ thông tin đang phát triển rất mạnh mẽ Từ các quốc gia có nền kinh tế kém phát triển đến các cường quốc kinh tế cũng đều có nhu cầu rất lớn về

xử lý thông tin Nhu cầu thu thập thông tin có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau

và ở cách xa nhau Vấn đề đặt ra là làm thế nào chúng ta có thể xử lý thông tin ở cách

xa nhau một cách nhanh nhất và hiệu quả nhất giữa các hệ thống tin học, mà không xảy ra tranh chấp trong việc thu thập và xử lý thông tin giữa các hệ thống tin học ở khắp nơi trên thế giới

Để giải quyết vấn đề này thì việc thiết kế các chiến lược đồng bộ hóa các tiến trình trong các hệ thống tin học phân tán là rất cần thiết và được quan tâm chú ý rất nhiều

Phân tán hóa các quá trình xử lý, tạo nên ưu thế của hệ có thể đáp ứng việc giải quyết các bài toán lớn, một cách nhanh chóng Nhưng cũng tạo tính phức tạp, nan giải trong các yêu cầu thiết lập hệ Việc hợp lực của các thành viên trong hệ, dẫn đến hàng loạt các vấn đề như: định danh, cấp phát tài nguyên dùng chung (đảm bảo tránh tương tranh), giải quyết sự cố tạo nên tính tin cậy của hệ Để đảm bảo tính gắn bó của hệ, yêu cầu đặt ra trước hết là đồng bộ hóa các tiến trình Với hệ phân tán (không có bộ nhớ chung, bộ tạo xung đồng hồ chung), khả năng gắn bó và việc đồng bộ hóa cho hệ chỉ dựa trên phương tiện duy nhất là truyền thông điệp, nên lời giải cho yêu cầu đồng

bộ hóa thường chỉ dừng lại ở mức chấp nhận được đối với mỗi hệ

Trong phạm vi của tiểu luận này tôi chỉ đề cập đến một khía cạnh nhỏ trong hệ

tin học phân tán đó là “Trật tự từng phần và vấn đề đồng bộ hóa các tiến trình”,

và viết chương trình giải phương trình bậc hai bằng máy đơn và bằng hệ phân tán

Để hoàn thành tiểu luận này, tôi xin chân thành cám ơn sự chỉ bảo tận tình của Thầy giáo: PGS.TS.Lê Văn Sơn và các bạn học viên trong lớp Tuy nhiên chắc hẳn vẫn còn nhiều thiếu sót, kính mong sự góp ý của thầy giáo và các bạn

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 3

Hệ phân tán = Mạng máy tính + phần mềm phân tán

1.3 Hệ phân tán là một tập hợp các bộ đôi vi xử lí + bộ nhớ được kết nối qua mạng

truyền thông và tích hợp logic bằng hệ điều hành phân tán hay một hệ cơ sở dữ liệu phân tán

Ví dụ về các hệ phân tán:

– Tổ hợp các Web server: cơ sở dữ liệu phân tán cho siêu văn bản và tài liệu đa phương tiện

– Hệ thống file phân tán trong một mạng LAN

– Dịch vụ tên miền (Domain Name Service - DNS)

– Cray XT5 & CLE (multiprocessor quy mô lớn)

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 4

Như vậy, hệ tin học phân tán có thể bao gồm bốn thực thể như sau:

Tóm lại: Hệ tin học phân tán (hệ phân tán) là hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều

bộ xử lý hay vi xử lý nằm tại các vị trí khác nhau và được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới sự điều khiển thống nhất của một hệ điều hành

Hệ phân tán có các ưu điểm căn bản so với hệ tập trung, như sau:

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

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

- Tăng độ an toàn cho dữ liệu

- Đa dạng hoá các loại hình dịch vụ tin học

- Đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin

Phần mềm

Dữ liệu

Truyền thông

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 5

- Thời hạn truyền thông tin trong hệ không giống nhau, các thông điệp có thể bị mất trong quá trình chuyển tải, các thông điệp có thể được truyền kép và hệ thống có thể rơi vào sự cố

- Một (hay nhiều) máy tính cấu thành của hệ phân tán có thể bị sự cố và hoạt động của toàn hệ trở nên kém hiệu quả

liên

à

1.1 Bài toán đồng bộ hóa

Công việc không thể được tiến hành nếu nó không được bộ xử lý tiếp nhận và thực hiện: bộ xử lý là một tài nguyên của hệ thống được sử dụng để hoàn thành công việc

Có thể coi chương trình đang thực hiện như một tiến trình

Các tiến trình không tồn tại một cách độc lập trong máy tính, chúng hợp tác với nhau để thực hiện các công việc của người sử dụng và chúng cạnh tranh với nhau để

sử dụng chung các tài nguyên hữu hạn: các bộ xử lý hoặc các file thông tin Hai đặc trưng hợp tác và cạnh tranh dẫn tới sự cần thiết của các liên lạc giữa các tiến trình

Để làm rõ tính quan trọng của việc đồng bộ hóa tiến trình chúng ta xét ví dụ sau: Giả sử rằng:

- Một chương trình có biến counter = 5

- Người sử dụng 1 và 2 thực thi đồng hành câu lệnh “counter++” và “counter ”

- Sau việc thực thi hai câu lệnh này, giá trị của biến counter có thể là 4, 5 hay 6?

- Kết quả chỉ đúng khi biến counter == 5, được tạo ra đúng nếu tiến trình người sử dụng 1 và 2 thực thi riêng biệt

Chúng ta có thể minh hoạ giá trị của counter có thể không đúng như sau :

register1 = counter

register1 = register1 + 1

counter = register1

Thực thi đồng hành của “counter++” và “counter ” là tương tự như thực thi tuần

tự ở đây các câu lệnh cấp thấp hơn được hiện diện trước bị phủ lắp trong thứ tự bất kỳ Một sự phủ lắp là:

T0: Người 1 thực thi register1 = counter {register1 = 5}

T1: Người 1 thực thi register1 = register1 + 1 {register1 = 6}

T2: Người 2 thực thi register2 = counter {register2 = 5}

T3: Người 2 thực thi register2 = register2 – 1{register2 = 4}

T4: Người 1 thực thi counter = register1 {counter = 6}

T5: Người 2 thực thi counter = register2 {counter = 4}

Chú ý rằng, chúng ta xem xét tình trạng không đúng “counter == 4”, theo đó có 4 vùng đệm đầy, nhưng thực tế khi đó có 5 vùng đệm đầy Nếu chúng đổi ngược lại thứ

tự của câu lệnh T4 và T5, chúng ta sẽ có trạng thái không đúng “counter == 6”

Chúng ta đi đến trạng thái không đúng này vì chúng ta cho phép cả hai quá trình thao tác đồng thời trên biến counter Trường hợp tương tự, ở đây nhiều quá trình truy xuất và thao tác cùng dữ liệu đồng hành và kết quả của việc thực thi phụ thuộc vào thứ

tự xác định trong đó việc truy xuất xảy ra, được gọi là điều kiện cạnh tranh (race condition) Để ngăn chặn điều kiện cạnh tranh ở trên, chúng ta cần đảm bảo rằng chỉ một quá trình tại một thời điểm có thể được thao tác biến counter Để thực hiện việc

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 8

đảm bảo như thế, chúng ta yêu cầu một vài hình thức đồng bộ hoá quá trình Những trường hợp như thế xảy ra thường xuyên trong các hệ điều hành khi các phần khác nhau của hệ thống thao tác các tài nguyên và chúng ta muốn các thay đổi không gây trở ngại một sự thay đổi khác

1.2 Miền găng

Xét một hệ thống gồm n tiến trình (P0, P1, … ,Pn-1 ) Mỗi tiến trình có một phân đoạn mã, được gọi là miền găng, trong đó quá trình này có thể thay đổi những biến dùng chung, cập nhật một bảng, viết đến tập tin Đặc điểm quan trọng của hệ thống là

ở chỗ, khi một quá trình đang thực thi trong vùng tương trục, không có tiến trình nào khác được phép thực thi trong vùng tương trục của nó Do đó, việc thực thi của các vùng tương trục bởi các tiến trình là sự loại trừ hỗ tương Vấn đề miền găng là thiết kế một giao thức mà các quá trình có thể dùng để cộng tác Mỗi tiến trình phải yêu cầu quyền để đi vào vùng tương trục của nó Vùng mã thực hiện yêu cầu này là phần đi vào (entry section) Vùng tương trục có thể được theo sau bởi một phần kết thúc (exit section) Mã còn lại là phần còn lại (remainder section) Cấu trúc chung của một quá trình điển hình P i:

do { entry section

critical section exit section

remainder section } while (1);

Một giải pháp đối với vấn đề miền găng phải thoả mãn ba yêu cầu sau:

Loại trừ hỗ tương: Nếu quá trình Pi đang thực thi trong miền găng của nó thì không tiến trình nào khác đang được thực thi trong miền găng đó

Progress: nếu không có tiến trình nào đang thực thi trong miền găng và có vài tiến trình muốn vào miền găng thì chỉ những tiến trình không đang thực thi phần còn lại mới

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 9

có thể tham gia vào việc quyết định tiến trình nào sẽ đi vào vùng găng tiếp theo và chọn lựa này không thể trì hoãn vô hạn định

Chờ đợi có giới hạn (bounded wait): giới hạn số lần các tiến trình khác được phép

đi vào miền găng sau khi một tiến trình thực hiện yêu cầu để đi vào miền găng của nó và trước khi yêu cầu đó được gán

1.3 Vấn đề đồng bộ hóa các tiến trình trong hệ phân tán

Trình tự và đồng bộ các tiến trình chỉ ra các vấn đề đồng bộ có thể dẫn đến phải thiết chế một trật tự tổng quát của các sự kiện diễn ra trong hệ Cần xác định mối liên

hệ trao đổi thông qua các thông điệp với thời hạn truyền khác nhau, những thông tin tạm thời trao đổi không có giá trị tuyệt đối và trình tự tổng quát cần phải được thể hiện bằng phương tiện giải thuật đảm bảo hoạt động nhịp nhàng giữa các tiến trình có liên quan

Trong tất cả các hệ thống tin học, đồng bộ hóa các tiến trình mang tính cấp thiết về mặt nguyên lý và kỹ thuật thể hiện ở hai nguyên do cơ bản sau đây:

Các tiến trình kể cả các tiến trình xuất phát từ các ứng dụng độc lập muốn truy cập vào tài nguyên với các 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 Vì vậy, tương tranh 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 Vì vậy hợp lực

là nguyên nhân chính của sự tác động tương hỗ được lập trình giữa các tiến trình nhằm cho phép chúng tham gia vào các hoạt động chung

2 Đồng bộ hóa bằng phương pháp trật tự từng phần

Trong các hệ thống tin học tập trung vấn đề đồng bộ hóa được giải quyết thông qua cơ chế loại trừ tương hỗ Cơ chế này cho phép xác lập trật tự hoàn toàn các sự

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 10

kiện Trong thực tiễn, có một số hệ thống vấn đề về đồng bộ hóa chỉ đòi hỏi trật tự từng phần Chính vì vậy trật tự hóa từng phần giữa các sự kiện mà các tiến trình của

nó cần phải đồng bộ là vấn đề cần quan tâm giải quyết

Trong các hệ thống phân tán, việc đồng bộ hóa chỉ đặt ra duy nhất vấn đề thiết lập một trật tự giữa các sự kiện Giữa các trạm khác nhau, trật tự đó chỉ thể hiện được thông qua việc trao đổi các thông điệp với nhau

Giả sử rằng ta có thể xác định một trật tự giữa các sự kiện của hệ phân tán nhờ

vào quan hệ được ký hiệu là  và gọi là “có trước” Quan hệ này tối thiểu phải thỏa

mãn được các ràng buộc thể hiện qua hai cách:

+ Nếu A và B là hai sự kiện của cùng một trạm và nếu A được thực hiện trước B thì theo trật tự cục bộ của trạm ta có: A  B

+ Nếu A là phát thông điệp bởi một trạm nào đó và nếu B là thu của thông điệp này thì ta có A B

xuất-t

A1 A2 A3 A4 A5

B1 B2 B3 B4 B5

Ví dụ: Mô tả trật tự từng phần

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 11

Giả sử rằng NP là số lượng sản xuất ra và NC là số lượng tiêu thụ tại thời điểm khởi sự C chỉ tiêu thụ được một sản phẩm, nếu sản xuất sản phẩm đó đã diễn ra, có nghĩa là, nếu

Hình 2: Quan hệ có trước trong mô hình

người sản xuất- người tiêu thụ

lần nó nhận được thông điệp từ C báo cho nó biết là tiêu thụ mới đã diễn ra

lần nó nhận thông điệp từ P báo cho nó biết một sản xuất mới đã diễn ra

Ta sẽ chứng minh rằng một sự đồng bộ hóa chính xác được đảm bảo bằng việc xác nhận trên mỗi trạm các điều kiện sau đây:

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 13

NC = NC’ + nc, với nc > 0

trong đó, nc số lượng thông tin đã tiêu thụ bởi C mà P không biết

Ta có thể khái quát hóa phương pháp này cho điều kiện đồng bộ hóa bằng công thức:

CiXi > K (theo i)

trong đó, Ci và K là các hằng số Ta hoàn toàn có khả năng và điều kiện mạnh hơn bằng cách thay thế tất cả các Xi mà hệ số của nó là đại lượng dương bằng các ảnh của

nó X’i , nếu và chỉ nếu các Xi là các biến không lùi

Vì nguyên nhân xa cách giữa người sản xuất và người tiêu thụ mà trật tự tổng quát này không cần thiết và chỉ cần sủ dụng để đồng bộ hóa các bản sao các biến trạng thái gần đúng là đủ

Trong hệ thống người sản xuất - người tiêu thụ, nếu N = 1, thì có sự liên kết chặt chẽ giữa hai tiến trình cho phép xác định một trật tự chặt chẽ giữa các sự kiện

Cơ chế đồng bộ ở đây là dùng các công tơ sự kiện phù hợp với từng vấn đề đặt

ra Mỗi một công tơ, biến nguyên không lùi, được kết hợp với một nhóm đặc biệt các

Với bài toán người sản xuất - người tiêu thụ, cần định nghĩa:

Hai công tơ sự kiện NP’ và NC’, được khởi động bằng giá trị 0

Hai biến nguyên NP và NC, khởi sự là 0, là cục bộ đối với tiến trình người sản

xuất P và người tiêu thụ C

Các tiến trình có thể viết như sau:

tieu_thu tang(NC’)

NC := NC+1 Kết thúc vòng lặp

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 15

PHẦN II: BÀI TẬP

Đề bài: Tự mình đặt ra 1 bài toán (ví dụ giải phương trình bậc 2), lập trình giải

trên máy đơn rồi trên mạng Hãy rút ra những kết luận quan trọng về phân tán

1.Chương trình giải phương trình bậc hai, viết bằng ngôn ngữ Java chạy trên máy đơn

import java.util.Scanner;

import java.lang.Math;

public static void main(String[] args) {

System.out.print("Nhap he so b = "); b = input.nextFloat();

System.out.print("Nhap he so c = "); c = input.nextFloat();

delta = (b*b) - (4*a*c);

if(delta < 0) System.out.println("Phuong trinh vo nghiem ");

elseif (delta == 0) { x1 = -b/(2*a);

System.out.println("Phuong trinh co nghiem duy nhat" + x1); }

else { x1 = (-b + Math.sqrt(delta))/(2*a);

x2 = (-b - Math.sqrt(delta))/(2*a);

- Đây là mô hình hệ tin học tập trung

- Chương trình chỉ chạy trên máy đơn, chương trình sử dụng các tài nguyên trên một máy đơn (bộ vi xử lý, bộ nhớ…) để xử lý và cho kết quả, mà không cần phải truy cập mạng hay sử dụng tài nguyên của các hệ thống khác

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 17

2 Chương trình giải PT bậc hai trên mạng theo mô hình Client – Server:

2.1 Tìm hiểu sơ bộ cách lập trình mạng Client-Server:

Lập trình Client-Server: Là viết ứng dụng gồm hai chương trình: Chương trình Client

và chương trình Server Chương trình Client gởi yêu cầu đến chương trình Server Chương trình Server xử lý yêu cầu và trả kết quả về cho chương trình Client, rồi Client in kết quả ra màn hình

Chương trình Server phải có khả năng phục vụ đồng thời nhiều client bằng cách tạo ra nhiều thread, mỗi thread phục vụ một client

Thread t1, t2 phục vụ các yêu cầu của Client1, Client 2 Các thread t1, t2 được hệ điều hành hoặc ngôn ngữ lập trình cho thực thi đồng thời bằng cách chia xẻ CPU

2.2 Các bước viết chương trình mô hình Client - Server bằng java sử dụng giao thức TCP

- Bước 1 : Thiết lập các thông số kết nối cho Server

ServerSocket sksv = new ServerSocket(6789);

Client

Client

Client Client

Server Nhận kết quả

Gởi yêu cầu

Học viên: Bùi Tấn Ngọc 18

// 6789 là số hiệu cổng sẽ truyền thông với Client, số hiệu cổng trên Client phải giống trên Server

- Bước 2 : Thiết lập cho Client để kết nối tới Server

Socket skcl = new Socket("Tên_máy_chủ", 6789);

// Tên_máy_chủ có thể thay bằng IP máy chủ

- Bước 3 : Server chấp nhận kết nối từ Client

Socket client = sksv.accept();

- Bước 4: Khi Client và Server đã có thể truyền thông với nhau thì bắt đầu thực hiện các yêu cầu của bài toán

2.3 Viết chương trình giải phương trình bậc 2 bằng Java sử dụng giao thức TCP

2.3.1 Chương trình Client

import java.io.*;

import java.net.*;

public static void main(String[] args) throwsException

{

while(true){

// Tao socket ket noi den Server có IP: 192.168.1.10

Socket skcl = new Socket("192.168.1.10", 6789);

DataInputStream input = new DataInputStream(System.in);

double a,b,c;

// Nhap cac he so a,b,c

do // Nhap he so a<>0, neu a=0 nhap lai

{ System.out.print("Nhap he so a = ");

a = Double.parseDouble(input.readLine().trim());

} while(a == 0);