Proses Sinkronisasi

1
Proses Sinkronisasi
2
Pembahasan

• Background
• Problem Critical-Section
• Sinkronisasi Hardware
• Semaphore
• Problem Klasik Sinkronisasi
• Monitor

3
Background

• Akses secara bersamaan pada data yang di-sharing
  mengakibatkan data menjadi inkonsistensi
• Maintain data yang konsisten membutuhkan
  mekanisme untuk memastikan bahwa eksekusi proses
  dari cooperating proses dilakukan secara
  berurutan
• Shared-memory solution to bounded-butter problem
  (Chapter 4) allows at most n 1 items in buffer
  at the same time. A solution, where all N
  buffers are used is not simple.
• Solusi shared-memory pada problem bounded-buffer
  (Consumer-Producer) memungkinkan paling banyak
  n-1 item dalam buffer pada waktu yang sama.
• Misal kita memodifikasi code producer-consumer
  dengan menambahkan variabel counter,
  diinisialisasi 0 dan di-increment setiap ada item
  baru yang ditambahkan ke dalam buffer

4
Bounded-Buffer (1)

• Shared data
• define BUFFER_SIZE 10
• typedef struct
• . . .
• item
• item bufferBUFFER_SIZE
• int in 0
• int out 0
• int counter 0

5
Bounded-Buffer (2)

• Producer process
• item nextProduced
• while (1)
• while (counter BUFFER_SIZE)
• / do nothing /
• bufferin nextProduced
• in (in 1) BUFFER_SIZE
• counter

6
Bounded-Buffer (3)

• Consumer process
• item nextConsumed
• while (1)
• while (counter 0)
• / do nothing /
• nextConsumed bufferout
• out (out 1) BUFFER_SIZE
• counter--

7
Bounded-Buffer (4)

• Statement countercounter--dijalankan
  secara atomic.
• Operasi atomic adalah operasi yang menyelesaikan
  program didalamnya tanpa interupsi.

8
Bounded-Buffer (5)

• Statement count diimplementasikan dalam
  bahasa mesin register1 counter
• register1 register1 1counter register1
• Statement count-- diimplementasikan dalam
  bahasa mesin
• register2 counterregister2 register2
  1counter register2

9
Bounded-Buffer (6)

• If both the producer and consumer attempt to
  update the buffer concurrently, the assembly
  language statements may get interleaved.
• Interleaving depends upon how the producer and
  consumer processes are scheduled.

10
Bounded-Buffer (7)

• Misal counter diinisialisasi 5. Interleaving
  statemen adalah producer register1 counter
  (register1 5)producer register1 register1
  1 (register1 6)consumer register2
  counter (register2 5)consumer register2
  register2 1 (register2 4)producer counter
  register1 (counter 6)consumer counter
  register2 (counter 4)
• Nilai counter bisa 4 atau 6, dimana seharusnya
  adalah 5.

11
Race Condition (1)

• Race condition adalah situasi dimana beberapa
  proses mengakses dan memanipulasi data bersama
  pada saat yang bersamaan. Nilai akhir dari data
  bersama tersebut tergantung pada proses yang
  terakhir selesai.
• Untuk mencegah race condition proses-proses yang
  berjalan bersamaan harus disinkronisasi
  (synchronized).

12
Contoh Print Spooler

• Ketika sebuah proses ingin mencetak sebuah berkas
  (file), proses tersebut memasukkan nama berkas ke
  dalam spooler direktori khusus. Proses lain,
  printer daemon, secara periodik memeriksa untuk
  mengetahui jika ada banyak berkas yang akan
  dicetak, dan jika ada berkas yang sudah dicetak
  dihilangkan nama berkasnya dari direktori.
• Out penunjuk berkas berikutnya untuk dicetak
• In menunjuk slot kosong di direktori

13
Race Condition (2)
14
Problem Critical-Section

• Bagian dari program dimana shared memory diakses
  disebut critical section atau critical region
• n proses berkompetisi untuk menggunakan shared
  data
• Masing-masing memiliki code segment, dinamakan
  critical section dimana shared data diakses
• Problem bagaimana memastikan satu proses
  dieksekusi dalam critical section, dan tidak ada
  proses lain yang boleh dieksekusi dalam critical
  section tersebut

15
Solusi Problem Critical-Section (1)

• 4 kondisi solusi yang baik
• Tidak ada dua proses secara bersamaan masuk ke
  dalam critical section
• Tidak ada asumsi mengenai kecepatan atau jumlah
  CPU
• Tidak ada proses yang berjalan di luar critical
  section yang dapat mem-blok proses lain
• Tidak ada proses yang menunggu selamanya untuk
  masuk critical section

16
Solusi Problem Critical-Section (2)

• Mutual Exclusion. Jika proses Pi dieksekusi dalam
  critical section, maka tidak ada proses lain
  dapat dieksekusi dalam critical section tersebut.
• Progress. Artinya ketika tidak ada proses yang
  menggunakan critical section dan ada
  proses-proses yang ingin menggunakan critical
  section tersebut, maka harus ada proses yang
  menggunakan critical section tersebut.
• Bounded Waiting. Maksud dari Bounded Waiting
  adalah setiap proses yang menunggu menggunakan
  critical section, maka proses-proses yang
  menunggu tersebut dijamin suatu saat akan
  menggunakan critical section. Dijamin tidak ada
  thread yang mengalami starvation proses
  seolah-olah berhenti, menunggu request akses ke
  critical section diperbolehkan.

17
Komponen Critical Section

• Entry section kode yang digunakan untuk masuk
  ke dalam critical section.
• Critical section kode dimana hanya ada satu
  proses yang dapat dieksekusi dalam satu waktu.
• Exit section akhir dari critical section,
  mengijinkan proses lain.
• Remainder section kode istirahat setelah masuk
  ke critical section.

18
Aturan Critical-Section

• Solusi yang diberikan harus memenuhi permintaan
  berikut
• Mutual exclusion
• Deadlock free
• Starvation free

19
Critical Region
20
Pendekatan Solusi Proses Sinkronisasi

• Solusi Software
• Tanpa sinkronisasi
• Dengan sinkronisasi
• Low-level primitif semaphore
• High-level primitif monitors
• Solusi Hardware

21
Mutual Exclusion

• Tiga kondisi untuk menentukan mutual exclusion
• Tidak ada dua proses yang pada saat bersamaan
  berada dalam critical region
• Tidak ada proses yang berjalan diluar critical
  region yang bisa menghambat proses lain
• Tidak ada proses yang tidak bisa masuk ke
  critical region

22
Cara Pemecahan Masalah

• Hanya dua proses , P0 and P1
• Struktur umum dari proses adalah Pi (proses lain
  Pj)
• do
• entry section
• critical section
• exit section
• reminder section
• while (1)
• Proses-proses dapat share variabel untuk
  sinkronisasi

23
Algoritma 1

• Shared variabel
• int turninitially turn 0
• turn i ? Pi dapat masuk ke dalam critical
  section
• Process Pi
• do
• while (turn ! i)
• critical section
• turn j
• reminder section
• while (1)
• Memenuhi mutual exclusion, tapi tidak menuhi
  progres

24
Algoritma 2 (1)

• Menggunakan flag untuk setiap proses dan
  memeriksa flag proses yang lain dan tidak akan
  masuk critical section bila ada proses lain yang
  sedang masuk.

25
Algoritma 2 (2)

• Shared variabel
• boolean flag2initially flag 0 flag 1
  false.
• flag i true ? Pi siap untuk masuk ke dalam
  critical section
• Process Pi
• do
• flagi true while (flagj)
  critical section
• flag i false
• remainder section
• while (1)
• Memenuhi mutual exclusion, tapi tidak menuhi
  progres

26
Algoritma 3 (1)

• Flag untuk meminta ijin masuk
• Setiap proses menge-set sebuah flag untuk meminta
  ijin masuk. Lalu setiap proses men-toggle bit
  untuk mengijinkan proses yang lain untuk yang
  pertama
• Kombinasi shared variabel algoritma 1 2

27
Algoritma 3 (2)

• Process Pi
• do
• flag i true turn j while (flag j
  and turn j)
• critical section
• flag i false
• remainder section
• while (1)
• Memenuhi ketiga persyaratan, memecahkan masalah
  critical-section untuk kedua proses.

28
Algoritma Bakery (1)
Critical section untu n proses

• Sebelum masuk ke dalam critical section, proses
  menerima sebuah nomor. Pemegang nomor yang
  terkecil masuk ke critical section.
• Jika ada dua proses atau lebih (Pi and Pj)
  menerima nomor sama, maka proses dengan indeks
  terkecil (i lt j) yang dilayani lebih dulu untuk
  masuk ke critical section. Misal Pi dilayani
  lebih dulu, baru kemudian Pj.
• Skema penomoran selalu naik secara berurut,
  contoh 1,2,3,3,3,3,4,5...

29
Algoritma Bakery (2)

• Shared data
• boolean choosingn
• int numbern
• Struktur data masing-masing diinisialisai false
  dan 0.

30
Algoritma Bakery (3)

• Algoritma
• do
• choosingi true
• numberi max(number0, number1, , number
  n 1)1
• choosingi false
• for (j 0 j lt n j)
• while (choosingj)
• while ((numberj ! 0) (numberj,j lt
  numberi,i))
• critical section
• numberi 0
• remainder section
• while (1)

31
Sinkronisasi Hardware

• Disabling Interrupt hanya untuk uniprosesor
  saja
• Atomic test and set mengembalikan parameter dan
  menge-set parameter ke atomic
• Test and modify the content of a word atomically
• boolean TestAndSet(boolean target)
• boolean rv target
• tqrget true
• return rv

32
Semaphore (1)

• Semaphore adalah pendekatan yang diajukan oleh
  Djikstra
• Prinsipnya dua proses atau lebih dapat
  bekerjasama dengan menggunakan penanda-penanda
  sederhana.
• Variabel khusus untuk penanda disebut semaphore

33
Semaphore (2)

• Sifat-sifat semaphore
• Dapat diinisialisasi dengan nilai non-negatif
• Terdapat dua operasi Down (Wait) dan Up
  (Signal)
• Operasi Down dan Up adalah atomic, tak dapat
  diinterupsi sebelum diselesaikan.

34
Semaphore Operasi Down (Wait)

• Operasi ini menurunkan menilai semaphore
• Jika nilai semaphore menjadi non-positif maka
  proses yang mengeksekusinya di-block

35
Semaphore Operasi Up (Signal)

• Operasi ini menaikkan menilai semaphore
• Jika satu proses atau lebih di-block pada
  semaphore tidak dapat menyelesaikan operasi Down,
  maka salah satu dipilih oleh sistem dan
  menyelesaikan operasi Down-nya. Pemilihan proses
  dilakukan secara acak.

36
Definisi Klasik Wait Signal

• Wait(S)
• while S lt 0 do noop / busy wait! /
• S S 1 / S gt 0 /
• Signal (S)
• S S 1

37
Implementasi Blocking pada Semaphore

• Semaphore S memiliki nilai (S.val), dan suatu
  thread list (S.list).
• Wait (S) / Down(S)
• S.val S.val - 1
• If S.val lt 0 / negative value of S.val /
• add calling thread to S.list /
  is waiting threads /
• block / sleep /
• Signal (S) / Up(S)
• S.val S.val 1
• If S.val lt 0
• remove a thread T from S.list
• wakeup (T)

38
Problem Klasik pada Sinkronisasi

• Ada tiga hal yang selalu menjadi masalah pada
  sinkronisasi
• Problem Bounded Buffer
• Problem Dining Philosopher
• Problem Sleeping Barber
• Problem Readers and Writers

39
Problem Bounded Buffer

• Permasalahan bagaimana jika dua proses berbeda,
  yaitu produsen dan konsumen, berusaha mengakses
  buffer tersebut dalam waktu bersamaan.

• Producer and consumer
• are separate threads

40
Is this a valid solution?
0
n-1
Global variables char bufn int InP 0
// place to add int OutP 0 // place to
get int count
1
2

41
Solusi Menggunakan Semaphore
Global variables semaphore full_buffs 0
semaphore empty_buffs n char buffn int
InP, OutP

• 0 thread producer
• while(1)
• // Produce char c...
• down(empty_buffs)
• bufInP c
• InP InP 1 mod n
• up(full_buffs)
• 7
• 8

42
Problem Dining Philosophers

• Lima filosof duduk dalam satu meja
• Satu garpu terletak diantara masing-masing
  filosof
• Saat makan membutuhkan 2 garpu
• Bagaimana mencegah deadlock ?

Each philosopher is modeled with a thread
while(TRUE) Think() Grab first fork
Grab second fork Eat() Put down first
fork Put down second fork
43
Is this a valid solution?
define N 5 Philosopher() while(TRUE)
Think() take_fork(i) take_fork((i1)
N) Eat() put_fork(i)
put_fork((i1) N)
44
Procedure Mengambil Garpu
// only called with mutex set! test(int i) if
(statei HUNGRY stateLEFT ! EATING
stateRIGHT ! EATING) statei
EATING signal(semi)
int stateN semaphore mutex 1 semaphore semi
take_forks(int i) wait(mutex) state i
HUNGRY test(i) signal(mutex)
wait(semi)
45
Procedure Meletakkan Garpu
// only called with mutex set! test(int i) if
(statei HUNGRY stateLEFT ! EATING
stateRIGHT ! EATING) statei
EATING signal(semi)
int stateN semaphore mutex 1 semaphore semi
put_forks(int i) wait(mutex) state i
THINKING test(LEFT) test(RIGHT)
signal(mutex)
46
Problem Sleeping Barber (1)
47
Problem Sleeping Barber (2)

• Barber
• Ketika ada orang yang menunggu untuk potong
  rambut, letakkan satu orang ke kursi, dan
  memotong rambut
• Jika sudah selesai, pindah ke pelanggan
  berikutnya
• Jika tidak ada pelanggan maka tidur, sampai ada
  pelanggan yang datang
• Customer
• Jika tukang potong rambut tidur, bangunkan barber
• Jika ada orang yang sedang potong rambut, tunggu
  barber dengan duduk di kursi tunggu
• Jika kursi tunggu penuh, tinggalkan toko

48
Design Solusi

• Bagaimana kita memodelkan barber dan customer ?
• What state variables do we need?
• Variabel keadaan seperti apa yang kita butuhkan ?
• .. dan yang mana di-share ?
• . dan bagaimana kita akan memproteksinya ?
• Bagaimana membuat barber tidur ?
• Bagaimana membuat barber bangun ?
• Bagaimana membuat customer menunggu ?
• What problems do we need to look out for?

49
Is this a good solution?
const CHAIRS 5 var customers Semaphore
barbers Semaphore lock Mutex
numWaiting int 0
Customer Thread Lock(lock) if numWaiting lt
CHAIRS numWaiting numWaiting1
Signal(customers) Unlock(lock)
Wait(barbers) GetHaircut() else -- give up
go home Unlock(lock) endIf
Barber Thread while true Wait(customers)
Lock(lock) numWaiting numWaiting-1
Signal(barbers) Unlock(lock) CutHair()
endWhile
50
Problem Readers and Writers

• Banyak reader dan writer ingin mengakses suatu
  database yang sama (masing-masing satu thread)
• Banyak reader dapat diproses secara bersamaan
• Writer harus di-sinkronisasi dengan reader dan
  writer yang lain
• Hanya satu writer pada satu waktu !
• Ketika seseorang ingin menulis, harus tidak ada
  reader !
• Tujuan
• Memaksimumkan concurrency.
• Mencegah starvation.

51
Design Solusi

• Bagaimana membuat model readers dan writers ?
• Bagaimana variabel keadaan yang kita perlukan ?
• .. dan yang mana di-share ?
• . dan bagaimana kita akan memproteksinya ?
• Bagaimana membuat writers menunggu ?
• Bagaimana membuat writer bangun ?
• Bagaimana membuat readers menunggu ?
• Bagaimana membuat readers bangun ?

52
Is this a valid solution to readers writers?
Reader Thread while true Lock(mut) rc
rc 1 if rc 1 Wait(db) endIf
Unlock(mut) ... Read shared data...
Lock(mut) rc rc - 1 if rc 0
Signal(db) endIf Unlock(mut) ...
Remainder Section... endWhile
var mut Mutex unlocked db Semaphore 1
rc int 0
Writer Thread while true ...Remainder
Section... Wait(db) ...Write shared
data... Signal(db) endWhile
53
SEKIAN ...