Xem mẫu
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
LỜI CẢM ƠN
Đồ Án
Em xin tỏ lòng cảm ơn tới các thầy cô giáo là cán bộ giảng dạy của khoa Công nghệ
Thông tin- Trƣờng Đại học Bách khoa. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
thầy giáo Nguyễn Võ Quang Đông, là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành đề tài
này.
Do thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, kính mong đƣợc sự góp ý của các
thầy cô để đề tài trở nên hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Viết chƣơng trình mô
Đà Nẵng, 12/2007
SVTH: Trần Văn Trung
Lớp : 03T3
phỏng các giải thuật
định thời
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :1
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. 1
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................ 3
Chƣơng I : Tổng quan về đề tài ...................................................................................... 4
1. Giới thiệu sơ lƣợc về đề tài ................................................................................................. 4
2. Mục tiêu đề tài ..................................................................................................................... 4
2. Hƣớng giải quyết ................................................................................................................. 4
Chƣơng II. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................. 5
1. Định nghĩa hệ điều hành...................................................................................................... 5
2. Các chức năng chính của hệ điều hành ............................................................................... 5
a.Quản lý, chia sẻ tài nguyên............................................................................................... 6
b. Giả lập một máy tính ...................................................................................................... 6
3. Các chiến lƣợc điều phối ..................................................................................................... 6
a. Chiến lƣợc FIFO .............................................................................................................. 6
b.Chiến lƣợc xoay vòng ( Round Robin ) ........................................................................... 6
c. Chiến lƣợc công việc ngắn nhất ( Shotrtest job first-SJF ) ............................................ 6
1. Định nghĩa tiến trình ........................................................................................................... 7
b. Khối điều khiển tiến trình( Process Control Block) ........................................................ 8
c. Thực hiện tuần tự ............................................................................................................. 8
+ Thực hiện song song ........................................................................................................ 8
III. Phân loại tiến trình song song ......................................................................................... 10
1.Độc lập ............................................................................................................................... 10
2.Quan hệ thông tin ............................................................................................................... 10
3.Loại song song phân cấp .................................................................................................... 11
4.Tiến trình đồng mức song song .......................................................................................... 12
Chƣơng III: Phân tích và thiết kế hệ thống ............................................................................. 14
1.Tài nguyên găng và đoạn găng ........................................................................................... 14
2.Phƣơng pháp khoá trong .................................................................................................... 15
3. Phƣơng pháp Kiểm tra và Xác lập (Test and Set) ............................................................. 19
4. Kỹ thuật đèn báo ............................................................................................................... 20
5. Cài đặt -Triển khai chƣơng trình ....................................................................................... 22
a. Sơ đồ thuật toán ............................................................................................................. 22
b. Kết quả chƣơng trình ..................................................................................................... 23
Chƣơng IV KẾT LUẬN .................................................................................. 26
1.Ƣu điểm: ............................................................................................................................. 26
2.Khuyết điểm ....................................................................................................................... 26
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................... 27
1. Giớ thiệu ............................................................................................................................ 27
2. Chiến lƣợc SJF .................................................................................................................. 29
3. Chiến lƣợc RR ................................................................................................................... 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 35
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN.................................................................................................... 36
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :2
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống ngày nay và trong tƣơng lai, tin học trở thành một phần không thể
thiếu. Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin đóng góp một phần không nhỏ vào việc
nâng cao năng suất, hiệu quả cho sự phát triển cho các ngành khác nhau của xã hội.
Tại nƣớc ta, một đất nƣớc mà tin học mới bắt đầu phát triển, cũng đã đạt đƣợc nhiều
thành tựu trong lĩnh vực ứng dụng tại các ngành giáo dục và đào tạo, quân sự, địa
chính,…
Trong vòng bốn thập kỷ lại đây, hệ điều hành dã có những bƣớc phát triển đáng kể
bởi do hai lý do sau:
+ Đó là hệ điều khiển các hoạt động bên trong các máy tính điện tử xuất phát từ yêu cầu
của các nhà tin học và cũng do các chuyên gia cao cấp của ngành tin học lập trình nên.
+ Đó là hệ thống đầu tiên kể từ khi phần cứng đƣợc hình thành tạo điề u kiện thuận lợi
cho ngƣời sử dụng trong việc phát triển và thực hiện các chƣơng trình máy tính của mình.
Hệ điều hành có hai chức năng chính là:
Quản lý và chia sẻ tài nguyên
1.
Giả lập một máy tính mở rộng.
2.
Và 7 thành phần của hệ điều hành là:
Quản lý tiến trình
1.
Quản lý bộ nhớ chính
2.
Quản lý nhập xuất
3.
Quản lý tập tin
4.
Hệ thống bảo vệ
5.
Quản lý mạng
6.
Hệ thống dịch lệnh
7.
Đồ án này em xin trình bày Viết chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
FIFO, SJF, RR,… nói về cách hoạt động của các tiến trình trong hệ điều hành.
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :3
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Chƣơng I : Tổng quan về đề tài
1. Giới thiệu sơ lƣợc về đề tài
Với đề tài viết chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời FIFO, RR, SJF,
HRRN, MLFQ. Trình bày quá trình hoạt động của các tiến trình trong CPU, các trạng
thái của hệ thống và việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác đƣợc thực hiện
theo một quá trình nào đó.
2. Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu và nghiên cứu sự giao tiếp giữa các tiến trình, làm thế
nào để phân chia công việc cho các tiến trình chạy trong hệ điều hành. Viết chƣơng trình
mô phỏng giải thuật FIFO, RR, SJF, HRRN, MLFQ nói lên nguyên tắc hoạt động của
giải thuật này và nêu lên sự khác nhau giửa các gải thuật.
Giới thiệu hệ điều hành nêu lên định nghĩa, chức năng của hệ điều hành.
2. Hƣớng giải quyết
Vì giới hạn về kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm trong việc tìm hiểu hệ điều hành và
thời gian hạn chế, nên em chỉ đi sâu tìm hiểu đƣợc một số giải thuật.
Trong đề tài này em sử dụng ngôn ngữ C để cài đặt chƣơng trình minh hoạ.
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :4
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Chƣơng II. Cơ sở lý thuyết
I. Hệ điều hành
Xét về phƣơng diện chức năng, các chƣơng trình máy tính có thể chia thành hai nhóm
chính, đó là:
- Các chƣơng trình cơ sở trợ giúp việc điều hành các máy tính.
- Các chƣơng trình ứng dụng giải quyết các bài toán trong thực tiễn.
1. Định nghĩa hệ điều hành
Hệ điều hành (HĐH) là một phần quan trọng của mõi hệ thống thông tin. Mõi hệ
thống thông tin gồm 4 thành phần quan trọng: Phần cứng, hệ điều hành, chƣơng trình ứng
dụng và ngƣời sử dụng.
Phần cứng: Gồm CPU, bộ nhớ, thiết bị vào ra cung cấp các tài nguyên thông tin cơ sở.
Các chƣơng trình ứng dụng: Gồm chƣơng trình dịch, hệ thống cơ sở dữ liệu, trình
soạn thảo văn bản,… quy định cách sử dụng các tài nguyên đó để giả quyết những vấn đề
của ngƣời sử dụng.
Hệ điều hành: Điều khiển và đồng bộ việc sử dụng phần cứng của các chƣơng trình
ứng dụng phục vụ các ngƣời sử dụng khác nhau với các mục đích phong phú đa dạng.
Ngƣời sử dụng: Hiểu theo nghĩa rộng bao gồm những ngƣời sử dụng thuần tuý và các
cán bộ vận hành đặc biệt đối với các máy trung và các máy lớn.
Ta có thể hiểu hệ điều hành là hệ thống các chƣơng trình đảm bảo các chức năng giao
tiếp ngƣời máy và và quản lý tài nguyên hệ thống tính toán.
Tuy nhiên có nhiều ngƣời quan sát HĐH dƣới các góc độ khác nhau vì thế tồn tại
nhiều định nghĩa về HĐH.
Đối với ngƣời sử dụng : HĐH là tập hợp các chƣơng trình, phục vụ khai thác hệ thống
tính toán một cách dễ dàng, thuận tiện.
Ngƣời sử dụng khi thực hiện một chƣơng trình nào đó trên máy tính thì chỉ quan tâm
đến việc hệ thống có đáp ứng đƣợc nhu cầu của hộ hay không? Họ không quan tâm đến
việc hệ điều hành làm nhƣ thế nào, nhằm mục đích gì, có cấu trúc nhƣ thế nào?
Đối với ngƣời làm công tác quản lý: HĐH là một tập các chƣơng trình phục vụ quản
lý chặt chẽ và sử dụng tối ƣu các tài nguyên của hệ thống.
Đối với cán bộ kỹ thuật: HĐH là hệ thống chƣơng trình bao trùm lên một máy tính vật
lý cụ thể để tạo ra một máy logic với những tài nguyên mới và khả năng mới.
2. Các chức năng chính của hệ điều hành
Hệ điều hành là một chƣơng trình đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa
ngƣời sử dụng và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của hệ điều hành là cung cấp một
môi trƣờng cho phép ngƣời sử dụng phát triển và thực hiện các ứng dụng của họ một
cách dễ dàng và hiệu quả. Theo nguyên tắc, một hệ điều hành cần thoả mãn hai chức
năng sau:
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :5
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
a .Quản lý, chia sẻ tài nguyên.
Tài nguyên hệ thống, đặc biệt các tài nguyên phầ cứng nhƣ CPU, bộ nhớ, thiết bị
ngoại vi,.. hệ điều hành cần có các cơ chế và chiến lƣợc thích hợp để quản lý việc phân
phối tài nguyên.
b. Giả lập một máy tính
Chức năng thứ hai của hệ điều hành là che dấu các chi tiết phần cứng của máy tính và
giới thiệu với ngƣời dùng một máy tính mở rộng có đầy đủ các chức năng của máy tính.
Với đề tài Viết chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời trình bày về quá
trình hoạt động của các tiến trình trong CPU, các trạng thái của hệ thống tính toán và việc
chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác đƣợc thực hiện theo một chƣơng trình nào
đó.
Đã có nhiều chƣơng trình nghiên cứu đề tài này và ứng dụng trong cuộc sống và nó có
những ƣu và khuyết điểm cố định
+ Ƣu điểm : Đã đƣa ra đƣợc cách xử lý của các tiến trình
Chƣơng trình đơn giản,
+ Khuyết điểm : Chƣa nêu rõ việc tập hợp điều phối giữa các tiến trình
Hƣớng nghiên cứu giới thiệu
3. Các chiến lƣợc điều phối
a. Chiến lược FIFO
Nguyên tắc: CPU đƣợc cấp phát cho tiến trình đầu tiên trong danh sách sẵn sàng có
yêu cầu, là tiến trình đƣợc đƣa vào hệ thống sớm nhất. Đây là một thuật toán điều phối
theo nguyên tắc độc quyền. Một khi CPU đƣợc cấp phát cho tiến trình, CPU chỉ đƣợc
tiến trình tự nguyện giải phóng khi kết thúc xử lí hay khi có một yêu cầu xuất/ nhập.
Chiến lƣợc này thì thời gian chờ trung bình không đạt cực tiểu và biến đổi đáng kể đối
với các giá trị về thời gian yêu cầu xử lí và thứ tự khác nhau của cácd tiến trình trong
danh sách sẵn sàng. Cá thể xảy ra hiện tƣợng tích luỹ thời gian chờ, khi tất cả các tiến
trình phảI chờ đợi một tiến trình có yêu cầc thời gian dài kết thúc xử lí .
Giải thuật này đặc biệt không phù hợp với các hệ phân chia thời gian, trong các hệ này,
cần cho phếp mỗi tiến trình đƣợc cấp phát CPU đều đặn trong từng khoảng thời gian.
b.Chiến lược xoay vòng ( Round Robin )
Nguyên tắc: Danh sách sẵn sàng đƣợc xử lí nhƣ một danh sách vòng, bộ điều phối lần
lƣợt cấp phát cho từng tiến trình trong danh sách một khoảng thời gian sử dụng CPU đến
hết thời gian quantum dành cho nó, hệ điều hành thu hồi và cấp phát cho quá trình kế tiếp
trong danh sách. Nếu tiến trình bị khoá hay kết thúc trƣớc khi sử dụng hết thời gian
quantum, hệ điều hành cũng lập tức cấp phát CPU cho tiến trình khác. Khi tiến tình tiêu
thụ hết thời gian CPU cấp phát dành cho nó mà chƣa hoàn tất, tiến trình đƣợc đƣa trở lại
vào cuối danh sách sẵn sàng để đƣợc cấp CPU trong lƣợt kế tiếp.
Vấn đề quan tâm đối với giả thuật RR là độ dài quantum quá bé sẽ phát sinh quá
nhiều sự chuyển đổi giữa các tiến trình và khiến cho việc sử dụng quantum quá lớn sẽ
làm tăng thời gian hỏi đáp và giảm khả năng tƣơng tác của hệ thống.
c. Chiến lược công việc ngắn nhất ( Shotrtest job first-SJF )
Nguyên tắc: Đây là một trƣờng hợp đặp biệt của giải thuật điều phối với độ ƣu tiên p
đƣợc gán cho mỗi tiến trình là mỗi tiến trình là nghịch đảo của thời gian xử lí mà tiến
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :6
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
trình yêu cầu: p=1/t. Khi CPU đƣợc tự do thì nó sẽ đƣợc cấp phát cho tiến trình yêu cầu
ít thời gian nhất để kết thúc tiến trình ngắn nhất. Giải thuật này cũng có khả năng độc
quyền hay không độc quyền. Sự lựa chọn xảy ra khi có một tiến trình mới đƣa vào danh
sách sẵn sàng trong khi một tiến trình khác đang xử lí. Tiến trình mới có thể sở hữu một
yêu cầu thời gian sử dụng CPU cho lần tiếp theo ngắn hơn thời gian còn lại mà tiến trình
hiện hành cần xử lí. GiảI thuật SJF không độc quyền sẽ dừng họat động của tiến trình
hiện hành, trong khi giải thuật độc quyền sẽ cho phép tiến trình hiện hành tiếp tục xử lí.
Giải thụât này cho phép đạt đƣợc thời gian chờ trung bình cực tiểu. Khó khăn thực sự
của giải thuật SJF là không thể biết đƣợc thời gian xử lí lần thứ n, t n+1 là giá trị dự đoán
cho lần xử lí tiếp theo. Với hy vọng gia trị dữ đoán sẽ giống với các giá trị trƣớc đó, có
thể sử dụng công thức:
Tn+1 = α tn+1(1-α)tn
Trong đó tn+1 chứa đựng thông tin gần nhất, tn chứa đựng các thông tin quá khứ đƣợc
tích luỹ, tham số ỏ kiểm soát trọng số hiện tại gần hay quá khứ ảnh hƣởng đến công thức
dữ toán.
II. Định nghĩa tiến trình
1. Định nghĩa tiến trình
Tất cả các máy tính hiện đại đều có thể thực hiện nhiều việc cùng một lúc. Trong khi
thực hiện chƣơng trình của ngƣời sử dụng, máy tính có thể đọc dữ liệu từ đĩa và đƣa ra
màn hình hoặc máy in. Trong môi trƣờng đa chƣơng trình ( multiprogramming system ),
một CPU có thể chuyển từ chƣơng trình này sang chƣơng trình khác, thực hiện mỗi
chƣơng trình trong khoảng 1% hoặc 1/10 mili giây. Nếu nói chính xác, thì tại một thời
điểm, CPU chỉ thực hiện đƣợc một chƣơng trình. Nhƣng nếu xét trong khoảng thời gian
phần trăm giây thì CPU có thể thực hiện nhiều công việc.
Định nghĩa
Tiến trình là một dãy các trạng thái của hệ thống tính toán và việc chuyển từ trạng thái
này sang trạng thái khác đƣợc thực hiện theo 1 chƣơng trình nào đó.
… sn-1 …
s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 sn sn+1
Các trạng thái này không nhất thiết phải liên tiếp nhau.
+ Nếu chƣơng trình của hệ thống thì cho ta tiến trình hệ thống
+ Nếu chƣơng trình của ngƣời sử dụng thì cho ta tiến trình là chƣơng trình đang đƣợc
thực hiện
Hiểu một cách thông thƣờng ta có thể coi tiến trình là một chƣơng trình đang
đƣợc thực hiện.
Ví dụ
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :7
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Khëi t¹o KÕt thóc
ng¾t
®-îc chÊp nhËn tho¸t
S½n sµng Thùc hiÖn
®iÒu phèi
kÕt thóc mét sù kiÖn hoÆc mét chê ®îi mét sù kiÖn hoÆc mét
tÝn hiÖu vµo/ra tÝn hiÖu vµo/ra
Chê ®îi
+ Khởi tạo: Tiến trình đang đƣợc tạo ra
+ Sẵn sang: Tiến trình chờ để kết nối vào Processor.
+ Thực hiện: Các lệnh đang đƣợc thực hiện.
+ Chờ đợi: Tiến trình chờ một sự kiện vào/ra hoặc chờ nhận một tín hiệu nào đó
+ Kết thúc: Tiến trình kết thúc thực hiện.
b. Khối điều khiển tiến trình( Process Control Block)
Mỗi tiến trình đƣợc biểu diễn trong hệ điều hành bởi một khối điều khiển tiến trình
gồm có
+ Trạng thái tiến trình.
+ Lệnh máy: máy tính chỉ ra địa chỉ lệnh máy đầu tiên trong tiến trình.
Bộ thanh ghi.
+ Thông tin về lịch trong bộ điều khiểu CPU: bao gồm thứ tự ƣu tiên của tiến trình,
các tham số để lập lịch.
+ Thông tin về bộ nhớ.
+ Thông tin tính toán: gồm thời gian chiếm giữ processor, thời gian thực tế, giới hạn
về thời gian, số lƣợng công việc.
Thông tin trạng thái các cổng vào/ra.
c. Thực hiện tuần tự
Khi hệ thống kết thúc một tiến trình thì hệ thống mới chuyển sang tiến trình khác.
Thực hiện tuần tự không phải là đối tƣợng nghiên cứu của chúng ta.
+ Thực hiện song song
Hai tiến trình đƣợc gọi là song song nếu thời điểm bắt đầu của một tiến trình nằm giữa
thời điểm bắt đầu và kết thúc của tiến trình kia.
Tiến trình 1
Bắt đầu Kết thúc
Tiến trình 2
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :8
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Bắt đầu
Thực hiện song song vật lý: cùng một thời điểm 2 tiến trình cùng đƣợc thực hiện.
Các điểm cần chú ý:
+ Loại này chỉ có thể thực hiện ở trong chế độ nhiều processor.
+ Hai tiến trình song song vật lý có thể sử dụng song song thiết bị ngoại vi và processor
do đó cách làm việc của hệ thống hoàn toàn khác so với chế độ đơn processor.
Thực hiện song song đan xen
Để nâng cao hiệu quả của processor, các tiến trình lần lƣợt đƣợc phục vụ đan xen lẫn
nhau.
B
A C
C
B
A
TiÕn tr×nh
Thêi gian
A HÖ ®iÒu hµnh B
Ngắt hoặc lời gọi hệ thống
Cất giữ trạng thái trong PCBA
NghØ
Khôi phục trạng thái từ PCBB
Hoạt động
NghØ
Ngắt hoặc lời gọi hệ thống đ ộ ng
Cất giữ trạng thái trong PCBB
NghØ
Khôi phục trạng thái từ PCBA
Ho¹t ®éng
Sự thay đổi thực hiện tiến trình
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :9
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
III. Phân loại tiến trình song song
1.Độc lập
Hai tiến trình song song đƣợc thực hiện riêng rẽ không có quan hệ với nhau.
A1 B1
A2 B2
… …
An Bm
Hệ thống phải có cơ chế bảo vệ để tiến trình này không làm ảnh hƣởng đến tiến trình
khác.
2.Quan hệ thông tin
Hai tiến trình A và B đƣợc gọi là có quan hệ thông tin với nhau nếu tiến trình này có
gửi thông báo cho tiến trình kia. Tiến trình gửi thông báo có thể không cần biết tiến trình
nhận có tồn tại hay không? ở đâu? và đang ở giai đoạn nào?
A1 B1
Information
A2 B2
Information
… …
An Bm
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :10
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Các phƣơng pháp tổ chức lƣu trữ các thông báo:
Sử dụng bộ nhớ
Hệ thống sẽ sử dụng một phần bộ nhớ để lƣu trữ các thông báo. Mỗi tiến trình cần
nhận thông báo chỉ việc rà soát trong “ hòm thƣ ” của hệ thống.
Ƣu điểm: lƣu trữ đƣợc lƣợng thông tin lớn với thời gian lƣu trữ lâu.
Nhƣợc điểm: tính thụ động cao.
Gửi thông báo qua cổng vào/ra
+Ƣu điểm: các tiến trình có thể dễ dàng lấy thông tin từ cổng mà không bị hàng rào
bộ nhớ ngăn cản.
+ Nhƣợc điểm: dung lƣợng thông tin chứa ở các cổng không lớn, thời gian lƣu trữ
thông báo bị hạn chế.
Sử dụng chƣơng trình thƣ ký (Monitor)
Chƣơng trình thƣ ký (Monitor) là chƣơng trình của hệ thống, nó đƣợc cung cấp mọi
thông tin nhƣng không có khả năng điều khiển hệ thống. Thông qua chƣơng trình này,
tiến trình có thể dễ dàng xác định đƣợc tiến trình kia ở đâu.
+ Ƣu điểm: Tính chủ động cao.
3.Loại song song phân cấp
Là loại tiến trình mà trong quá trình hoạt động nó sản sinh ra một tiến trình nữa hoạt
động song song với chính nó.
A1
A2
B1
…
B2
An
…
Bm
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :11
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Khi tiến trình con đã hoạt động thì hai tiến trình này không biết gì về nhau
Tài nguyên của tiến trình con có thể lấy từ vốn tài nguyên của hệ thống hoặc lấy từ vốn
tài nguyên của tiến trình chính.
+ Nếu lấy tài nguyên từ vốn tài nguyên của hệ thống thì hệ thống có thể quản lý tài
nguyên tập chung. Nhƣ vậy sẽ tối ƣu hoá đƣợc việc sử dụng tài nguyên, nhƣng việc quản
lý này rất phức tạp.
+ Nếu tiến trình con lấy từ vốn tài nguyên của tiến trình chính thì ta có hệ quản lý tài
nguyên phân tán. Loại tài nguyên này đơn giản, nhƣng không có khả năng khai thác tối
ƣu tài nguyên hệ thống.
Trong mọi trƣờng hợp nếu tài nguyên lấy ở đâu thì phải trả về đó, vì vậy tiến trình chính
thƣờng sử dụng các lệnh chờ POS hoặc WAIT để các tiến trình con kịp trả lại tài nguyên.
4.Tiến trình đồng mức song song
Hai tiến trình đƣợc gọi là đồng mức nếu có thể sử dụng chung tài nguyên theo nguyên
tắc lần lƣợt.
A1 B1
Tài
A2 B2
Nguyên
… …
An Bm
Hai tiến trình này không phân biệt tiến trình chính và tiến trình con, mà là hai tiến
trình độc lập. Mỗi tiến trình sau khi sử dụng tài nguyên thì phải trả lại cho hệ thống và
tiếp tục hoạt động độc lập.
Ví dụ: chƣơng trình chơi cờ: Tài nguyên chung là bàn cờ. Giả sử đến lƣợt tiến trình thứ
nhất, tiến trình thứ nhất chiếm tài nguyên để chơi, khi ra quyết định xong thì trả lại bàn
cờ cho hệ thống. Tiến trình thứ hai phải kiểm tra xem tiến trình thứ nhất đã đi chƣa? nếu
xong rồi thì mới đến lƣợt nó (thực hiện nhƣ tiến trình thứ nhất).
Mô tả tiến trình song song
Ta dùng ký pháp nhân tạo
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :12
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Giả sử cần thực hiện một tập các khối lệnh song song s1, s2, … , sn
Ta đƣa vào trong một khối lệnh đƣợc bắt đầu bởi từ khoá ParBegin (Parallel Begin) và
kết thúc bởi từ khoá ParEnd (Parallel End).
ParBegin
S1;
S2;
...
Sn;
ParEnd;
…
S1 S2 Sn
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :13
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Chƣơng III: Phân tích và thiết kế hệ thống
1.Tài nguyên găng và đoạn găng
Tài nguyên găng là tài nguyên mà trong một khoảng thời gian nhất định thì chỉ phục vụ
hợp lý cho một số hữu hạn các tiến trình.
Đoạn chƣơng trình sử dụng tài nguyên găng gọi là đoạn găng hay chỗ hẹp trong tiến
trình.
Hệ điều hành phải tổ chức cho mọi tiến trình đi qua chỗ hẹp một cách hợp lý, công việc
này gọi là điều độ tiến trình qua đoạn găng.
Sự cần thiết phải điều độ
Ta xem xét ví dụ khi 2 tiến trình cùng muốn in ra máy in.
+ Khi một tiến trình cần in một tệp ra máy in, nó đƣa tên tệp vào thƣ mục spool. Một
tiến trình điều khiển in khác kiểm tra định kỳ nếu có tệp nào cần in, nếu tìm thấy thì in
tệp nó và loại tên tệp khỏi thƣ mục spool. Giả sử thƣ mục spool có số lƣợng phần tử rất
lớn (mỗi phần tử chứa một tên tệp). Ta có hai biến dùng dung là OUT để chỉ tệp tiếp theo
cần in và IN để chỉ vị trí rỗng tiếp theo dùng để chứa tên tệp cần in.
+ Ta giả sử vị trí 0 – 3 rỗng (các tệp đã đƣợc in), vị trí 4 – 6 đang bận (chứa tên tệp
cần in).
Nhƣ vậy biến OUT = 4 và IN = 7
Tiến trình A
OUT = 4
4 Abc.txt
5 Prog.doc
6 Prog.pas
IN = 7
7
Tiến trình B
+ Giả sử tiến trình A cần in một tệp a.txt, khi đó tiến trình A sẽ đọc biến IN và đƣa
vào biến cục bộ INA, nhƣ vậy INA = 7. Lúc đó có tín hiệu ngắt đồng hồ và CPU quyết
định tiến trình A đã chạy đủ thời gian và chuyển sang thực hiện tiến trình B. Đến lƣợt
mình, tiến trình B cũng muốn in tệp b.txt. Tiến trình B đọc biến IN và đƣa vào biến cục
bộ INB, nhƣ vậy INB = 7. Tiến trình B đƣa tên tệp b.txt vào vị trí thứ 7 trong thƣ mục
spool và cập nhật biến IN = INB + 1 = 8, sau đó làm các việc khác.
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :14
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
+ Khi CPU chuyển sang thực hiện tiến trình A, không may tiến trình A vẫn giữ
nguyên biến INA=7. Tiến trình A đƣa tên tệp a.txt vào vị trí thứ 7 và cập nhật biến IN =
INA + 1 = 8.
+ Tiến trình điều khiển in không đƣợc thông báo là có sự cố và tiếp tục thực hiện
nhiệm vụ.
+ Nhƣ vậy tệp b.txt đã bị đổi thành tệp a.txt và sẽ không đƣợc in ra máy in.
Các công cụ điều độ phải thoả mãn các yêu cầu sau:
+ Phải đảm bảo sao cho tiến trình không chiếm giữ tài nguyên găng vô hạn
+ Nếu có một tiến trình xếp hàng chờ tài nguyên găng thì sớm hay muộn nó phải vào
đƣợc đoạn găng của mình (đƣợc phục vụ tài nguyên găng).
+ Nếu có tiến trình xếp hàng chờ đợi tài nguyên găng và nếu tài nguyên găng đó đƣợc
giải phóng thì nó phải đƣợc phục vụ trong các tiến trình đang chờ đợi.
Các công cụ điều độ: Chia làm ba lớp chính
+ Phƣơng pháp khoá trong: là loại giải thuật không yêu cầu gì về thiết bị hoặc hệ
thống. Phƣơng pháp này có tính chất vạn năng ứng với mọi ngôn ngữ, mọi loại máy.
+ Kiểm tra và xác lập
Xác lập dựa vào thiết bị, thiết bị có những lệnh đặc biệt phục vụ cho riêng công tác điều
độ.
+Kỹ thuật đèn báo: dựa vào công cụ đặc biệt của từng hệ điều hành.
2.Phƣơng pháp khoá trong
Nguyên lý:
Dùng thêm các biến với tƣ cách là tài nguyên chung để chứa các cờ cho biết tiến trình
vào đoạn găng hay ra khỏi đoạn găng.
Giả thiết:
Có hai tiến trình song song cùng sử dụng 1 tài nguyên găng chung và khả năng phục
vụ của tài nguyên găng là 1.
Mỗi tiến trình chỉ có một đoạn găng nằm ở đầu tiến trình.
Các tiến trình này lặp vô hạn, nếu có kết thúc thì ở đâu đó ngoài đoạn găng.
Sử dụng một biến IS_USED có giá trị bằng 1 để chỉ ra tài nguyên găng đang bị một tiến
trình nào đó chiếm giữ và ngƣợc lại, khi IS_USED = 0 chỉ ra tài nguyên găng đang sẵn
sàng phục vụ. Khi một tiến trình thấy biến IS_USED = 0, nó phải đặt biến IS_USED = 1
trƣớc khi sử dụng tài nguyên găng. Tuy nhiên ta dễ dàng tiến biến IS_USED lại trở thành
tài nguyên găng. Giả sử tiến trình 1 kiểm tra thấy biến IS_USED = 0, trƣớc lúc nó đặt
biến này lên 1 thì tiến trình 2 lại kiểm tra biến này và tất nhiên khi đó biến IS_USED = 0.
Nhƣ vậy cả hai tiến trình đều vào đoạn găng và đều sử dụng tài nguyên găng. Nói cách
khác vấn đề điều độ chƣa đƣợc giải quyết
Sử dụng biến TURN để chỉ đến lƣợt tiến trình nào đƣợc sử dụng tài nguyên găng.
Sơ đồ nguyên lý
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :15
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Var turn : integer;
Begin
turn := 1;
ParBegin
{ Hai khối lệnh trong từ khoá ParBegin và ParEnd được thực
hiện song song với nhau }
TT1:
REPEAT
while (turn 1) do ;
vao_doan_gang_1; { đoạn găng của tiến trình 1 }
turn := 2; { chuyển tài nguyên găng cho tt2)
thuc_hien_viec_khac_1;
{ phần còn lại của tiến trình 1 }
UNTIL FALSE;
TT2:
REPEAT
while (turn 2) do ;
vao_doan_gang_2; { đoạn găng của tiến trình 2 }
turn := 1; { chuyển tài nguyên găng cho tt1)
thuc_hien_viec_khac_2;
{ phần còn lại của tiến trình 2 }
UNTIL FALSE;
ParEnd;
End.
Giải thích: Ban đầu TURN = 1, tức là tiến trình 1 đƣợc phép sử dụng tài nguyên găng.
Khi tiến trình 1 dùng tài nguyên găng xong thì đặt TURN = 2, để cho phép tiến trình 2 sử
dụng tài nguyên găng. Khi tiến trình 2 sử dụng xong tài nguyên găng thì lại đặt TURN =
1, để chỉ đến lƣợt tiến trình 1 sử dụng.
Tuy nhiên ta giả sử tiến trình 1 dùng xong tài nguyên găng, sau khi đặt TURN = 2
sang thực hiện thủ tục thuc_hien_viec_khac_1, thủ tục này khá ngắt, tiến trình 1 quay lại
đoạn găng. Nhƣng lúc này tiến trình 2 đang bận thực hiện các công việc khác trong thủ
tục thuc_hien_viec_khac_2. Tiến trình 2 vẫn chƣa vào đoạn găng vì vậy biến TURN vẫn
có giá trị bằng 2. Vì vậy mặc dù tài nguyên găng không đƣợc sử dụng nhƣng do TURN =
2 mà tiến trình 1 không thể sử dụng đƣợc tài nguyên găng.
Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta đƣa ra cách thức dùng hai biến c1 và c2 cho hai
tiến trình nhƣ sau:
Sơ đồ nguyên lý
Var c1,c2 : integer;
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :16
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Begin
c1 := 0;
c2 := 0;
ParBegin
{ Hai khối lệnh trong từ khoá ParBegin và ParEnd được thực
hiện song song với nhau }
TT1:
REPEAT
while (c2 > 0) do ;
c1 := 1;
vao_doan_gang_1; { đoạn găng của tiến trình 1 }
c1 := 0;
thuc_hien_viec_khac_1;
{ phần còn lại của tiến trình 1 }
UNTIL FALSE;
TT2:
REPEAT
while (c1 > 0) do ;
c2 := 1;
vao_doan_gang_2; { đoạn găng của tiến trình 2 }
c2 := 0;
thuc_hien_viec_khac_2;
{ phần còn lại của tiến trình 2 }
UNTIL FALSE;
ParEnd;
End.
Giải thích
C1 và C2 đại diện cho việc sử dụng tài nguyên găng thứ nhất và tài nguyên găng thứ hai.
Ban đầu cả hai biến đều có giá trị bằng 0 thể hiện tài nguyên găng đang ở trạng thái
sẵn sàng phục vụ.
Giả sử tiến trình 1 đƣợc phục vụ trƣớc, tiến trình 1 bỏ qua việc chờ đợi
while (c2 > 0) do ;
và chiếm lấy tài nguyên găng đồng thời đặt C1 = 1;
C1 = 1 có nghĩa là tiến trình 1 đang sử dụng tài nguyên găn g. Trong lúc tài nguyên
găng đang bị tiến trình 1 chiếm giữ thì tiến trình 2 phải chờ đợi
while (c1 > 0) do ;
Khi tiến trình 1 dùng xong tài nguyên găng thì đặt lại biến C1 = 0.
Khi C1 = 0 và tiến trình 2 kết thúc việc chờ đợi
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :17
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
while (c1 > 0) do ; { đƣợc kết thúc do c1 = 0 }
lúc này tiến trình 2 chiếm giữ tài nguyên găng và đặt C2 = 1;
Khi tiến trình 2 dùng xong tài nguyên găng thì đặt lại C2 = 0;
Quá trình nhƣ vậy đƣợc lặp đi lặp lại, cho đến khi kết thúc cả hai tiến trình (lệnh kết
thúc ở trong đoạn chƣơng trình không phải là đoạn găng).
Trong trƣờng hợp tồi nhất, cả hai tiến trình đều vào đoạn găng và đặt biến C1 và C2 bằng
1, và cả hai tiến trình đều không vào đƣợc đoạn găng và gây ra hiện tƣợng chờ đợi vòng
tròn. Lý đo là việc xác lập vào đoạn găng và khả năng xem xét có đƣợc vào đoạn găng
của hai đoạn trên không có quan hệ với nhau.
Vì vậy ngƣời ta đƣa ra một phƣơng pháp khác phối hợp hai phƣơng pháp trên, phƣơng
pháp này phối hợp Xác lập – Kiểm tra – Xác lập, do Delker công bố năm 1968 nhƣ sau:
Var c1, c2, tt: integer;
Begin
c1:=0; c2:=0; tt:=1;
ParBegin
TT1:
REPEAT
c1:=1;
while(c2=1) do Begin
if(tt = 2) then Begin
c1:=0;
while(tt =2) do;
c1:=1;
End;
End;
vao_doan_gang_1;
c1:=0; tt:=2;
thuc_hien_viec_khac_1;
UNTIL FALSE;
TT2:
REPEAT
c2:=1;
while(c1=1) do Begin
if(tt = 1) then Begin
c2:=0;
while(tt =1) do;
c2:=1;
End;
End;
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :18
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
vao_doan_gang_2;
c2:=0; tt:=1;
thuc_hien_viec_khac_2;
UNTIL FALSE;
ParEnd;
End.
Ƣu điểm:
Giải thuật này có tính chất vạn năng áp dụng cho mọi công cụ và mọi hệ thống.
Tận dụng, phát huy khả năng tối đa tài nguyên găng.
Nhƣợc điểm
Độ phức tạp tỷ lệ với số lƣợng tiến trình và số tài nguyên găng.
Tồn tại hiện tƣợng chờ đợi tích cực. Mặc dù không làm gì cả nhƣng vẫn chiếm thời
gian processor.
Nguyên nhân là do mỗi tiến trình phải làm việc với nhiều biến, trong đó có nhiều biến
không phải của mình (ví dụ: muốn xác lập biến c1 phải kiểm tra biến c2 và biến tt).
3. Phƣơng pháp Kiểm tra và Xác lập (Test and Set)
Trong hệ lệnh của máy tính tồn tại lệnh cho thực hiện nhiều công việc liên tục. Các
công việc này tạo thành một hệ lệnh nguyên tố, không thể chỉ thực hiện một công việc.
Thủ tục Test_And_Set có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Procedure TS(var local: integer);
Begin
local:=global;
global:=1;
End;
Chú ý: hai lệnh trên phải đƣợc thực hiện liên tục không bị chia rẽ.
Mỗi tiến trình sẽ sử dụng hai biến là biến local của mình và biến global của toàn
chƣơng trình.
Sơ đồ điều độ
Var
lc1, lc2: integer;
global: integer;
Procedure TS(var local: integer);
Begin
local:=global;
global:=1;
End;
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :19
- Chƣơng trình mô phỏng các giải thuật định thời
Begin
gl:=0;
ParBegin
TT1:
REPEAT
lc1:=1;
while lc1=1 do TS(lc1);
vao_doan_gang_1;
gl:=0;
thuc_hien_viec_khac_1;
UNTIL FALSE;
TT2:
REPEAT
lc2:=1;
while lc2=1 do TS(lc2);
vao_doan_gang_2;
gl:=0;
thuc_hien_viec_khac_2;
UNTIL FALSE;
ParEnd;
End.
Global Lc1 Lc2
0 1
1 0
1 (chờ đợi)
1 ...
0
1 0
1 (chờ đợi)
... ... ...
Ưu điểm:
Khắc phục đƣợc độ phức tạp của thuật toán, độ phức tạp thuật toán không phụ thuộc
vào số lƣợng tiến trình.
Nhƣợc điểm:
Vẫn còn hiện tƣợng chờ đợi tích cực.
4. Kỹ thuật đèn báo
Đây là công cụ phụ thuộc vào hệ thống do Dijkstra đề xuất, với tƣ tƣởng nhƣ sau:
Trần Văn Trung, Lớp: 03T3 Trang :20
nguon tai.lieu . vn
