SISTEM OPERASI : MUTUAL EXCLUSION

Mutual exclusion adalah jaminan hanya satu proses yang mengakses sumber daya pada satu interval waktu tertentu. Sumber daya yang tidak dapat dipakai bersama pada saat bersamaan.

Sering terjadi pada peralatan pencetakan (printer). Daemon printer adalah proses yang melakukan penjadwalan dan pengendalian pencetakan berkas-berkas di printer. Ruang disk ini disebut direktori spooler. Direktori spooler membagi disk menjadi sejumlah slot. Slot-slot diisi berkas yang akan dicetak. Terdapat variabel in yang menunjuk slot bebas pada ruang disk yang akan dipakai untuk menyimpan berkas yang ingin dijadwalkan untuk dicetak. Bagian program yang sedang mengakses memory atau sumber daya yang dipakai bersama disebut critical section. Jika proses pada critical section memblokir proses-proses lain dalam antrian, maka akan terjadi startvation dan deadlock.

Kesuksesan proses-proses konkurensi memerlukan pendefinisian critical section dan memaksakan mutual exclusion di antara proses-proses konkuren yang sedang berjalan. Pemaksaan mutual exclusion merupakan landasan pemrosesan konkuren. Fasilitas atau kemampuan menyediakan dukungan mutual exclusion harus memenuhi kriteria sbb:

·       Mutual exclusion harus dijamin, bahwa tidak ada proses lain, kecuali dirinya sendiri. Di sini terjadi proses tunggal.

·       Proses yang berada di noncritical section, dilarang mem-blocked proses-proses lain yang ingin masuk critical section. Hal ini bisa terjadi startvation.

·       Harus dijamin bahwa proses yang ingin masuk critical section tidak menunggu selama waktu yang tak terhingga. Ini bisa mengakibatkan masalah deadlock dan antrian proses bertambah panjang.

·       Ketika tidak ada proses pada critical section, maka proses yang ingin masuk critical section harus ijinkan masuk tanpa waktu tunda.

·       Tidak ada asumsi mengenai kecepatan relatif proses atau jumlah yang ada.

·       Proses hanya tinggal pada critical section selama satu waktu yang berhingga

Ilustrasi aplikasi tabungan

Seluruh sistem yang melibatkan banyak proses mengakses satu sumber daya bersama selalu menimbulkan persoalan mutual-exclusion.

Contohnya adalah sebagai berikut.

· Pada aplikasi tabungan, misalnya rekening A berisi Rp 1.000.000,- yang terdaftar di kantor cabang bandung.

· Kemudian pada suatu saat program aplikasi kantor cabang di Jakarta melayani penyetoran Rp 3.000.000,- ke rekening A. lalu program aplikasi membaca saldo akhir rekening A

Persoalan di atas dapat tidak terjamin mutual-exclusion jika:

1. Program aplikasi bandung menulis ke rekening A secara cepat sehingga di hasilkan saldo Rp 6.000.000. Setelah itu, program aplikasi kantor cabang Jakarta menimpa hasil itu dengan saldo Rp 4.000.000,- . Dalam kasus ini saldo akhir yang diperoleh adalah Rp 4.000.000,- bukan Rp 10.000.000,- (yang seharusnya).

2. Program aplikasi Jakarta dilakukan menulis ke rekening A secara cepat sehingga dihasilkan saldo Rp 4.000.000,-. Setelah itu program aplikasi di kantor bandung menimpa hasil itu dengan saldo Rp 6.000.000,-. Hasil yang lebih baik dibanding skenario pertama tetapi masih di bawah yang seharusnya yaitu Rp 10.000.000,-.

Metode Mutual Exclusion

Beberapa metode yang diusulkan untuk menjamin Mutual Exclusion, antara lain:

1.        Metode Variable Lock

Locking adalah salah satu mekanisasi pengontrol konkuren. Konsep dasar : pada saat suatu transaksi memerlukan jaminan kalau record yang diinginkan tidak akan berubah secara mendadak, maka diperlukan kunci untuk record tersebut. Fungsi kunci (lock) adalah menjaga record tersebut agar tidak dimodifikasi transaksi lain.

Cara kerja dari kunci :

a.    Pertama kita asumsikan terdapat 2 macam kunci :

1.    Kunci X : kunci yang eksklusif.

2.    Kunci S : kunci yang digunakan bersama-sama.

b.    Jika transaksi A menggunakan kunci X pada record R, maka permintaan dari transaksi B untuk suatu kunci pada R ditunda, dan B harus menungggu sampai A melepaskan kunci tersebut.

c.    Jika transaksi A menggunakan kunci S pada record R, maka :

1.    Bila transaksi B ingin menggunakan kunci X, maka B harus menunggu sampai A melepaskan kunci tersebut.

2.    Bila transaksi B ingin menggunakan kunci S, maka B dapat menggunakan kunci S bersama A.

Tabel Kunci

3.    Bila suatu transaksi hanya melakukan pembacaan saja, secara otomatis ia memerlukan kunci S -> baca (S).

4.    Bila transaksi tersebut ingin memodifikasi record maka secara otomatis ia memerlukan kunci X -> memodifikasi (X).

5.    Bila transaksi tersebut sudah menggunakan kunci S, setelah itu ia akan memodifikasi record, maka kunci S akan dinaikan ke level kunci X.

6.    Kunci X dan kunci S akan dilepaskan pada saat synchpoint (synchronization point). Synchpoint menyatakan akhir dari suatu transaksi dimana basis data berada pada state yang konsisten. Bila synchpoint ditetapkan maka :

a.    Semua modifikasi program menjalankan operasi commit atau rollback.

b.    Semua kunci dari record dilepaskan.

Metode ini sederhana ketika proses masuk critical section lebih dahulu memeriksa variable lock.

a.    Jika variable lock bernilai 0, proses men-set variable locknya menjadi 1 kemudian masuk ke dalam critical section.

b.    Jika variable lock bernilai 1, maka proses menunggu sampai nilai variable lock nya menjadi 0.

Metode ini tidak menjamin proses tidak masuk critical section yang telah dimasuki proses lain.

2.    Metode Naif

Sebenarnya metode ini tidak menyelesaikan mutual exclusion, karena masih terdapat scenario proses yang membuat situasi kacau. Metode ini sering disebut metode variable lock sederhana.

Ketika proses hendak masuk critical section, proses lebih dulu memeriksa variable lock dengan ketentuan :

-       Jika variable lock bernilai 0, proses mengeset variable lock menjadi 1 dan segera masuk critical section.

-       Jika variable lock bernilai 1, proses menunggu sampai nilai variabel lock menjadi 0.

3.        Metode untuk situasi tertentu

Metode ini sering disebut metode bergantian secara ketat yang mengasumsikan proses-proses yang hendak masuk critical section secara bergantian terus menerus. Proses memeriksa terus menerus sehingga kondisi siap untuk diproses. Kondisi ini tidak dapat ditentukan lamanya waktu sehingga menyia-nyiakan waktu pemroses. Suatu saat kondisi akan crash ketika ada proses yang harus segera masuk sementara ada proses lain yang masih berjalan.

4.    Metode Busy Waiting

a.    Metode Penyelesaian Dekker

Algoritma Dekker mempunyai property-property berikut :

-       Tidak memerlukan instruksi-instruksi perangkat keras khusus.

-       Proses yang beroperasi di luar critical section tidak dapat mencegah proses lain memasuki critical section.

-       Proses yang ingin masuk critical section akan segera masuk bila dimungkinkan.

b.   Metode Penyelesaian Peterson

Sebelum masuk critical section, proses memanggil enter_critical_section, namun sebelumnya proses memeriksa sampai kondisi aman. Terjadi busy waiting, setelah selesai proses menandai pekerjaan dan mengijinkan proses lain masuk.

Keadaan awal tidak ada proses di critical section. Proses 0 akan masuk critical section. Proses menandai elemen arraynya dan mengeset turn ke 0. Proses memeriksa kondisi, dan prosedur enter_critical_section dilaksanakan. Jika kemudian, proses 1 akan masuk, proses akan menunggu sampai interest(0) menjadi FALSE. Kondisi ini hanya terjadi jika proses 0 mengeset elemen itu dan keluar dari critical section.

c.       Metode Pematian Interupsi

Proses mematikan interupsi ke pemroses dan segera masuk ke critical section. Proses kembali mengaktifkan interupsi segera setelah meninggalkan critical section. Metode ini mengakibatkan :

-       Pemroses tidak dapat beralih ke proses lain karena interupsi clock dimatikan sehingga penjadual pun tidak dieksekusi. Karena penjadual tidak beroperasi maka tidak terjadi alih proses.

-       Proses dapat memakai memori bersama tanpa takut terinvensi prosesü lain karena memang tidak ada proses lain yang dieksekusi saat itu.
Kelemahan utama :

-       Bila proses yang mematikan interupsi mengalami gangguan maka proses tidak akan pernah menghidupkan interupsi kembali. Kejadian ini mengakibatkan kematian seluruh system.

-       Jika terdapat dua pemroses atau lebih, mematikan interupsi hanya berpengaruh pada pemroses yang sedang mengeksekusi intruksi itu. Proses lain masih dapat memasuki critical section.

d.      Metode Test and Set Lock (TSL)

Metode ini membaca isi memori ke register dan kemudian menyimpan nilai bukan 0  ke alamat memori. Pemroses yang mengeksekusi instruksi tsl mengunci bus memori, mencegah pemroses lain mengkases memori.

e.       Metode Exchange (XCHG)

Metode ini menggunakan instruksi exchange (xchg). Instruksi xchg menukarkan dua isi memori.

f.       Metode Instruksi Mesin

Keunggulan :

-       Sederhana dan mudah diverifikasi

-       Dapat diterapkan ke sembarang jumlah proses

-       Dapat digunakan untuk mendukung banyak critical region

Kelemahan :

-       Merupakan metode dengan busy waiting, sangat tidak efisien.

-       Adanya busy waiting memungkinkan terjadi deadlock dan starvation.

   

5.      Metode Penyelesaian Level Tinggi (Metode Semapore)

Dua proses atau lebih dapat bekerja sama dengan menggunakan penanda-penanda sederhana. Proses berhenti sampai proses memperoleh penanda tertentu. Variabel khusus untuk penandaan ini disebut semaphore. Semaphore mempunyai dua property :

a.  Semaphore dapat diinisialisasi dengan nilai bukan negative.

b.  Ada dua operasi terhadap semaphore yaitu Operasi Up dan Operasi Down.

Operasi Down

Operasi ini menurunkan nilai semaphore. Jika nilai semaphore menjadi bukan positif maka proses yang mengeksekusinya diblok. Operasi Down adalah atomic (atomic action), tidak dapat diinterupsi sebelum selesai. Menurunkan nilai, memeriksa nilai, menempatkan proses pada antrian dan memblok sebagai instruksi tunggal. Tidak ada proses lain yang dapat diakses sampai proses selesai.

Operasi Up

Operasi ini menaikkan nilai semaphore. Jika satu proses atau lebih telah diblok pada suatu semaphore tidak dapat menyelesaikan operasi down maka salah satu dipilih oleh system dan dibolehkan menyelesaikan operasi downnya. Operasi Up menaikan nilai semaphore, memindahkan dari antrian dan menempatkan satu proses ke senarai ready tidak dapat diinterupsi.

Sebelum masuk critical section, proses melakukan down. Bila berhasil maka proses masuk critical section. Bila tidak berhasil maka proses diblok pada semaphore. Proses yang diblok dapat melanjutkan jika proses yang berada di critical section keluar dan melakukan operasi up dan menjadikan proses yang diblok menjadi ready dan berlanjut hingga operasi downnya berhasil.

Implementasi Semaphore

1.    Pematian Interupsi

Sistem operasi mematikan interupsi selagi memeriksa semaphore, memperbarui, dan menjadikan proses diblok. Karena semua aksi hanya memerlukan beberapa instruksi, pematian interupsi tidak merugikan.

2.    Instruksi tsl

Pada banyak pemroses, tiap semaphore dilindungi variable lock dan instruksi tsl agar menjamin hanya satu pemroses yang saat itu memanipulasi semaphore