Mutual Exclusion

     A.  Definisi
                Beberapa proses terkadang membutuhkan sumber daya yang sama pada saat bersamaan. Sumber daya seperti ini disebut sumber daya kritis. Bagian program yang menggunakan sumber daya kritis disebut memasuki critical region/section. Hanya satu program pada saat yang diijinkan masuk critical region. Kondisi yang tidak dapat diprediksi hasilnya, bergantung pada proses-proses berjalan yang sedang bersaing disebut Kondisi Pacu (Race Condition). Kondisi pacu harus dihilangkan agar hasil-hasil proses dapat diprediksi dan tidak bergantung pada jalanya proses-proses tersebut.

Sistem operasi hanya menyediakan layanan (berupa system call) untuk mencegah proses masuk critical section yang sedang dimasuki proses lain. Pemrogram harus menspesifikasikan bagian-bagian critical region sehingga sistem operasi akan menjaganya dengan suatu mekanisme untuk mencegah proses lain masuk critical region yang sedang dipakai proses lain. inilah yang dimaksud dengan mutual exclusion. Mutual Exclusion adalah suatu cara yang menjamin jika ada sebuah proses yang menggunakan variabel atau berkas yang sama (digunakan juga oleh proses lain), maka proses lain akan dikeluarkan dari pekerjaan yang sama.

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.
Kriteria penyelesaian Mutual Exclusion :

-       Mutual Exclusion harus dijamin.

-       Hanya satu proses pada satu saat yang diizinkan masuk Critical Section/Region.

-       Proses yang berada di noncritical section, dilarang memblok proses-proses yang ingin masuk critical section.

-       Harus dijamin proses yang ingin masuk critical section tidak menunggu lama hingga waktu tak terhingga, agar tidak terjadi deadlock atau starvation.

-       Ketika ada proses di critical section maka proses yang ingin masuk critical section harus diijinkan segera masuk tanpa waktu tunda.

-       Tidak ada asumsi mengenai kecepatan relative proses atau jumlah proses yang ada.

       B.  Metode-metode Penjamin Mutual Exclusion

1.       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. 

-        

2.       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.

3.       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 proses 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.

4.       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.

           C.  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.

sumber:
http://godaizone.blogspot.com/2010/12/mutual-exclusion.html
dinuantz.files.wordpress.com/2010/01/makalah-sistem-operasi.doc