Synchronization (CHAPTER 6) / সিঙ্ক্রোনাইজেশন

 সিঙ্ক্রোনাইজেশন (Synchronization) 

১. পরিচয়

সিঙ্ক্রোনাইজেশন হল একটি প্রক্রিয়া যা বিভিন্ন প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে তথ্যের সঠিক এবং সঙ্গতিপূর্ণ প্রবাহ নিশ্চিত করে। এটি বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ যখন একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেড একসাথে কাজ করে এবং তারা সাধারণ সম্পদ (resources) ব্যবহার করে। সঠিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন ছাড়া, তথ্যের অখণ্ডতা (integrity) বজায় রাখা কঠিন হয়ে পড়ে, যা ডেটা লস বা অস্থিরতার কারণ হতে পারে।

২. সিঙ্ক্রোনাইজেশনের প্রয়োজনীয়তা

• ডেটা অখণ্ডতা: যখন একাধিক প্রক্রিয়া একই সময়ে একটি ডেটা স্ট্রাকচারে অ্যাক্সেস করে, তখন সিঙ্ক্রোনাইজেশন নিশ্চিত করে যে ডেটা সঠিক এবং সঙ্গতিপূর্ণ থাকে।
• রেস কন্ডিশন (Race Condition): এটি একটি পরিস্থিতি যেখানে ফলাফলটি প্রক্রিয়াগুলির ক্রমের উপর নির্ভর করে। সিঙ্ক্রোনাইজেশন ব্যবহার করে এই পরিস্থিতি এড়ানো যায়।
• মার্জিনাল অবস্থান: যখন একাধিক থ্রেড একই সময়ে একটি রিসোর্স অ্যাক্সেস করে, তখন সিঙ্ক্রোনাইজেশন তাদের মধ্যে সময় ভাগ করে।

৩. সিঙ্ক্রোনাইজেশন কৌশল

·         মিউটেক্স (Mutex): এটি একটি লকিং মেকানিজম যা একসাথে একাধিক থ্রেডের অ্যাক্সেস সীমাবদ্ধ করে। একটি থ্রেড যখন মিউটেক্স লক করে, তখন অন্য থ্রেডগুলি সেই রিসোর্স অ্যাক্সেস করতে পারে না যতক্ষণ না প্রথম থ্রেডটি লক মুক্ত করে।

·         সেমাফোর (Semaphore): এটি একটি গণনা ভিত্তিক লকিং মেকানিজম। সেমাফোর একটি নির্দিষ্ট সংখ্যা থ্রেডকে একই সময়ে একটি রিসোর্স অ্যাক্সেস করার অনুমতি দেয়। এটি সাধারণত কনকারেন্ট প্রোগ্রামিংয়ে ব্যবহৃত হয়।

·         কন্ডিশন ভেরিয়েবল (Condition Variable): এটি একটি সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া যা থ্রেডগুলিকে একটি নির্দিষ্ট অবস্থার জন্য অপেক্ষা করতে দেয় এবং যখন সেই অবস্থা ঘটে, তখন অন্য থ্রেডগুলিকে সিগন্যাল করে।

৪. সিঙ্ক্রোনাইজেশনের সমস্যা

·         ডেডলক (Deadlock): এটি একটি পরিস্থিতি যেখানে দুটি বা ততোধিক থ্রেড পরস্পরের জন্য অপেক্ষা করে, ফলে তারা কখনই এগোতে পারে না। ডেডলক এড়ানোর জন্য বিভিন্ন কৌশল ব্যবহার করা হয়, যেমন ডেডলক ডিটেকশন এবং রিসোর্স অর্ডারিং।

·         লিভলক (Live-lock): এটি একটি অবস্থা যেখানে থ্রেডগুলি পরস্পরের সঙ্গে যোগাযোগ করে এবং একই অবস্থায় থাকে, কিন্তু বাস্তবে কিছু কার্যকরী কাজ করতে পারে না।

সিঙ্ক্রোনাইজেশন অপারেটিং সিস্টেমের একটি গুরুত্বপূর্ণ দিক, যা প্রক্রিয়া এবং থ্রেডগুলির মধ্যে নিরাপদ এবং সঙ্গতিপূর্ণ কাজের নিশ্চয়তা দেয়। সঠিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন কৌশলগুলি ব্যবহার করে সিস্টেমের কর্মক্ষমতা এবং নির্ভরযোগ্যতা বৃদ্ধি করা যায়। তাই, সঠিকভাবে সিঙ্ক্রোনাইজেশন পরিচালনা করা এবং সম্পর্কিত সমস্যা সমাধান করা একজন ডেভেলপার বা সিস্টেম অ্যাডমিনিস্ট্রেটরের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

ক্রিটিক্যাল সেকশন সমস্যা

ক্রিটিক্যাল সেকশন সমস্যা অপারেটিং সিস্টেমের একটি গুরুত্বপূর্ণ ধারণা, যা মাল্টি-থ্রেডেড বা মাল্টি-প্রসেস পরিবেশে ঘটে। এটি তখনই উদ্ভূত হয় যখন একাধিক প্রসেস বা থ্রেড একটি শেয়ার্ড রিসোর্স (যেমন মেমোরি, ডেটাবেস, ফাইল ইত্যাদি) অ্যাক্সেস করতে চায়। যদি একই সময়ে একাধিক প্রসেস বা থ্রেড শেয়ার্ড রিসোর্সে পরিবর্তন করতে চেষ্টা করে, তবে তা অসঙ্গতি বা তথ্যের ক্ষতি ঘটাতে পারে।

সমস্যা ব্যাখ্যা:

ক্রিটিক্যাল সেকশনের ধারণা বোঝার জন্য প্রথমে কিছু গুরুত্বপূর্ণ শব্দার্থ বুঝতে হবে:

1.   ক্রিটিক্যাল সেকশন (Critical Section): এটি একটি কোডের অংশ যা একটি শেয়ার্ড রিসোর্সকে অ্যাক্সেস করে। শুধুমাত্র একটি প্রসেস বা থ্রেড একে একে এই সেকশনে প্রবেশ করতে পারে।

2.   প্রোটেকশন (Protection): প্রসেসগুলির মধ্যে প্রতিযোগিতা এড়ানোর জন্য, ক্রিটিক্যাল সেকশনের সঠিক ব্যবস্থাপনা প্রয়োজন।

3.   এমপ্লয়মেন্ট (Implementation): সমস্যা সমাধানের জন্য বিভিন্ন পদ্ধতি রয়েছে, যা নিচে আলোচনা করা হয়েছে।

সমস্যা সমাধানের পদ্ধতি:

১. মিউটেক্স (Mutex): এটি একটি লক মেকানিজম, যা নিশ্চিত করে যে একটি সময়ে শুধুমাত্র একটি থ্রেড বা প্রসেস ক্রিটিক্যাল সেকশনে প্রবেশ করতে পারে।

২. সেমাফোর (Semaphore): এটি একটি সংকেত ব্যবস্থাপনা সিস্টেম, যা একাধিক প্রসেসের মধ্যে প্রবেশাধিকার নিয়ন্ত্রণ করে। সেমাফোর দুই ধরনের হতে পারে: বাইনারি সেমাফোর (যা মিউটেক্সের মতো) এবং কাউন্টিং সেমাফোর (যা নির্দিষ্ট সংখ্যা পর্যন্ত প্রসেসকে অনুমতি দেয়)।

৩. পার্সনালিটি (Spin-lock): এটি একটি অপেক্ষার লক, যেখানে থ্রেডগুলি ক্রিটিক্যাল সেকশনে প্রবেশের জন্য অপেক্ষা করে, কিন্তু CPU সাইকেল খরচ করে।

৪. বহু-স্তরীয় লক (Lock-Free Techniques): এটি এমন একটি প্রযুক্তি যেখানে লক ব্যবহার না করেও ক্রিটিক্যাল সেকশনে নিরাপত্তা নিশ্চিত করা হয়, সাধারণত অ্যাটমিক অপারেশন ব্যবহার করে।

সমস্যার বৈশিষ্ট্য:

ক্রিটিক্যাল সেকশন সমস্যার তিনটি মূল বৈশিষ্ট্য আছে:

1.   মিউচুয়াল এক্সক্লুশন (Mutual Exclusion): এক সময়ে শুধুমাত্র একটি থ্রেড বা প্রসেস ক্রিটিক্যাল সেকশনে প্রবেশ করতে পারে।

2.   প্রগ্রেস (Progress): যদি কোন থ্রেড বা প্রসেস ক্রিটিক্যাল সেকশনে প্রবেশ না করে, তবে অন্য থ্রেডগুলি অবিলম্বে প্রবেশ করতে পারবে।

3.   বাউন্ডেড ওয়েটিং (Bounded Waiting): একটি থ্রেড বা প্রসেস কতক্ষণ অপেক্ষা করবে তা নির্দিষ্ট থাকতে হবে।

ক্রিটিক্যাল সেকশন সমস্যা সমাধানে সঠিক প্রোটোকল এবং টেকনিকের ব্যবহার অপরিহার্য। অপারেটিং সিস্টেমের কার্যক্ষমতা এবং কার্যকারিতার জন্য এই সমস্যার সমাধান করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। সঠিক ব্যবস্থাপনা না করলে, এটি ডেডলক, রেস কন্ডিশন এবং অন্যান্য সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে।

সিঙ্ক্রোনাইজেশন টুলস: সেমাফোর, মিউটেক্স, মনিটর

অপারেটিং সিস্টেমে একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে সঠিক সমন্বয় সাধন করার জন্য সিঙ্ক্রোনাইজেশন টুলস ব্যবহৃত হয়। এর মধ্যে প্রধান তিনটি টুল হল: সেমাফোর, মিউটেক্স, এবং মনিটর। এই টুলগুলি সমান্তরাল প্রোগ্রামিংয়ে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে।

১. সেমাফোর (Semaphore)

সেমাফোর হল একটি সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া যা একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে এক্সেস নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহৃত হয়। এটি মূলত একটি পূর্ণসংখ্যা ভেরিয়েবল, যা প্রক্রিয়াগুলির সংখ্যা নির্ধারণ করে যারা একটি নির্দিষ্ট সংস্থান ব্যবহার করতে পারে।

·         প্রকারভেদ:

• বাইনারি সেমাফোর: এই সেমাফোরের মান ০ অথবা ১ হয়, যা মূলত মিউটেক্সের মতো কাজ করে।
• কাউন্টিং সেমাফোর: এই সেমাফোরের মান শূন্য থেকে শুরু করে যেকোনো ধনাত্মক পূর্ণসংখ্যা হতে পারে। এটি বিভিন্ন প্রক্রিয়াকে একটি নির্দিষ্ট সংখ্যা পর্যন্ত সংস্থান ব্যবহারের অনুমতি দেয়।

·         ব্যবহার: সেমাফোর মূলত সমন্বয় সাধনের জন্য ব্যবহৃত হয়, যেমন, একাধিক থ্রেডের মধ্যে একটি কCritical Section প্রবেশের আগে সেমাফোরের মান পরীক্ষা করা হয়।

২. মিউটেক্স (Mutex)

মিউটেক্স হল একটি সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া যা মূলত একটিমাত্র প্রক্রিয়াকে একটি সময়ে একটি নির্দিষ্ট সম্পদে প্রবেশাধিকার দেওয়ার জন্য ব্যবহৃত হয়। মিউটেক্স মূলত "মিউটুয়াল এক্সক্লুশন" এর সংক্ষিপ্ত রূপ।

• কাজের পদ্ধতি:
• যখন একটি থ্রেড মিউটেক্স লক করে, তখন অন্য কোনো থ্রেড সেই সম্পদে প্রবেশ করতে পারে না যতক্ষণ না প্রথম থ্রেড মিউটেক্স আনলক করে।
• এটি থ্রেডের মধ্যে ডেটার সুরক্ষা নিশ্চিত করে এবং ডেটা রেসিং সমস্যা প্রতিরোধ করে।

৩. মনিটর (Monitor)

মনিটর একটি উচ্চ স্তরের সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া, যা প্রক্রিয়াগুলির মধ্যে সমন্বয় সাধনের জন্য ব্যবহৃত হয়। এটি একটি অবজেক্ট-ভিত্তিক প্রোগ্রামিং কনসেপ্ট এবং সাধারণত মিউটেক্সের তুলনায় আরও কার্যকরী।

·         বৈশিষ্ট্য:

• মনিটরের মধ্যে একাধিক প্রক্রিয়া থাকতে পারে, তবে একবারে শুধুমাত্র একটি প্রক্রিয়া এতে প্রবেশ করতে পারে।
• এটি সাধারণত একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে সিঙ্ক্রোনাইজেশনের জন্য স্বয়ংক্রিয়ভাবে লক এবং আনলকের কার্যক্রম সম্পাদন করে।

·         ব্যবহার: মনিটরগুলি মূলত ডেটা কাঠামোর নিরাপত্তা নিশ্চিত করতে ব্যবহৃত হয় এবং সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমস্যাগুলি সহজে সমাধান করতে সাহায্য করে।

সেমাফোর, মিউটেক্স, এবং মনিটর তিনটি গুরুত্বপূর্ণ সিঙ্ক্রোনাইজেশন টুল যা অপারেটিং সিস্টেমে একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে সঠিক সমন্বয় সাধনে সাহায্য করে। এগুলি ডেটার নিরাপত্তা নিশ্চিত করে এবং সমান্তরাল প্রোগ্রামিংয়ে কার্যকরীভাবে কাজ করতে সক্ষম করে। এই টুলগুলি সঠিকভাবে ব্যবহার করা হলে সিস্টেমের দক্ষতা এবং স্থায়িত্ব বৃদ্ধি পায়।

ক্লাসিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমস্যা

অপারেটিং সিস্টেমে (OS) ক্লাসিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমস্যা হল সেই সমস্যা যা মাল্টিপ্রসেসিং সিস্টেমে বিভিন্ন প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে সঠিক সমন্বয় সাধনে সহায়তা করে। সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমস্যা সমাধান করা খুবই গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এটি ডেটা অখণ্ডতা নিশ্চিত করে এবং সিস্টেমের কার্যকারিতা উন্নত করে।

১. উৎপাদক-ভোক্তা সমস্যা (Producer-Consumer Problem)

এই সমস্যায় দুটি প্রক্রিয়া (উৎপাদক এবং ভোক্তা) একটি শেয়ার করা বাফারে ডেটা স্থানান্তর করে। উৎপাদক প্রক্রিয়া ডেটা তৈরি করে এবং ভোক্তা প্রক্রিয়া সেই ডেটা গ্রহণ করে। এখানে প্রধান সমস্যা হল:

• সিঙ্ক্রোনাইজেশন: উৎপাদক যখন বাফার পূর্ণ থাকে তখন তাকে অপেক্ষা করতে হয় এবং ভোক্তা যখন বাফার খালি থাকে তখন তাকেও অপেক্ষা করতে হয়।
• বাফার সীমাবদ্ধতা: বাফারে নির্দিষ্ট সংখ্যা ডেটা রাখতে হয়, তাই উৎপাদক এবং ভোক্তার মধ্যে সঠিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন অপরিহার্য।

সমাধান:

এই সমস্যার সমাধানে সেমাফোর এবং মিউটেক্স ব্যবহার করা হয়। উৎপাদক ও ভোক্তার মধ্যে সমন্বয় সাধনের জন্য একটি শর্ত ব্যবহার করা হয়, যেখানে উৎপাদক এবং ভোক্তা উভয়ই সঠিক সময়ে কাজ করে।

 

২. পাঠক-লেখক সমস্যা (Readers-Writers Problem)

এই সমস্যা দুই ধরনের প্রক্রিয়া নিয়ে গঠিত: পাঠক এবং লেখক। পাঠক ডেটা পড়ে এবং লেখক ডেটা লেখে। এখানে প্রধান সমস্যা হল:

• পাঠকদের অগ্রাধিকার: যদি একাধিক পাঠক একসাথে ডেটা পড়তে পারে তবে লেখক সেই সময়ে লেখার সুযোগ পায় না।
• লেখকের একক প্রবেশাধিকার: লেখক যখন ডেটা লিখছে, তখন অন্য কেউ (পাঠক বা লেখক) তা পড়তে বা লিখতে পারবে না।

সমাধান:

এই সমস্যার সমাধানের জন্য সেমাফোর, মিউটেক্স এবং অন্যান্য সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া ব্যবহার করা হয়। সাধারণত লেখকদের জন্য অপেক্ষা করতে হয় যতক্ষণ না সকল পাঠক তাদের কাজ শেষ করে।

 

৩. খাবার ফিলসফারদের সমস্যা (Dining Philosophers Problem)

এই সমস্যায় পাঁচটি ফিলসফার এক টেবিলের চারপাশে বসে আছেন। প্রতিটি ফিলসফারের একটি চোয়াল রয়েছে এবং খাবার খেতে দুটি চোয়ালের প্রয়োজন। সমস্যা হল:

• মৃত লক: যদি প্রতিটি ফিলসফার একটি চোয়াল তুলে ধরে এবং অপেক্ষা করে, তাহলে তারা একে অপরের চোয়ালটি ধরার সুযোগ পাবে না, ফলে সবার জন্য খাদ্য গ্রহণ করা অসম্ভব হয়ে পড়বে।
• প্রদর্শন: ফিলসফারদের মধ্যে সঠিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন নিশ্চিত করা প্রয়োজন যাতে তারা খাদ্য গ্রহণের জন্য যথাযথভাবে কাজ করতে পারে।

সমাধান:

এটি সমাধানের জন্য বিভিন্ন অ্যালগরিদম ব্যবহৃত হয়, যেমন: একটি সেমাফোর বা মিউটেক্স ব্যবহার করা যাতে ফিলসফাররা একসাথে খাদ্য গ্রহণ করতে পারে এবং মৃত লক এড়ানো যায়।

 

ক্লাসিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমস্যাগুলি অপারেটিং সিস্টেমের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ। সঠিক সমাধান ও সিঙ্ক্রোনাইজেশন ব্যবস্থার মাধ্যমে সিস্টেমের কার্যকারিতা বাড়ানো সম্ভব। এই সমস্যাগুলি সমাধান করতে নানাবিধ প্রযুক্তি এবং কৌশল ব্যবহৃত হয় যা মাল্টিপ্রসেসিংয়ের দক্ষতা নিশ্চিত করে।

হার্ডওয়্যার সাপোর্ট ফর সিঙ্ক্রোনাইজেশন ইন অপারেটিং সিস্টেম

অপারেটিং সিস্টেমের মধ্যে বিভিন্ন প্রক্রিয়া বা থ্রেডগুলির মধ্যে সিঙ্ক্রোনাইজেশন নিশ্চিত করার জন্য হার্ডওয়্যার সাপোর্ট গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। সিঙ্ক্রোনাইজেশন হল সেই প্রক্রিয়া যা নিশ্চিত করে যে একাধিক প্রক্রিয়া বা থ্রেড সমন্বিতভাবে কাজ করছে এবং তারা একই সময়ে একটি শেয়ার করা রিসোর্সে প্রবেশ করছে না, যা ডেটা অখণ্ডতা এবং সিস্টেমের স্থিতিশীলতার জন্য অপরিহার্য।

১. হার্ডওয়্যার সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রক্রিয়া

হার্ডওয়্যার সিঙ্ক্রোনাইজেশন সাধারণত নিচের উপাদানগুলির মাধ্যমে কার্যকরী হয়:

·         লক এবং আনলক অপারেশন: CPU-এর ইনস্ট্রাকশন সেটে বিশেষ লক এবং আনলক অপারেশন অন্তর্ভুক্ত থাকে, যা প্রক্রিয়াগুলিকে রিসোর্সের ওপর এক্সক্লুসিভ অ্যাক্সেস প্রদান করে। যখন একটি প্রক্রিয়া লক অর্জন করে, তখন অন্য কোনো প্রক্রিয়া একই রিসোর্সে প্রবেশ করতে পারে না।

·         সেমাফোর: সেমাফোর একটি গাণিতিক মান যা প্রক্রিয়াগুলির মধ্যে সিঙ্ক্রোনাইজেশন করতে ব্যবহৃত হয়। এটি একটি কাউন্টার হিসাবে কাজ করে যা নির্দিষ্ট সংখ্যক প্রক্রিয়াকে একটি রিসোর্স ব্যবহার করতে অনুমতি দেয়। হার্ডওয়্যার সেমাফোরের মাধ্যমে CPU সেমাফোরের মান পড়া এবং আপডেট করার জন্য সরাসরি ইনস্ট্রাকশন দিতে পারে।

·         মিউটেক্স: মিউটেক্স হল একটি বিশেষ ধরণের সেমাফোর যা শুধুমাত্র একটি প্রক্রিয়াকে এক সময়ে একটি নির্দিষ্ট রিসোর্সে প্রবেশ করতে দেয়। হার্ডওয়্যার স্তরের মিউটেক্স তৈরি এবং পরিচালনার জন্য আলাদা নির্দেশাবলী ব্যবহার করা হয়।

২. বৈশিষ্ট্যসমূহ

·         অ্যাটমিক অপারেশন: হার্ডওয়্যার সিঙ্ক্রোনাইজেশন অপারেশনগুলো সাধারণত অ্যাটমিক হয়, অর্থাৎ, একটি অপারেশন সম্পন্ন হওয়ার সময় অন্য কোন অপারেশন শুরু হতে পারে না। এটি ডেটার অখণ্ডতা রক্ষা করে।

·         স্মৃতি প্রতিবন্ধকতা: হার্ডওয়্যার সিঙ্ক্রোনাইজেশন স্মৃতির ব্যবহারে প্রতিবন্ধকতা সৃষ্টি করে, যার ফলে প্রতিটি প্রক্রিয়া তাদের স্থানীয় কপি ব্যবহার করতে পারে এবং সিস্টেমের মূল মেমরি দুর্বল না হয়।

৩. উদাহরণ

·         কন্ট্রোলার ইনস্ট্রাকশন: হার্ডওয়্যার সিঙ্ক্রোনাইজেশনে সাধারণভাবে ব্যবহার করা হয় Test-and-Set, Compare-and-Swap এর মতো ইনস্ট্রাকশন, যা সেমাফোর এবং মিউটেক্স তৈরি ও পরিচালনা করতে ব্যবহৃত হয়।

·         মাল্টি-প্রসেসর সিস্টেম: মাল্টি-প্রসেসর সিস্টেমে সিঙ্ক্রোনাইজেশন আরও গুরুত্বপূর্ণ। হার্ডওয়্যার সাপোর্ট নিশ্চিত করে যে একটি প্রসেসর অন্য প্রসেসরের সিঙ্ক্রোনাইজেশন সম্পাদনাকে প্রভাবিত না করে।

হার্ডওয়্যার সাপোর্ট ফর সিঙ্ক্রোনাইজেশন অপারেটিং সিস্টেমের জন্য অপরিহার্য। এটি সিস্টেমের দক্ষতা বৃদ্ধি করে এবং বিভিন্ন প্রক্রিয়া বা থ্রেডের মধ্যে সঠিক সমন্বয় রক্ষা করে। ফলে, সিঙ্ক্রোনাইজেশন নিশ্চিত করতে হার্ডওয়্যার সমর্থন গুরুত্বপূর্ণ একটি ফ্যাক্টর হিসেবে কাজ করে।