bế tắc và xử lý bế tắc trong hệ phân tán

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
---------------------------

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Đề tài: BẾ TẮC VÀ XỬ LÝ BẾ TẮC

Giáo viên hướng dẫn:

PGS.TS. Lê Văn Sơn


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các thành tựu mới nhất của hệ thống tin học về phần
cứng, phần mềm và các hệ quản trị cơ sở dữ liệu ổn định, tin cậy đã góp phần đáng kể
cho sự phát triển của xã hội nói chung và ngành Công nghệ Thông tin nói riêng. Một
trong những thành tựu nổi bật đó, phải nói đến các phần mềm cơ sở nhằm vào, trực tiếp
và trước hết, tăng khả năng điều hành, khai thác hiệu quả tất cả các tài nguyên của hệ.
Sự phát triển của CNTT-TT và đặc biệt là Internet, “thế giới là phẳng”. Do đó, tất
cả mọi vấn đề, dù khoảng cách có xa đến đâu đi chăng nữa nhưng nếu chúng ta ngồi
trước máy vi tính có nối mạng thì hầu như mọi thứ đang hiện hữu tại máy tính của chúng
ta. Chúng ta có thể quản lý nhân sự của một công ty đa quốc gia, chúng ta có thể ngồi ở
nhà để đăng ký đặt chỗ vé máy bay, mua một món hàng tại siêu thị… Để có được sự tiện
nghi này đối với người sử dụng thì nó đặt ra nhiều vấn đề rất lớn và rất phức tạp cho các
nhà nghiên cứu và phát triển các hệ thống này. Các câu hỏi lớn đặt ra một cách cụ thể
như: “làm thế nào để đảm bảo rằng không có ít nhất 2 người cùng đăng ký 01 vé máy bay
trong hệ thống đăng ký vé? Làm thế nào để biết được có còn một mặt hàng nào đó trong
hệ thống siêu thị?”…
Hệ tin học phân tán ra đời từ rất sớm, sự phát triển nhanh và mạnh mẽ của công

nghệ truyền thông và của mạng Internet, cùng với xu thế toàn cầu hoá trong mọi lĩnh vực,
đặc biệt là về thương mại, hệ phân tán đã và đang trở thành một lĩnh vực thu hút được
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu lý thuyết lẫn các nhà sản xuất phần mềm hiện
nay.
Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán (Distributed System) là hệ
thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm tại các vị trí khác
nhau và được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới sự điều khiển
thống nhất của một hệ điều hành.
Vấn đề quan trọng là để đảm bảo các chức năng, yêu cầu đề ra, hệ phân tán cần
phải có các cơ chế kỹ thuật đủ mạnh nhằm đồng bộ hoá hoạt động của các xử lý (tiến
trình) và sự trao đổi thông tin với nhau sao cho hệ thống tránh được các trường hợp có
thể dẫn đến bế tắc và/hoặc không gắn bó dữ liệu.
Được sự phân công của Ban cán sự lớp, nhóm thực hiện đề tài: Trình bày các
thuật toán cho phép phát hiện bế tắc; và Theo phương pháp Le Lann, người ta phối hợp
một bộ tuần tự cho một tài nguyên găng, ví dụ Sa, Sb, Sc,...Người ta nhóm các bộ tuần tự
trên một jeton duy nhất; Hãy chứng minh rằng để triển khai một chiến lược cung cấp
không có rủi ro về bế tắc, người ta chỉ cần rút một số cho một tài nguyên cần thiết khi
jeton chạy qua (đề 21). Trong phạm vi của tiểu luận này, với những kiến thức đã được
học cũng như tự nghiên cứu thêm tài liệu từ các giáo trình, bài giảng và mạng Internet,
chúng tôi xin trình bày các nội dung sau:
Phần 1: Lý thuyết - Trình bày các khái quát về bế tắc, các thuật toán phát hiện và
ngăn chặn bế tắc.
Phần 2: Bài tập - Trình bày giải pháp kết hợp các bộ tuần tự cho mỗi tài nguyên
găng trên một jeton tuần hoàn để ngăn chặn bế tắc.


Mặc dầu đã hết sức cố gắng, nhưng do điều kiện thời gian và khả năng còn nhiều
hạn chế, hơn nữa tiểu luận môn học này là một lĩnh vực tri thức rộng lớn, đa dạng và rất
phức tạp nên chắc chắn không thể không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết. Rất
mong nhận được sự góp ý, phê bình, đánh giá của Thầy giáo và của các bạn trong lớp để

nhóm chúng tôi rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn trong thời gian tới.
Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo Lê Văn Sơn đã cung cấp,
định hướng và hướng dẫn chúng tôi trong suốt thời gian qua để nhóm chúng tôi hoàn
thành tiểu luận này.


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

Phần 1:

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

LÝ THUYẾT

I. Các tài nguyên
Bế tắc có thể xảy ra khi các tiến trình truy xuất độc quyền đến các thiết bị, file,
v.v... Để thảo luận bế tắc, chúng ta sẽ tham chiếu đến các đối tượng như tài nguyên. Một
tài nguyên có thể là một thiết bị phần cứng hay một phần của thông tin. Một máy tính có
thể có nhiều tài nguyên khác nhau có thể được yêu cầu.
Tài nguyên có thể phân thành hai loại: có thể thu hồi (preemptable) và không thể thu
hồi (nonpreemptable).
 Tài nguyên có thể thu hồi: là tài nguyên có thể được lấy ra từ tiến trình sở hữu nó.
Bộ nhớ là một ví dụ của tài nguyên có thể thu hồi.

Tài nguyên không thể thu hồi được: là tài nguyên mà không thể lấy ra từ
tiến trình hiện đang sở hữu nó bất kể gây ra lỗi tính toán. File, các thiết bị Vào /Ra là các
tài nguyên không thể thu hồi được.
Nhìn chung, các bế tắc thường xảy ra đối với các tài nguyên không thể thu hồi được.
Trình tự của các sự kiện yêu cầu sử dụng tài nguyên là:
- Yêu cầu một tài nguyên.

- Sử dụng tài nguyên.
- Giải phóng tài nguyên.
Nếu tài nguyên không có giá trị khi được yêu cầu thì tiến trình yêu cầu bị chặn để
chờ. Trong một số hệ điều hành, tiến trình tự động bị chặn khi tài nguyên yêu cầu bị lỗi
và đánh thức dậy khi tài nguyên có giá trị.
II. Định nghĩa bế tắc
Một tập các tiến trình bị bế tắc nếu mỗi tiến trình trong tập tiến trình chờ một sự
kiện mà chỉ có tiến trình khác trong tập các tiến trình đó tạo ra.
Tất cả các tiến trình đều đang chờ, không một tiến trình nào trong chúng có thể tạo
ra bất kỳ một sự kiện nào để có thể đánh thức tiến trình khác trong tập tiến trình, vì vậy
tất cả các tiến trình tiếp tục chờ mãi mãi.
Trong hầu hết các trường hợp, sự kiện mà tiến trình đang chờ giải phóng vài tài
nguyên hiện tại mà tiến trình khác trong tập tiến trình bị chặn đang chiếm giữ. Hay nói
cách khác, mỗi thành viên của tập các tiến trình bế tắc đang chờ tài nguyên là sở hữu của
một tiến trình bị chặn khác. Không một tiến trình nào có thể chạy thực hiện, không một
tiến trình nào có thể giải phóng tài nguyên và cũng không một tiến trình nào có thể thức
dậy.

Trang 4


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

III. Điều kiện xảy ra bế tắc
Cofman, Elphick và Shosani vào năm 1971 đã đưa ra 4 điều kiện cần có thể làm
xuất hiện bế tắc:
1. Có sử dụng tài nguyên không thể chia sẻ (Mutual exclusion)
Mỗi thời điểm, một tài nguyên không thể chia sẻ được hệ thống cấp phát chỉ một tiến

trình, khi tiến trình sử dụng xong tài nguyên này hệ thống mới thu hồi và cấp phát tài
nguyên cho hệ thống khác.
2. Sự chiếm giữ và yêu cầu thêm tài nguyên (Wait for)
Tiến trình được phép giữ và yêu cầu thêm một hoặc nhiều tài nguyên và chờ cung cấp
tài nguyên đang bị tiến trình khác chiếm giữ.
3. Không thu hồi được tài nguyên từ tiến trình đang giữ chúng (No preemption)
Tài nguyên chỉ tự nguyện giải phóng khi sử dụng xong. Không một tiến trình nào hay
hệ điều hành có thể thu hồi tài nguyên từ tiến trình đang chiếm giữ chúng.
4. Tồn tại một chu kỳ chờ trong đồ thị cấp phát tài nguyên (Circular wait)
Có ít nhất hai tiến trình chờ đợi lẫn nhau: tiến trình này chờ cấp phát tài nguyên đang
bị tiến trình kia chiếm giữ và ngược lại.
Tất cả 4 điều kiện này cần phải ngăn chặn để bế tắc không xảy ra. Khi có đủ 4 điều
kiện này thì bế tắc xảy ra. Nếu thiếu 1 trong 4 điều kiện này thì không có bế tắc.
IV. Đồ thị cấp phát tài nguyên
Có thể sử dụng một đồ thị để mô hình hóa viêc cấp phát tài nguyên. Đồ thị này được
gọi là đồ thị định vị tài nguyên (RSG : Resource Allcation Graph):
- 2 loại nút: các tiến trình được biểu diễn bằng hình tròn, và mỗi tài nguyên được
hiển thị bằng hình vuông.
- 2 loại cạnh:
+ Cạnh yêu cầu: từ tiến trình đến tài nguyên. Chỉ rõ tiến trình yêu cầu tài nguyên
và chờ có được tài nguyên đó.
+ Cạnh chỉ định: từ tài nguyên đến tiến trình. Chỉ rõ tiến trình đang chiếm giữ tài
nguyên đó.
Khi một yêu cầu được thực hiện, một cạnh yêu cầu được thêm vào.
Khi một yêu cầu đươc hình thành cạnh yêu cầu được chuyển sang cạnh chỉ định
Khi một tiến trình giải phóng tài nguyên, cạnh chỉ định bị xóa đi
Nếu đồ thị không chứa chu kỳ thì bế tắc không xảy ra
Nếu đồ thị chứa một chu kỳ thì bế tắc xảy ra.

Trang 5

Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

P

R

P đang giữ R

P

R

P yêu cầu R

R1
P1

R2
P2

R3

R4

R1

R2

P1

P2
R3

P3

Một tình huống không bế tắc

P3

Một tình huống bế tắc

R4

Hình 1.1. Đồ thị cấp phát tài nguyên
V. Các phương pháp xử lýý́ bế tắc
Chủ yếu có 3 phương pháp tiếp cận để xử lý bế tắc:
- Sử dụng một giao thức(protocol) để hệ thống không bao giờ xảy ra bế tắc.
- Cho phép xảy ra bế tắc và tìm cách sửa chữa bế tắc.
- Hoàn toàn bỏỏ̉ qua bế tắc, xem như hệ thống không bao giờ xảy ra bế tắc.
VI. Ngăn chặn bế tắc
Để bế tắc không xảy ra cần đảm bảo tối thiểu một trong 4 điều kiện cần không xảy ra
như sau:
1. Tài nguyên không thể chia sẻ: gần như không thể tránh được điêu kiện này vì bản
chất tài nguyên gần như cố định. Tuy nhiên đối với một tài nguyên về kết xuất, người ta
có thể dùng các cơ chế spooling để biến đổi thành tài nguyên có thể chia sẻ.
2. Sự chiếm giữ và yêu cầu thêm tài nguyên: phải đảm bảo rằng mỗi khi tiến trình

yêu cầu thêm một tài nguyên thì nó không chiếm giữ các tài nguyên khác. Có thể áp đặt
một trong hai cơ chế truy xuất sau:
- Tiến trình phải yêu cầu tất cả các tài nguyên cần thiết trước khi bắt đầu xử lý:
phương pháp này có khó khăn là tiến trình khó có thể ước lượng chính xác tài nguyên cần
sử dụng vì có thể nhu cầu phụ thuộc vào quá trình xử lý. Ngoài ra nếu tiến trình chiếm
Trang 6


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

giữ sẵn các tài nguyên chưa cần sử dụng ngay thì việc sử dụng tài nguyên sẽ kém hiệu
quả.
- Khi tiến trình yêu cầu một tài nguyên mới và bị từ chối nó phải giải phóng các tài
nguyên đang chiếm giữ, sau đó lại được cấp phát trở lại cùng lần với tài nguyên mới:
phương pháp này làm phát sinh các khó khăn trong việc bảo vệ tình toàn vẹn dữ liệu của
hệ thống.
3. Thu hồi tài nguyên: cho phép hệ thống được thu hồi tài nguyên từ các tiến trình bị
khóa và cấp phát trở lại cho tiến trình khi nó thoát khỏi tình trạng bị khóa. Tuy nhiên với
một số loại tài nguyên, việc thu hồi sẽ rất khó khăn vì vi phạm tính toàn vẹn dữ liệu.
4. Tồn tại một chu kỳ: tránh tạo chu kỳ trong đồ thị cấp phát bằng cách cấp phát tài
nguyên theo thứ tự phân cấp như sau:
Gọi R = { R1, R2, ..., Rn } là tập các loại tài nguyên
Các loại tài nguyên được phân thứ tự từ 1 – N, thứ tự có thể là thứ tự logic mà tài
nguyên thường yêu cầu. Ký hiệu F(Ri)
Các tiến trình khi yêu cầu tài nguyên phải tuân thủ quy định: khi tiến trình đang bị
chiếm giữ tài nguyên Ri thì có thể yêu cầu các tài nguyên Rj nếu F(Rj) > F(Ri).
VII. Thuật toán phát hiện bế tắc
Khi các tài nguyên được sử dụng bởi giao dịch được xác định theo kiểu động trong

quá trình thi hành giao dịch, các phương pháp dự phòng bế tắc dựa trên nền tảng các
thông điệp không còn phù hợp nữa. Lúc này, ta phải sử dụng các phương pháp phát hiện
và chữa trị.
Phương pháp được mô tả bởi Menasce sẽ được trình bày. Phương pháp này đặt ra
vấn đề sử dụng một đồ thị các tranh chấp mà việc kiểm tra các tranh chấp đó cho phép
phát hiện bế tắc.
Tương tự như thuật toán vừa nêu, mỗi một trạm quản lý các đối tượng riêng của
mình và việc phát hiện chỉ dựa vào thông tin cục bộ. Các trạm khởi sự các giao dịch bị
treo được đề phòng phát sinh bế tắc (mà bế tắc này có thể phát hiện tại một trạm nào đó)
cần phải đề ra các biện pháp chữa trị cho mình.
VII.1. Các định nghĩa
Ta cần xác định trong mọi thời điểm giữa hai giao dịch Tj và Tk quan hệ chặn
trực tiếp như sau:
Tj > Tk

Tồn tại ít nhất một tài nguyên bị cài then bởi Tj và
yêu cầu bởi Tk nhưng không được đáp ứng.

Quan hệ này được biểu hiện bằng một đồ thị gọi là đồ thị các xung đột hữu hiệu.
Sự tồn tại một vòng lặp trong đồ thị này báo hiệu cho ta biết sẽ có bế tắc diễn ra. Một

Trang 7


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

giao dịch “không bị chặn” có nghĩa là trong đồ thị biểu hiện bằng một nút mà tại đó
không có cung nào dẫn đến.

Giả sử rằng Tk là một giao dịch bị chặn. tập hợp tất cả các giao dịch mà có thể
đạt được bằng cách chạy khắp các cung xuất phát từ Tk, theo chiều ngược lại với
hướng của chúng, và gọi là tập hợp các chặn của Tk, ký hiệu là E(Tk). Các giao dịch
thuộc vào E(Tk) là các giao dịch có nguồn gốc từ sự chặn của Tk.
Tại một thời điểm cho trước, đồ thị các xung đột hữu hiệu sinh ra các quan hệ
chặn tồn tại giữa các giao dịch của hệ. Ta ký hiệu B(Tk) là tập hợp các giao dịch bị
chặn do Tk, có nghĩa là các giao dịch có thể đạt được bằng cách chạy khắp các xuất
phát từ Tk.
Ví dụ : Cho đồ thị các xung đột hữu hiệu như sau:
T1
T2
T5
T3
Các giao dịch không chặn là T3, T4, T5
Ta có:
E(T1) = { T2, T3, T4 T5 }
B(T5) = { T1, T2 }

T4

Đồ thị các xung đột hữu hiệu chứa vòng lặp nếu và chỉ nếu tồn tại giao dịch Tk
mà tập hợp chặn của nó chứa một giao dịch bị chặn bởi Tk:
∃ k: B(Tk) ∩ E(Tk) ≠
{Tồn tại vòng lặp}
Nếu ta không muốn duy trì trên mỗi trạm một bản sao của đồ thị tổng quát thì
cần phải xây dựng một ảnh cục bộ cho phép đánh giá các điều kiện vừa nêu trên. Đó
là điều mà ta thực hiện trong giải thuật sau đây.
VII.2. Thuật toán
Ta ký hiệu S(Tk) là trạm nguồn của giao dịch Tk. để cho mỗi giao dịch Tk, trạm
S(Tk) duy trì các tập hợp B(Tk) và E(Tk). Việc cập nhật E(Tk) cần phải được biểu hiện

trên tất cả các trạm nguồn của các giao dịch thuộc B(Tk). Thực tế, giao dịch chặn Tk là
phần tử của toàn bộ tập hợp chặn của các giao dịch thuộc B(Tk).
Giả sử rằng Tk đã yêu cầu một tài nguyên e của trạm Si nào đó. Trên trạm này, ta
thực hiện các phép toán sau đây:

Trang 8


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

STT Phép toán
Nếu e là có sẵn để dùng, yêu cầu được thoả mãn và ta ghi nhận là Tk
1
đang có tài nguyên.
Nếu e đã được cung cấp cho giao dịch Tj thì thông điệp “Tj chặn Tk”
2
được truyền cho trạm S(Tj) và S(Tk). Sau này (j,k) chỉ một thông điệp
như vậy.
Khi nhận một thông điệp (j,k) trên một trạm S nào đó, ta thực hiện các tác động
sau đây:
1. Trên trạm S(Tj) nguồn của giao dịch chặn Tk, ta thêm Tk vào tập hợp B(Tj) và
kiểm tra rằng ta không làm phát sinh bế tắc, có nghĩa là:
B(Tj) ∩ E(Tj) =
Ta gửi tiếp tục thông điệp (l,k) về phía các trạm nguồn của các giao dịch Tl chặn
Tj nhằm cho phép các trạm S(Tl) cập nhật các tập hợp BB(Tl) của các giao dịch bị chặn
bởi Tl. Song song với tác động trên, các thông điệp (l,k) được gửi về trạm nguồn của
các giao dịch Tk để cập nhật tập hợp E(Tk) của các giao dịch chặn Tk.
2. Trên trạm S(Tk) nguồn của giao dịch bị chặn Tk, ta thêm Tj cho tập hợp E(Tk)

và kiểm tra không có bế tắc, có nghĩa là:
B(TJ) ∩ E(Tk) =
Ta gửi tiếp tục thông điệp (j,m) về phía các trạm nguồn của các giao dịch Tm bị
chặn bởi Tk nhằm cho phép các trạm S(Tm) cập nhật các tập hợp E(Tm) của các giao
dịch chặn Tm.
Các khuyến nghị giải phóng dẫn đến thuật toán đối xứng mà ta không có điều
kiện giới thiệu ở đây.
Ví dụ 2: Hãy xét 3 trạm S 1, S2 và S3. Mỗi trạm Si chứa đối tượng ei và là nguồn
của giao dịch Ti:
T1
T2
T3
v_loai_tru_th(e1)
v_loai_tru_th(e2)
v_loai_tru_th(e3)
...........
...............
...............
..........
...............
...............
..........
...............
...............
v_loai_tru_th(e2)
v_loai_tru_th(e3)
v_loai_tru_th(e1)
Ta hãy tưởng tượng rằng tại thời điểm mà tất cả các giao dịch đã được thực hiện
có kết quả phép toán đầu tiên của then cài. Khi đó chuyển sang thời điểm của phép
toán thứ hai, các giao dịch đều bị chặn. Điều đó kéo theo các sự kiện sau đây:

Trang 9


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

T1

trên S2 đề nghị cung cấp e2 có trên T2;
S2 gửi (2,1) cho S1 và S2, từ đó ta có:
E(T1) = {T2}
B(T1) =
B(T2) = {T1}
E(T2) =
T2
trên S3 đề nghị cung cấp e3 có trên T3;
S3 gửi (3,2) cho S2 và S3, từ đó ta có :
B(T3) = {T2}
B(T3) =
E(T2) = {T3}
B(T2) = {T1}
S2 gửi (3,1) cho S1 và từ đó sinh ra:
E(T1) = {T2, T3}
B(T1) =
T3
trên S3 đề nghị cung cấp e1 có trên T1;
S1 sinh ra T3 trong B(T1) và ta ghi nhận là:
E(T1) ∩ B(T1) = {T3}

Như vậy, bế tắc được phát hiện trên S1.
VIII. Kết luận
Hai thuật toán vừa được giới thiệu ở trên xuất phát từ cơ sở cùng một nguyên lý
tương tự. Đó là sự thiếu chắc chắn trạng thái các trạm xa phát sinh vấn đề lưu trữ một
"giới hạn an toàn" nhất định. Điều đó lại ngăn cản các phép toán không kéo theo bế tắc.
Nhưng bản thân hai thuật toán này, khi triển khai lại cho phép sử dụng các kỹ
thuật khác nhau. Trong thuật toán dự phòng ta kiểm tra trên trạng thái từng phần một điều
kiện mạnh hơn điều kiện tối thiểu. Trong thuật toán phát hiện ta có trong một trạm trạng
thái của các trạm khác. Thông thường, mỗi trạm đều nhận các thông tin dư thừa.

Trang 10


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

Phần 2:

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

BÀI TẬP

Theo phương pháp Le Lann, người ta phối hợp một bộ tuần tự cho một tài nguyên
găng, ví dụ Sa, Sb, Sc,...Người ta nhóm các bộ tuần tự trên một jeton duy nhất.
Bạn hãy chứng minh rằng để triển khai một chiến lược cung cấp không có rủi ro
về bế tắc, người ta chỉ cần rút một số cho một tài nguyên cần thiết khi jeton chạy qua.
I. Bộ tuần tự
Bộ tuần tự là đối tượng đồng bộ cung cấp cho mỗi yêu cầu một số nhằm xác lập
trật tự.
Để cho 2 yêu cầu kế tiếp nhau thì 2 số liên tục nhau được cung cấp. Giá trị 0 được
cấp cho yêu cầu đầu tiên.

Một tiến trình muốn nhận giá trị từ bộ tuần tự S thì nó phải gọi thủ tục (hoặc hàm)
có tên Phieu(S). Mỗi giá trị chỉ phục vụ cho một và chỉ một sự kiện mà thôi.
Giả sử rằng tất cả các sự kiện được đánh số bởi bộ tuần tự duy nhất S. Khi một
tiến trình cung cấp cho sự kiện i một số thông qua Phieu(s), ta có thể khẳng định như sau:
- Các sự kiện t bao hàm các giá trị nhỏ hơn t đã được diễn ra
- Số thứ tự liền kề sau t phải là t+1
Một bộ tuần tự mang 2 đặc tính sau :
- Nếu a và b là 2 sự kiện được thực hiện trên cùng hàm Phieu(S), thì ta có
a→b hay b→a.
- Nếu a thực hiện phép t=Phieu(S) thì giá trị gán cho t là số lượng các
phép Phieu(S) đã được thực hiện trước a.
Đặc tính thứ nhất thể hiện việc loại trừ tương hỗ trên các phép toán Phieu(S), còn
đặc tính thứ hai thể hiện tính liên tục trong khi đánh số có nghĩa là không để lại khoảng
trống khi đánh số.
Việc triển khai bộ tuần tự trong hệ thống một bộ xử lý hay nhiều bộ xử lý với bộ
nhớ chung được tiến hành bằng cách triển khai cơ chế sơ đẳng loại trừ tương hỗ là đủ.
Trong các hệ thống phân tán, việc vận dụng nó không hề đơn giản bởi vì có sự hiện diện
của các kênh viễn thông sử dụng theo kiểu loại trừ tương hỗ và đặc biệt tồn tại vòng tròn
duy nhất hay một kênh lan truyền duy nhất.
Việc vận dụng tương đối tổng quát bộ tuần tự S trong hệ phân tán là sự chuyển
động giữa các trạm của một đối tượng duy nhất gọi là ấn phong chứa giá trị hiện hành
của bộ tuần tự. Khi một trạm có ấn phong, nó có thể thực hiện hàm Phieu(S).

Trang 11


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

II. Jeton tuần hoàn
Để triển khai một ấn phong có hiệu quả, đầu tiên ta phải xác định hành trình của
nó trong mạng máy tính như thế nào. Phương pháp đơn giản nhất là lắp đặt các trạm nằm
trên một vòng theo một chiều xác định. Mỗi trạm chỉ được liên hệ với 2 trạm gần nhất.
Ta hãy xem xét một mạng được hoàn toàn nối với nhau có nghĩa là một tập hợp
gồm N trạm, trong đó một trạm có thể liên lạc với các trạm khác một cách dễ dàng. Một
số duy nhất bao gồm từ 0 đến N-1 được phân phối một lần cho toàn bộ trên từng trạm.
Trạm i đều có trạm hàng xóm phải hay còn gọi trạm kế tiếp sau mà số trạm của nó là
suc[i] và hàng xóm bên trái hay còn gọi là trạm liền kề trước mà số của nó là pred[i]. Sự
mô tả này cho ta hình dung một vòng tròn ảo. Khi hoạt động bình thường, N trạm được
thể hiện đầy đủ trên vòng tròn, lúc này ta có:
suc[i]=i+1 modulo N
pred[i]=i-1 modulo N
Ấn phong được cụ thể hoá trên một vài cấu hình của các biến trạng thái và quay
trên vòng tròn ảo luôn luôn theo một chiều xác định. Để vòng tròn hoạt động tốt thì cần
thiết phải xây dựng lại vòng tròn khi một trạm nào đó có sự cố.
Trong thuật toán Le Lann, ấn phong được cụ thể hoá bằng một thông điệp đặc biệt
và gọi là Jeton tuần hoàn trên vòng tròn. Như thế việc sự cố trên mạng có thể dẫn đến
mất jeton. Các biến trạng thái được duy trì trên mỗi trạm cho phép tái sinh jeton trong
trườn hợp bị mất.
Thuật toán triển khai ý tưởng này là:
- Jeton mang giá trị là v. Mỗi một trạm j có một biến trạng thái S[j]. Trước
khi phát lại Jeton vào mạng, các tác động như sau được thực hiện:
S[j]:=v
cho j ≠ 0
v:=v+1 mod K; S[j]:=v
cho j=0
- Mỗi một lần chuyển jeton trên trạm j, một đồng hồ bảo vệ được trang bị.
Nếu nó được phát động trước khi jeton đến thì j tham chiếu đến biến trạng
thái S[i] của trạm liền kề trước i=pred(j) trên vòng tròn.

Nếu một trong hai điều kiện sau được kiểm tra:
j>i và S[j] ≠ S[i]
hay jthì jeton được xem như đã bị mất. Trong trường hợp đó, trạm j cần phải tái sinh lại nó và
cho giá trị chính xác S[i] và tái trang bị đồng hồ bảo vệ.
Trong thuật toán Le Lann, ví dụ ta áp cho jeton một công tơ với các giá trị nguyên
mà duy nhất chỉ có trạm có jeton mới có thể tăng và tham chiếu. Các giá trị xuất phát từ
tham chiếu đó được xem như là kết quả của phép toán Phieu trên trạm.

Trang 12


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

III. Cung cấp tài nguyên. Vấn đề bế tắc
Tiến trình P đưa ra yêu cầu cung cấp tài nguyên e để thực hiện phép toán cài then
có tính loại trừ v_loai_tru_th(e). Ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt, tất cả các tài
nguyên đều được truy cập theo kiểu loại trừ. Nếu việc cung cấp hoàn toàn hợp thức thì tài
nguyên này được trao cho P sử dụng. Ta nói tài nguyên này đã được P cài then, nếu
không thì P bị treo và P không cài then được tài nguyên này.
Trong hệ phân tán, ta sẽ tập trung xem xét các giao dịch Ti có thể sử dụng các tài
nguyên được định vị trên các trạm. Mỗi một giao dịch được triển khai nhờ một tập hợp
các tiến trình thể hiện là các đại diện của chúng trên các trạm khác nhau. Hai tiến trình
của cùng một giao dịch được định vị trên các trạm khác nhau có thể được thực hiện song
song. Nhằm thu hồi lại tài nguyên e trên trạm Sj, giao dịch Ti cho thực hiện phép toán
v_loai_tru_th(e) thông qua đại diện pij của mình trên trạm này.
Ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt, việc cung cấp diễn ra không có thu hồi. Một
tài nguyên bị khoá bởi một tiến trình không thể rút nó về được. Như thế, nó cần phải

được giải phóng bởi tiến trình này một cách tường minh nhờ vào phép toán mở then cài
mo_then(e).
Như vậy có thể xảy ra rủi ro do bế tắc, khi các tiến trình truy cập loại trừ được
phân phối mà không có khả năng thu hồi và các tiến trình cần phải sử dụng đồng thời tài
nguyên.
Điều kiện xảy ra bế tắc
Một tiến trình thường sử dụng tài nguyên theo các bước tuần tự sau:
+ Xin phép sử dụng
+ Sử dụng tài nguyên
+ Giải phóng tài nguyên sau khi sử dụng.
Bế tắc xảy ra nếu 4 điều kiện sau xuất hiện đồng thời:
+ C1: Loại trừ lẫn nhau
+ C2: Giữ và chờ
+ C3: Không có đặc quyền
+ C4: Chờ vòng
C1 - Loại trừ lẫn nhau: Một tài nguyên bị chiếm giữ bởi một tiến trình và không
có tiến trình nào khác có thể sử dụng tài nguyên này.
C2 - Giữ và chờ: Mỗi tiến trình giữ ít nhất một tài nguyên và chờ các tài nguyên
khác để sử dụng. Các tài nguyên này đang bị tiến trình khác chiếm giữ.
C3 - Không có đặc quyền: Tài nguyên bị chiếm giữ chỉ có thể rỗi khi tiến trình tự
nguyện giải phóng tài nguyên sau khi đã sử dụng xong.

Trang 13


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

C4 - Chờ vòng: Một tập các tiến trình {P 1, P2, … Pn} có xuất hiện điều kiện chờ

vòng nếu P1 chờ tài nguyên do P2 chiếm giữ, P2 chờ tài nguyên do P3 chiếm giữ,…
và Pn chờ tài nguyên do P1 chiếm giữ.
IV. Chứng minh
Theo phương pháp Le Lamn, người ta phối hợp một bộ tuần tự cho một tài nguyên
găng. Người ta nhóm các bộ tuần tự trên một jeton duy nhất.
Theo giả thiết ta có : Một Jeton tuần hoàn trên mạng chứa các thông tin
- Các bộ tuần tự Si tương ứng cho tài nguyên găng R i, trong đó i ∈ [1..n], n
là số lượng tài nguyên.
- Mỗi bộ tuần tự Si bao gồm :
+ Các tiến trình truy cập tài nguyên này là Pj, trong đó j ∈ [1..k]
+ Tình trạng tài nguyên : TinhTrang(Ri) bao gồm 2 giá trị là (True, P j)
và (False,0)
• Đang sử dụng (True, Pj) : Giá trị True là đang bị sử dụng và P j
là tiến trình đang sử dụng tài nguyên Si
• Đang giải phóng (False,0) : Không có tiến trình nào sử dụng
T1
R1

T2

T3

R2

Ri
Jeton

1
2
3

4
…

1
2
3
4
…

S1

S2

1
2
3
4
…
Si

Ta cần chứng minh khi Jeton chạy qua tài nguyên R i chỉ cần rút ra một số thì sẽ
được chiến lược cung cấp không có rủi ro về bế tắc.
Như đã trình bày, để chiến lược cung cấp tài nguyên không có xảy ra bế tắc, hệ
thống phải đảm bảo không đồng thời xảy ra các điều kiện C1, C2, C3, C4.

Trang 14


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

Thật vậy, khi Jeton tuần hoàn trên mạng đến tài nguyên R i thuật toán được thể hiện
như sau :
- Kiểm tra tình trạng tài nguyên Ri
+ Nếu TinhTrang(Ri) = (True, Pj) : bỏ qua tài nguyên Ri
+ Nếu TinhTrang(Ri) = (False, 0) : chiếm giữ và sử dụng tài nguyên Ri
Bắt đầu
Nếu Ktra( Ri ) = True bỏ qua không chiếm giữ tài nguyên Ri
nếu không
ChiemGiu( Ri )
TinhTrang(Ri)= (True, Pj )
Kết thúc

Trong đó thủ tục Ktra( Ri ) được thực hiện như sau:
Ktra( Ri ) = False
Vòng lặp
Nếu TinhTrang(Ri) = (True, Pj ) thì Ktra(Ri ) = True
j : = j + 1 nếu j < k
Kết thúc vòng lặp

Với thuật toán trên chỉ cần khi Jeton chạy qua tài nguyên R i và rút ra giá trị phiếu
của tiến trình cần sử dụng tài nguyên R i. Vì khi có được quyền (ấn phong) mới có thể yêu
cầu và sử dụng tài nguyên, và số rút được là duy nhất nên không xảy ra sự chồng chéo về
việc sử dụng tài nguyên; ngoài ra việc sử dụng tài nguyên được đảm bảo giải phóng sau
thời gian xác định nên việc trao quyền và rút số được đảm bảo tại các trạm. Như vậy sẽ
không có rủi ro về bế tắc.
V. Ví dụ
Ta có ba tài nguyên R1, R2, R3 và năm tiến trình đòi hỏi tài nguyên là P 1, P2, P3, P4,
P5. Nhu cầu tài nguyên được bố trí như bảng sau :

R1

P1

P2

X

X

R2
R3

P3

P5

X
X

X

P4
X

X

X

X

Jeton tuần hoàn trên mạng chứa các bộ tuần tự của tài nguyên :
Trang 15


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

- S1 : (P1, P2, P4) và tình trạng (False,0)
- S2 : (P3, P4, P5) và tình trạng (False,0)
- S3 : (P1, P4, P5) và tình trạng (False,0)
* Vòng 1:
- Tại R1 :
TinhTrang(R1) = (False,0)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 1 của P1
nên cho phép P1 sử dụng tài nguyên
- Tại R2 :
TinhTrang(R1) = (True, P1)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Do không có tiến trình nào đang thực hiện
và tranh chấp tài nguyên R2 của P3 nên cho
phép P3 sử dụng tài nguyên
- Tại R3 :
TinhTrang(R1) = (True, P1)

TinhTrang(R2) = (True, P3)
TinhTrang(R3) = (False,0) → TinhTrang(R3) = (True, P1)

Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 3 của P1
nên cho phép P1 sử dụng tài nguyên
* Vòng 2: Giả sử P1 và P3 vẫn chưa giải phóng tài nguyên và tại vòng 3 P 3 và P1 đã
giải phóng tài nguyên.
* Vòng 3:
- Tại R1 :
TinhTrang(R1) = (False,0)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Trang 16


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 1 của P2
nên cho phép P2 sử dụng tài nguyên
- Tại R2 :
TinhTrang(R1) = (True, P2)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 2 của P4
nên cho phép P4 sử dụng tài nguyên

- Tại R3 :
TinhTrang(R1) = (True, P2)
TinhTrang(R2) = (True, P4)
TinhTrang(R3) = (False,0) → TinhTrang(R3) = (True, P4)
Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R3 của P4
nên cho phép P4 sử dụng tài nguyên
* Vòng 4: Giả sử tài nguyên được sử dụng vòng trên đã được thu hồi. Khi Jeton
tuần hoàn vòng 4 ta có các giá trị như sau:
- Tại R1 :
TinhTrang(R1) = (False,0)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 1 của P4
nên cho phép P4 sử dụng tài nguyên
- Tại R2 :
TinhTrang(R1) = (True, P4)
TinhTrang(R2) = (False,0)
TinhTrang(R3) = (False,0)
Trang 17


Tiểu luận môn học: Hệ Phân Tán

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Sơn

Do không có tiến trình nào đang thực hiện
và tranh chấp tài nguyên R2 của P5 nên cho
phép P5 sử dụng tài nguyên

- Tại R3 :
TinhTrang(R1) = (True, P4)
TinhTrang(R2) = (True, P5)
TinhTrang(R3) = (False,0) → TinhTrang(R3) = (True, P5)
Do không có tiến trình nào đang thực
hiện và tranh chấp tài nguyên R 3 của P5
nên cho phép P5 sử dụng tài nguyên
Như vậy sau một số vòng tuần hoàn của Jeton tất cả các tiến trình P 1, P2,
P3, P4, P5 đều đã được cung cấp tài nguyên mà không bị bế tắc.

Trang 18


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Văn Sơn, Bài giảng Hệ tin học Phân tán, Đại học Đà nẵng năm 2009.
[2] Lê Văn Sơn, Hệ Tin học Phân tán, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí
Minh năm 2002.
[3] George Coulouris – Jean Dollimore – Tim kindberg, Distributed systems,
Pearson Education năm 2005.
[4] Lê Văn Sơn, Giáo trình Kỹ thuật Mạng máy tính, Trường Đại học Bách khoa
Đà Nẵng, Đà Nẵng năm 1994.
[5] Andrew S. Tanenbaum Maarten Van Steen 2, Distributed Systems, Vrije
University, Amsterdam năm 2005.
[6] Mullender, Distributed Systems, Addison Wesley, 2nd, ed. năm 1993.
[7] Lê Văn Sơn, Giáo trình Lập trình Hệ thống và Hệ điều hành các máy tính,
Trường Đại học Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng năm 2006.


MỤC LỤC
Phần 1: LÝ THUYẾT........................................................................................................................4

I. Các tài nguyên..........................................................................................................................4
II. Định nghĩa bế tắc....................................................................................................................4
III. Điều kiện xảy ra bế tắc..........................................................................................................5
IV. Đồ thị cấp phát tài nguyên.....................................................................................................5
V. Các phương pháp xử lýý́ bế tắc.................................................................................................6
VI. Ngăn chặn bế tắc....................................................................................................................6
VII. Thuật toán phát hiện bế tắc..................................................................................................7
VIII. Kết luận.............................................................................................................................10
Phần 2: BÀI TẬP.............................................................................................................................11
I. Bộ tuần tự...............................................................................................................................11
II. Jeton tuần hoàn......................................................................................................................12
III. Cung cấp tài nguyên. Vấn đề bế tắc.....................................................................................13
IV. Chứng minh..........................................................................................................................14
V. Ví dụ......................................................................................................................................15