Critical-Section Problem

งานนำเสนอเรื่อง: "Critical-Section Problem"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 Critical-Section Problem
อ. รวินทร์ ไชยสิทธิพร

2 Critical Section คืออะไร
ขอบเขตวิกฤต ส่วนของโค๊ดที่มีการใช้ทรัพยากรบางอย่างร่วมกัน ระหว่างโปรเซส 2 ตัวขึ้นไป ส่วนใหญ่จะเป็น “ตัวแปร” หรือ “ข้อมูล” อาจเกิดปัญหาในเรื่องความถูกต้องของข้อมูล

3 ตัวอย่าง ปัญหาอยู่ที่ใด ?
สมมติว่ามีโปรเซส 2 ตัว ทำงานในเวลาใกล้เคียงกันมาก โปรเซสที่ 1 : counter = counter + 1 งานใน CPU R1 = counter R1 = R1 + 1 counter = R1 (R1 = register) -โปรเซสที่ 2 : counter = counter - 1 R2 = counter R2 = R2 - 1 counter = R2 ปัญหาอยู่ที่ใด ?

4 ลองดูในแต่ละจังหวะเวลา
เวลาที่ 0 : R1 = counter (R1 = 5) เวลาที่ 1 : R1 = R (R1 = 6) เวลาที่ 2 : R2 = counter (R2 = 5) เวลาที่ 3 : R2 = R (R2 = 4) เวลาที่ 4 : counter = R1 (counter = 6) เวลาที่ 5 : counter = R2 (counter = 4) ลองดูซิว่า Error ตรงไหน ? สถานการณ์นี้เรียกว่า “การแข่งขัน” (Race Condition)

5 การทดลอง ให้เขียนโปรแกรมด้วยภาษา Java เมื่อเขียนเสร็จเซฟไฟล์ให้ชื่อว่า
CriticalSecTest.java มีต่อ

6

7 รันโปรแกรม ก่อนการรันก็คอมไพล์ก่อน แล้วรันด้วยคำสั่ง
java CriticalSecTest ลองรันหลายๆครั้งแล้วสังเกตดูว่า ผลลัพธ์ในแต่ละครั้งเป็นอย่างไร บันทึกผลการทดลอง สรุปผลการทดลองส่งอาจารย์

8 การแก้ปัญหา Critical Section
กำหนดข้อกำหนดของการแก้ปัญหา 1. ต้องมีการกีดกันต่อกัน (Mutual Exclusion) 2. ต้องมีการก้าวหน้า (Progress) 3. ต้องมีการรอคอยที่จำกัด (Bounded Waiting)

9 รูปแบบของ Critical Section
repeat Entry Section Critical Section Exit Section Remainder section until false (ใช้กับทุกๆ Solution)

10 Solution ที่1 : การแก้ปัญหา 2 โปรเซส
ใน Solution นี้จะใช้กับ Race Condition ระหว่างโปรเซส 2 ตัว มีรูปแบบดังนี้ ** โค๊ดของ Pi repeat while turn ≠ i do no-op; กำหนดให้มีโปรเซส Pi และ Pj turn คือตัวแปร Critical Section turn := j Remainder section until false

11 วิเคราะห์ข้อดีข้อเสีย
ให้น.ศ. ลองวิเคราะห์ข้อดี – ข้อเสียของ Solution ในหน้าที่แล้ว ใครตอบได้เป็นที่ถูกใจอาจารย์ 3 คนแรกจะได้คะแนนฟรี ทำการทดลอง ให้เปิด EditPlus เพื่อเขียนโปรแกรมด้วย Java

12 โปรแกรม มีต่อ

13

14 while flag[j] do no-op;
Solution ที่ 2 ** โค๊ดของ Pi repeat flag[i] := true; while flag[j] do no-op; flag[ ] คืออาเรย์ของ Boolean Critical Section flag[i] := false; Remainder section until false

15 โปรแกรม มีต่อ

16

17 การประสานงานระหว่างหลายโปรเซส
ที่ผ่านมาเป็นอัลกอริธึมของการ Synchronize ระหว่าง 2 โปรเซสเท่านั้น แต่หากเป็นการประสานงานระหว่างหลายโปรเซสล่ะ อัลกอริธึมแบบร้านเบเกอรี หลักการ แต่ละคนที่ต้องการจะเข้าไปซื้อเบเกอรี จะต้องมีบัตรคิว ลูกค้าที่ได้บัตรหมายเลขน้อยกว่า จะได้รับบริการก่อน หากว่าลูกค้าเข้าร้านพร้อมๆกัน และได้บัตรคิวหมายเลขเดียวกัน ให้เรียงลำดับตามชื่อของลูกค้า

18 อัลกอริธึม Critical Section
กำหนดตัวแปรดังนี้ choosing : ARRAY[0...n-1] OF BOOLEAN number : ARRAY[0..n-1] OF INTEGER ค่าเริ่มต้นของ choosing ทั้งหมดเป็น FALSE และทั้งหมดของ number เป็น 0 กำหนดให้ (a,b) < (c,d) ถ้า a < c หรือ (a = c และ b < d) max(a0, …, an-1) เป็นฟังก์ชั่นที่หาค่ามากที่สุดของ a0 ถึง an-1 REPEAT choosing[i] := TRUE; number[i] := max(number[0],number[1],…,number[n-1]) + 1; choosing[i] := FALSE FOR j := 0 to n-1 DO BEGIN WHILE choosing[j] DO no-op; WHILE number[j] <> 0 AND (number[j],j) < (number[i],i); DO no-op; END Critical Section number[i] := 0; UNTIL FALSE;

19 การประสานงานด้วยฮาร์ดแวร์
จากตัวอย่างที่กล่าวมาในสไลด์แผ่นที่ 3 นั้น เราอาจป้องกันได้ด้วยการ Disable การทำงานของ Interrupt เมื่ออยู่ในช่วงที่ใช้ตัวแปรร่วมกัน P1 P2 CPU DON’T INTERRUPT COUNTER เราเรียกคำสั่งที่ห้ามการ Interrupt นี้ว่า คำสั่งแบบ Atomic

20 ตัวอย่างของ Atomic Instruction
คำสั่ง Test and Set กำหนดฟังก์ชั่น FUNCTION Test-and-Set(VAR target:BOOLEAN) : BOOLEAN BEGIN Test-and-Set := target; target := TRUE; END; ***การนำไปใช้เรื่อง Mutual Exclusion** กำหนดตัวแปร VAR lock : BOOLEAN = FALSE REPEAT WHILE Test-and-Set(lock) DO no-op; Critical Section Lock := FALSE; UNTIL FALSE;

21 Semaphore กำหนดให้คำสั่ง ดังนี้เป็น Atomic Instruction S = integer
WAIT(S) WHILE S <= 0 DO no-op; S : S-1; SIGNAL(S) S := S+1; S = integer S เรียกว่าเป็น Semaphore

22 การนำ Semaphore ไปใช้งาน
กำหนดให้ mutex เป็น Semaphore ดังนี้ VAR mutex : SEMAPHORE = 1; repeat WAIT(mutex); Critical Section SIGNAL(mutex); Remainder section until false

23 เขียนโปรแกรม มีต่อ

24

25 ปัญหานักปราชญ์ 5 คน มีนักปราญ์ 5 คน นั่งล้อมรอบโต๊ะกินข้าว
จะคุยกันทั้งวัน เมื่อหิวก็จะกินข้าว โดยการใช้ตะเกียบ มีข้อจำกัดในการใช้ตะเกียบ หากใครใช้ คนนั่งข้างๆจะใช้ไม่ได้

26 ภาพอธิบาย นักปราชญ์ ตะเกียบ อาหาร ปัญหาคืออะไร แก้ได้อย่างไร

27 การแก้ปัญหา ให้นักปราชญ์นั่งโต๊ะได้มาเกิน 4 คน
ให้นักปราชญ์หยิบตะเกียบเมื่อตะเกียบทั้งคู่ว่างเท่านั้น ห้ามหยิบทีละข้าง (ดังนั้น จะต้องทำงานในเขตวิกฤต) นักปราชญ์คนที่นั่งเลขคี่หยิบตะเกียบข้างซ้ายก่อนขวา ส่วนนักปราชญ์คนที่นั่งเลขคู่หยิบตะเกียบข้างขวาก่อนข้างซ้าย

28 ใช้ Semaphore REPEAT WAIT(chopstick[i]); WAIT(chopstick[i+1 MOD 5]); …
VAR chopstick : ARRAY[0..4] OF SEMAPHORE ***โค๊ดของนักปราชญ์คนที่ i REPEAT WAIT(chopstick[i]); WAIT(chopstick[i+1 MOD 5]); … กินข้าวได้ …. SIGNAL(chopstick[i]); SIGNAL(chopstick[i+1 MOD 5]); คิด UNTIL FALSE; Chopstick[0] P0 อาหาร Chopstick[1] P1 Chopstick[2]

29 สรุป จบบท การประสานงานระหว่างโปรเซสเป็นสิ่งที่สำคัญ ต้องมี
ความก้าวหน้า การไม่อยู่ใน Critical Section พร้อมกัน การรอคอยที่จำกัด อัลกอริธึมเป็นการใช้ซอฟท์แวร์จัดการ แต่อาจต้องใช้ฮาร์ดแวร์ร่วมด้วย การบ้าน ให้นศ.สรุปและอธิบายข้อดี-ข้อเสียของอัลกอริธึมในการประสานงานของโปรเซสแต่ละตัว ทุกตัว และแสดงการเปรียบเทียบให้เห็นด้วย จบบท