Sistem Operasi(Thread, Mutual Exclusion, Race Condition)

19 04 2010

Definisi dari Proses, Thread,Mutual Exclution, Race Condition,Sinkronisasi, Deadlock, Starvation,Monitor, dan Semaphore!

A. Proses adalah program dalam eksekusi. Suatu proses adalah lebih dari kode program, dimana kadang kala dikenal sebagai bagian tulisan. Proses juga termasuk aktivitas yang sedang terjadi, sebagaimana digambarkan oleh nilai pada program counter dan isi dari daftar prosesor/ processor’s register. Suatu proses umumnya juga termasuk process stack, yang berisikan data temporer (seperti parameter metoda, address yang kembali, dan variabel lokal) dan sebuah data section, yang berisikan variabel global.
Secara tidak langsung, proses merupakan program yang sedang dieksekusi. Menurut Silberschatz, suatu proses adalah lebih dari sebuah kode program, yang terkadang disebut text section. Proses juga mencakup program counter, yaitu sebuah stack untuk menyimpan alamat dari instruksi yang akan dieksekusi selanjutnya dan register. Sebuah proses pada umumnya juga memiliki sebuah stack yang berisikan data-data yang dibutuhkan selama proses dieksekusi seperti parameter metoda, alamat return dan variabel lokal, dan sebuah data section yang menyimpan variabel global.
Sama halnya dengan Silberschatz, Tanenbaum juga berpendapat bahwa proses adalah sebuah program yang dieksekusi yang mencakup program counter, register, dan variabel di dalamnya. Kami tekankan bahwa program itu sendiri bukanlah sebuah proses; suatu program adalah satu entitas pasif; seperti isi dari sebuah berkas yang disimpan didalam disket. Sedangkan sebuah proses dalam suatu entitas aktif, dengan sebuah program counter yang menyimpan alamat instruksi selanjut yang akan dieksekusi dan seperangkat sumber daya (resource) yang dibutuhkan agar sebuah proses dapat dieksekusi.
Untuk mempermudah kita membedakan program dengan proses, kita akan menggunakan analogi yang diberikan oleh Tanenbaum. Misalnya ada seorang tukang kue yang ingin membuat kue ulang tahun untuk anaknya. Tukang kue tersebut memiliki resep kue ulang tahun dan bahan-bahan yang dibutuhkan untuk membuat kue ulang tahun di dapurnya seperti: tepung terigu, telur, gula, bubuk vanila dan bahan-bahan lainnya. Dalam analogi ini, resep kue ulang tahun adalah sebuah program, si tukang kue tersebut adala prosesor (CPU), dan bahan-bahan untuk membuat kue tersebut adalah data input. Sedangkan proses-nya adalah kegiatan sang tukang kue untuk membaca resep, mengolah bahan, dan memanggang kue tersebut.
Walau dua proses dapat dihubungkan dengan program yang sama, program tersebut dianggap dua urutan eksekusi yang berbeda. Sebagai contoh, beberapa pengguna dapat menjalankan salinan yang berbeda pada mail program, atau pengguna yang sama dapat meminta banyak salinan dari program editor. Tiap-tiap proses ini adakah proses yang berbeda dan walau bagian text-section adalah sama, data section-nya bervariasi. Adalah umum untuk memiliki proses yang menghasilkan banyak proses begitu ia bekerja.
B. Thread adalah sebuah alur kontrol dari sebuah proses. Suatu proses yang multithreaded mengandung beberapa perbedaan alur kontrol dengan ruang alamat yang sama. Keuntungan dari multithreaded meliputi peningkatan respon dari user, pembagian sumber daya proses, ekonomis, dan kemampuan untuk mengambil keuntungan dari arsitektur multiprosesor. User level thread adalah thread yang tampak oleh programmer dan tidak diketahui oleh kernel. User level thread secara tipikal dikelola oleh sebuah library thread di ruang user. Kernel level thread didukung dan dikelola oleh kernel sistem operasi. Secara umum, user level thread lebih cepat dalam pembuatan dan pengelolaan dari pada kernel thread. Ada tiga perbedaan tipe dari model yang berhubungan dengan user dan kernel thread.
Model many to one: memetakan beberapa user level thread hanya ke satu buah kernel thread.
Model one to one: memetakan setiap user thread ke dalam satu kernel thread. Berakhir.
Model many to many: mengizinkan pengembang untuk membuat user thread sebanyak mungkin, konkurensi tidak dapat tercapai karena hanya satu thread yang dapat dijadualkan oleh kernel dalam satu waktu.
Thread merupakan unit dasar dari penggunaan CPU, yang terdiri dari Thread_ID, program counter, register set, dan stack. Sebuah thread berbagi code section, data section, dan sumber daya sistem operasi dengan Thread lain yang dimiliki oleh proses yang sama. Thread juga sering disebut lightweight process. Sebuah proses tradisional atau heavyweight process mempunyai thread tunggal yang berfungsi sebagai pengendali. Perbedaan antara proses dengan thread tunggal dengan proses dengan thread yang banyak adalah proses dengan thread yang banyak dapat mengerjakan lebih dari satu tugas pada satu satuan waktu.
Thread, atau kadang-kadang disebut proses ringan (lightweight), adalah unit dasar dari utilisasi CPU. Di dalamnya terdapat ID thread, program counter, register, dan stack. Dan saling berbagi dengan thread lain dalam proses yang sama.

Konsep Dasar Thread
Secara informal, proses adalah program yang sedang dieksekusi. Ada dua jenis proses, proses berat (heavyweight) atau biasa dikenal dengan proses tradisional, dan proses ringan atau kadang disebut thread.
Thread saling berbagi bagian program, bagian data dan sumber daya sistem operasi dengan thread lain yang mengacu pada proses yang sama. Thread terdiri atas ID thread, program counter, himpunan register, dan stack. Dengan banyak kontrol thread proses dapat melakukan lebih dari satu pekerjaan pada waktu yang sama.
Keuntungan
1.Tanggap: Multithreading mengizinkan program untuk berjalan terus walau pun pada bagian program tersebut di block atau sedang dalam keadaan menjalankan operasi yang lama/ panjang. Sebagai contoh, multithread web browser dapat mengizinkan pengguna berinteraksi dengan suatu thread ketika suatu gambar sedang diload oleh thread yang lain.
2.Pembagian sumber daya: Secara default, thread membagi memori dan sumber daya dari proses. Keuntungan dari pembagian kode adalah aplikasi mempunyai perbedaan aktifitas thread dengan alokasi memori yang sama.
3.Ekonomis: Mengalokasikan memori dan sumber daya untuk membuat proses adalah sangat mahal. Alternatifnya, karena thread membagi sumber daya dari proses, ini lebih ekonomis untuk membuat threads.
4.Pemberdayaan arsitektur multiprosesor: Keuntungann dari multithreading dapat ditingkatkan dengan arsitektur multiprosesor, dimana setiap thread dapat jalan secara parallel pada prosesor yang berbeda. Pada arsitektur prosesor tunggal, CPU biasanya berpindah-pindah antara setiap thread dengan cepat, sehingga terdapat ilusi paralelisme, tetapi pada kenyataannya hanya satu thread yang berjalan di setiap waktu.
User thread didukung oleh kernel dan diimplementasikan oleh thread library ditingkat pengguna. Library mendukung untuk pembentukan thread, penjadualan, dan managemen yang tidak didukung oleh kernel.
C. Mutual Exclusion adalah Suatu kondisi dimana setiap sumber daya diberikan tepat pada satu proses pada suatu waktu (kondisi-kondisi untuk solusi). Tiga kondisi untuk menentukan mutual Exclusion diantaranya :
1.Tidak ada dua proses yang pada saat bersamaan berada di critical region.
2.Tidak ada proses yang berjalan diluar critical region yang bisa menghambat proses lain
3.Tidak ada proses yang tidak bisa masuk ke critical region
Merupakan kondisi dimana terdapat sumber daya yang tidak dapat dipakai  bersama pada waktu yang bersamaan (misalnya : printer, disk drive).  Kondisi demikian disebut sumber daya kritis, dan bagian program yang  menggunakan sumber daya kritis disebut critical region / section.  Hanya satu program pada satu saat yang diijinkan masuk ke critical region. Pemogram tidak dapat bergantung pada sistem operasi untuk memahami dan  memaksakan batasan ini, karena maksud program tidak dapat diketahu oleh  sistem operasi.
Hanya saja, sistem operasi menyediakan layanan (system call) yang bertujuan  untuk mencegah proses lain masuk ke critical section yang sedang digunakan proses tertentu.
D. Race Condition adalah situasi di mana beberapa proses mengakses dan memanipulasi data bersama pada saat besamaan. Nilai akhir dari data bersama tersebut tergantung pada proses yang terakhir selesai. Unutk mencegah race condition, proses-proses yang berjalan besamaan haus di disinkronisasi.
E. Sinkronisasi adalah Komunikasi antara proses yang membutuhkan place by calls untuk mengirim dan menerima data primitive. Terdapat rancangan yang berbeda-beda dalam implementasi setiap primitive. Pengiriman pesan mungkin dapat diblok (blocking) atau tidak dapat dibloking (nonblocking) – juga dikenal dengan nama sinkron atau asinkron.
Sinkronisasi adalah proses pengaturan jalannya beberapa proses pada saat yang bersamaan. tujuan utama sinkronisasi adalah menghindari terjadinya inkonsitensi data karena pengaksesan oleh beberapa proses yang berbeda (mutual exclusion) serta untuk mengatur urutan jalannya proses-proses sehingga dapat berjalan dengan lancar dan terhindar dari deadlock dan starvation. Sinkronisasi umumnya dilakukan dengan bantuan perangkat sinkronisasi. Penyelesaian terhadap masalah ini sangat penting karena perkembangan teknologi sistem komputer menuju ke sistem multiprocessing, terdistribusi dan paralel yang mengharuskan adanya proses-proses kongkuren.
Kemungkinan Sinkronisasi Gagal
Sayangnya, konsumen secara logika belum istirahat. Jadi sinyal untuk membangkitkan konsumen, tidak dapat ditangkap oleh konsumen. Ketika konsumen bekerja berikutnya, konsumen akan memeriksa nilai count yang dibaca sebelumnya, dan mendapatkan nilai 0, kemudian konsumen istirahat (sleep) lagi. Cepat atau lambat produsen akan mengisi buffer dan juga pergi istirahat (sleep). Keduanya akan istirahat selamanya.
Inti permasalahannya disini adalah pesan untuk membangkitkan sebuah proses tidak tersampaikan. Jika pesan/ sinyal ini tersampaikan dengan baik, segalanya akan berjalan lancar.
F. Deadlock ialah suatu kondisi permanen dimana proses tidak berjalan lagi ataupun tidak ada komunikasi lagi antar proses. Deadlock disebabkan karena proses yang satu menunggu sumber daya yang sedang dipegang oleh proses lain yang sedang menunggu sumber daya yang dipegang oleh proses tersebut. Atau dengan kata lain setiap proses dalam set menunggu untuk sumber yang hanya bisa dikerjakan oleh proses lain dalam set yang sedang menunggu.    Ilustasi deadlock, misalnya :
· Terdapat dua proses, yaitu P1 dan P2 dan dua sumber daya kritis,
yaitu R1 dan R2.
· Proses P1 dan P2 harus mengakses kedua sumber daya tersebut, dengan
kondisi ini terjadi : R1 diberikan ke P1, sedangkan R2 diberikan ke P2.
Karena untuk melanjutkan eksekusi memerlukan kedua sumber daya sekaligus  maka kedua proses akan saling menunggu sumber daya lain selamanya.  Tak ada proses yang dapat melepaskan sumber daya yang telah dipegangnya  karena menunggu sumber daya lain yang tak pernah diperolehnya.  Kedua proses dalam kondisi deadlock, yang tidak dapat membuat kemajuan apapun dan deadlock merupakan kondisi terparah karena dapat melibatkan banyak proses dan semuanya tidak dapat mengakhiri prosesnya secara benar.
G. Starvation adalah suatu proses meninggalkan critical section dan lebih dari satu proses menunggu (waiting).Beberapa proses dapat ditolak aksenya dalam waktu tak terbatas.
Ilustasi deadlock, misalnya :
· Terdapat tiga proses, yaitu P1, P2 dan P3.
· P1, P2 dan P3 memerlukan pengaksesan sumber daya R secara periodik
Skenario berikut terjadi :
· P1 sedang diberi sumber daya R sedangkan P2 dan P3 diblocked menunggu
sumber daya R.
· Ketika P1 keluar dari critical section, maka P2 dan P3 diijinkan
mengakses R.
· Asumsi P3 diberi hak akses, kemudian setelah selesai, hak akses kembali
diberikan ke P1 yang saat itu kembali membutuhkan sumber daya R.
Jika pemberian hak akses bergantian terus-menerus antara P1 dan P3,  maka P2 tidak pernah memperoleh pengaksesan sumber daya R. Dalam kondisi ini memang tidak terjadi deadlock, hanya saja P2 mengalami starvation (tidak ada kesempatan untuk dilayani).
H. Monitor adalah kumpulan prosedur, variabel dan struktur data di satu modul atau paket khusus. Proses dapat memanggil prosedur-prosedur kapan pun diinginkan. Tapi proses tak dapat mengakses struktur data internal dalam monitor secara langsung. Hanya lewat prosedur-prosedur yang dideklarasikan minitor untuk mengakses struktur internal.
I. Semafor Telah dikatakan di atas bahwa pada awalnya orang-orang memakai konsep-konsep sinkronisasi yang sederhana yang didukung oleh perangkat keras, seperti pemakaian interrupt atau pemakaian rutin-rutin yang mungkin telah diimplementasi oleh perangkat keras.
Pada tahun 1967, Djikstra mengajukan suatu konsep dimana kita memakai suatu variable integer untuk menghitung banyaknya proses yang sedang aktif atau yang sedang tidur. Jenis variabel ini disebut semafor.  Tahun-tahun berikutnya, semafor banyak dipakai sebagai primitif dari mekanisme sinkronisasi yang lebih tinggi dan kompleks lagi. Sebagai contoh: monitor dari Javatm. Selain untuk hal tersebut, kebanyakkan semafor juga digunakan untuk sinkronisasi dalam komunikasi antar device perangkat keras.
Konsep semafor yang diajukan oleh Djikstra terdiri dari dua subrutin yang bernama P dan V. Nama P dan V berasal dari bahasa Belanda yang berarti Naik dan Turun atau Wait dan Signal. Untuk pembahasan kali ini, kita akan memakai Wait dan Signal.  Sub-rutin wait akan memeriksa apakah nilai dari semafor tersebut di atas 0. Jika ya, maka nilainya akan dikurangi dan akan melanjutkan operasi berikutnya. Jika tidak maka proses yang menjalankan wait akan menunggu sampai ada proses lain yang menjalankan subrutin signal.
Satu hal yang perlu diingat adalah subrutin wait dan signal haruslah bersifat atomic. Di sini kita lihat betapa besarnya dukungan perangkat keras dalam proses sinkronisasi. Nilai awal dari semaphore tersebut menunjukkan berapa banyak proses yang boleh memasuki critical section dari suatu program. Biasanya untuk mendukung sifat mutual exclusive, nilai ini diberi 1. Perlu ditekankan di sini, bahwa semafor bukan digunakan untuk menyelesaikan masalah critical section saja, melainkan untuk menyelesaikan permasalahan sinkronisasi secara umum.
Macam-macam Semafor
Ada 2 macam semafor yang cukup umum, yaitu:
1.Binary semaphore
2.Counting semaphore
Binary semaphore adalah semafor yang bernilai hanya 1 dan 0. Sedangkan Counting semaphore adalah semafor yang dapat bernilai 1 dan 0 dan nilai integer yang lainnya.
Banyak sistem operasi yang hanya mengimplementasi binary semaphore sebagai primitif, sedangkan counting semaphore dibuat dengan memakai primitif ini. Untuk lebih rinci mengenai cara pembuatan counting semaphore dapat dilihat pada bagian berikutnya.
Perlu diketahui di sini bahwa, ada beberapa jenis dari counting semaphore. Salah satu jenisnya adalah semafor yang tidak mencapai nilai negatif (seperti yang dicontohkan pada bagian sebelumnya). Jenis yang lain adalah semaphore yang dapat mencapai nilai negatif.
Dari referensi lain, Semaphore adalah pendekatan yang diajukan oleh Djikstra, dengan prinsip bahwa dua proses atau lebih dapat bekerja sama dengan menggunakan penanda-penanda sederhana. Seperti proses dapat dipaksa berhenti pada suatu saat, sampai proses mendapatkan penanda tertentu itu. Sembarang kebutuhan koordinasi kompleks dapat dipenuhi dengan struktur penanda yang cocok untuk kebutuhan itu. Variabel khusus untuk penanda ini disebut semaphore.Semaphore mempunyai dua sifat, yaitu:
1.Semaphore dapat diinisialisasi dengan nilai non-negatif.
2.Terdapat dua operasi terhadap semaphore, yaitu Down dan Up. Usulan asli yang disampaikan Djikstra adalah operasi P dan V.
Semafor Menyelesaikan Masalah Sinkronisasi antar Proses
Kadangkala kita ingin membuat suatu proses untuk menunggu proses yang lain untuk menjalankan suatu perintah. Isu yang ada di sini adalah bagaimana caranya suatu proses mengetahui bahwa proses yang lain telah menyelesaikan instruksi tertentu. Oleh karena itu digunakanlah semafor karena semafor adalah solusi yang cukup baik dan mudah untuk mengatasi hal tersebut.
Nilai semaphore diset menjadi 0
Proses 1                               Proses 2
56 print “satu”                 17  wait(semaphoreVar)
57 signal(semaphoreVar)         18  print “dua”

siapapun yang berjalan lebih cepat, maka keluarannya pasti “satu” kemudian diikuti oleh “dua”. Hal ini disebabkan karena jika proses 2 berjalan terlebih dahulu, maka proses tersebut akan menunggu (nilai semafor = 0) sampai proses 1 memanggil signal. Sebaliknya jika proses 1 berjalan terlebih dahulu, maka proses tersebut akan memanggil signal untuk memberikan jalan terlebih dahulu kepada proses 2.
3.Implementasi sinkronisasi & mutual exclusion di Windows & Linux!
Windows
Sinkronisasi primitive yang umum seperti semaphore, mutexes, spinlocks, timers, didasarkan dari dasar mekanisme tunggu/sinyal.

Linux
Sinkronisasi primitive yang umum seperti semaphore, mutexes, spinlocks, timers, didasarkan dari dasar mekanisme sleep/wake up .Linux menghadirkan variasi mekanisme untuk komunikasi interprocessor dan sinkronisasi. Berikut bisa kita ketahui bagian yang paling penting:
Pipes
Messages
Shared Memory
Semaphores
Signals
pipes
merupakan metode menghubungkan standart output proses ke standart input proses lain. Pipe adalah metode komunikasi satu arah (di sebut half-duplex) antara proses-proses.
Messages queue
paling banyak di deskripsikan sebagai internal linked list di ruang alamat kernel. Messages queues memungkinkan dua proses atau lebih menulis pesan yang akan di baca oleh satu proses pembaca lebih.
Shared Memory
memungkinkan satu proses atau lebih berkomunikasi lewat memory di muncul di ruang alamat memory maya-nya(virtual memory).
Semaphores
bentuk paling sederhana dari semaphores adalah lokasi di memory yang mempunyai nilai yang dapat di uji di-set (operasi test and set) oleh lebih dari satu proses. Operasi tes dan set tidak dapat diinterupsi atau atomik, begitu operasi dimulai tidak ada yang dapat menghentikannya.
Signal

cara memberi tahu proses bahwa “sesuatu yang penting telah terjadi, maka lepaskan yang saat itu sedang di lakukan dan tanganilah”. Signal sering disebut software interupt.(muhammd alif & gilang)
About these ads

Actions

Information

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s




Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: