কনকারেন্সি আয়ত্ত করা: লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশনে গভীর ডুব

একটি ব্যস্ত পেশাদার রান্নাঘরের কথা কল্পনা করুন। একাধিক শেফ একই সাথে কাজ করছেন, তাদের সকলেরই উপাদানগুলির একটি সাধারণ প্যান্ট্রিতে অ্যাক্সেস প্রয়োজন। যদি দুইজন শেফ একই মুহূর্তে একটি বিরল মশলার শেষ জারটি নেওয়ার চেষ্টা করে, তবে সেটি কে পাবে? যদি একজন শেফ একটি রেসিপি কার্ড আপডেট করেন এবং অন্যজন সেটি পড়েন, তবে কী হবে, যা একটি অসম্পূর্ণ, অর্থহীন নির্দেশনার দিকে পরিচালিত করবে? এই রান্নাঘরের বিশৃঙ্খলা আধুনিক সফটওয়্যার ডেভেলপমেন্টের কেন্দ্রীয় চ্যালেঞ্জের জন্য একটি উপযুক্ত উপমা: কনকারেন্সি।

আজকের মাল্টি-কোর প্রসেসর, বিতরণকৃত সিস্টেম এবং অত্যন্ত প্রতিক্রিয়াশীল অ্যাপ্লিকেশনগুলির বিশ্বে, কনকারেন্সি—একটি প্রোগ্রামের বিভিন্ন অংশ চূড়ান্ত ফলাফলকে প্রভাবিত না করে আংশিকভাবে বা এলোমেলোভাবে কার্যকর করার ক্ষমতা—একটি বিলাসিতা নয়; এটি একটি প্রয়োজনীয়তা। এটি দ্রুত ওয়েব সার্ভার, মসৃণ ইউজার ইন্টারফেস এবং শক্তিশালী ডেটা প্রসেসিং পাইপলাইনের পিছনে থাকা ইঞ্জিন। তবে, এই শক্তি উল্লেখযোগ্য জটিলতা নিয়ে আসে। যখন একাধিক থ্রেড বা প্রক্রিয়া একই সাথে শেয়ার করা রিসোর্স অ্যাক্সেস করে, তখন তারা একে অপরের সাথে হস্তক্ষেপ করতে পারে, যার ফলে ডেটা দূষিত হতে পারে, অপ্রত্যাশিত আচরণ হতে পারে এবং গুরুতর সিস্টেম ব্যর্থতা হতে পারে। এখানেই কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ কাজে আসে।

এই বিস্তৃত গাইডটি এই নিয়ন্ত্রিত বিশৃঙ্খলা পরিচালনার জন্য সবচেয়ে মৌলিক এবং বহুল ব্যবহৃত কৌশলটি অন্বেষণ করবে: লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন। আমরা লকগুলি কী, তাদের বিভিন্ন রূপগুলি অন্বেষণ করব, তাদের বিপজ্জনক ফাঁদগুলি নেভিগেট করব এবং শক্তিশালী, নিরাপদ এবং দক্ষ সমবর্তী কোড লেখার জন্য গ্লোবাল সেরা অনুশীলনগুলির একটি সেট স্থাপন করব।

কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ কি?

এর মূল অংশে, কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ হল কম্পিউটার বিজ্ঞানের একটি শৃঙ্খলা যা শেয়ার করা ডেটার উপর একযোগে অপারেশনগুলি পরিচালনা করার জন্য উৎসর্গীকৃত। এর প্রাথমিক লক্ষ্য হল নিশ্চিত করা যে সমবর্তী অপারেশনগুলি একে অপরের সাথে হস্তক্ষেপ না করে সঠিকভাবে কার্যকর হয়, ডেটার অখণ্ডতা এবং ধারাবাহিকতা বজায় রাখে। এটিকে রান্নাঘরের ম্যানেজারের মতো ভাবুন যিনি শেফদের প্যান্ট্রিতে অ্যাক্সেস করার জন্য নিয়ম তৈরি করেন যাতে কোনও কিছু যেন উপচে না পরে, কোনও গোলমাল না হয় এবং উপাদান নষ্ট না হয়।

ডাটাবেসের জগতে, কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ ACID বৈশিষ্ট্য (পরমাণুতা, ধারাবাহিকতা, বিচ্ছিন্নতা, স্থায়িত্ব) বজায় রাখার জন্য অপরিহার্য, বিশেষ করে বিচ্ছিন্নতা। বিচ্ছিন্নতা নিশ্চিত করে যে লেনদেনের সমবর্তী কার্যকর করার ফলে একটি সিস্টেমের অবস্থা পাওয়া যায় যা লেনদেনগুলি ধারাবাহিকভাবে, একের পর এক কার্যকর করা হলে পাওয়া যেত।

কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ বাস্তবায়নের জন্য দুটি প্রধান দর্শন রয়েছে:

• অপটিমিস্টিক কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ: এই পদ্ধতিটি ধরে নেয় যে সংঘর্ষ বিরল। এটি কোনো অগ্রিম পরীক্ষা ছাড়াই অপারেশনগুলি চালিয়ে যেতে দেয়। একটি পরিবর্তন করার আগে, সিস্টেম যাচাই করে যে অন্য কোনো অপারেশন ইতিমধ্যে ডেটা পরিবর্তন করেছে কিনা। যদি কোনো সংঘর্ষ সনাক্ত করা হয়, তবে অপারেশনটি সাধারণত রোল ব্যাক করা হয় এবং পুনরায় চেষ্টা করা হয়। এটি একটি "ক্ষমা চাওয়ার, অনুমতির জন্য নয়" কৌশল।
• প্যাসিমিস্টিক কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণ: এই পদ্ধতিটি ধরে নেয় যে সংঘর্ষ হওয়ার সম্ভাবনা রয়েছে। এটি একটি অপারেশনকে অ্যাক্সেস করার আগে একটি রিসোর্সের উপর একটি লক অর্জন করতে বাধ্য করে, যা অন্যান্য অপারেশনগুলিকে হস্তক্ষেপ করা থেকে বাধা দেয়। এটি একটি "অনুমতির জন্য চাওয়ার, ক্ষমার জন্য নয়" কৌশল।

এই নিবন্ধটি একচেটিয়াভাবে প্যাসিমিস্টিক পদ্ধতির উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে, যা লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশনের ভিত্তি।

মূল সমস্যা: রেস কন্ডিশন

আমরা সমাধানটি উপলব্ধি করতে পারার আগে, আমাদের সমস্যাটি সম্পূর্ণরূপে বুঝতে হবে। সমবর্তী প্রোগ্রামিং-এর সবচেয়ে সাধারণ এবং মারাত্মক বাগ হল রেস কন্ডিশন। একটি রেস কন্ডিশন ঘটে যখন একটি সিস্টেমের আচরণ অপ্রত্যাশিত ক্রম বা অনিয়ন্ত্রিত ইভেন্টগুলির সময়, যেমন অপারেটিং সিস্টেম দ্বারা থ্রেডগুলির সময় নির্ধারণের উপর নির্ভর করে।

আসুন ক্লাসিক উদাহরণ বিবেচনা করি: একটি শেয়ার করা ব্যাঙ্ক অ্যাকাউন্ট। ধরে নিন একটি অ্যাকাউন্টে ১০০০ ডলার ব্যালেন্স আছে এবং দুটি সমবর্তী থ্রেড প্রতিটিতে ১০০ ডলার জমা করার চেষ্টা করে।

এখানে একটি জমা করার জন্য ক্রিয়াকলাপগুলির একটি সরলীকৃত ক্রম:

1. মেমরি থেকে বর্তমান ব্যালেন্স পড়ুন।
2. এই মানটিতে জমা করার পরিমাণ যোগ করুন।
3. নতুন মানটি আবার মেমরিতে লিখুন।

একটি সঠিক, সিরিয়াল এক্সিকিউশনের ফলে চূড়ান্ত ব্যালেন্স ১200 ডলার হবে। কিন্তু একটি সমবর্তী পরিস্থিতিতে কি হয়?

অপারেশনগুলির একটি সম্ভাব্য আন্তঃব্যবহার:

• থ্রেড A: ব্যালেন্স পড়ে (১০০০ ডলার)।
• প্রাসঙ্গিক সুইচ: অপারেটিং সিস্টেম থ্রেড A বন্ধ করে দেয় এবং থ্রেড B চালায়।
• থ্রেড B: ব্যালেন্স পড়ে (এখনও ১০০০ ডলার)।
• থ্রেড B: তার নতুন ব্যালেন্স গণনা করে (১০০০ ডলার + ১০০ ডলার = ১১০০ ডলার)।
• থ্রেড B: নতুন ব্যালেন্স (১১০০ ডলার) মেমরিতে লিখে।
• প্রাসঙ্গিক সুইচ: অপারেটিং সিস্টেম থ্রেড A পুনরায় শুরু করে।
• থ্রেড A: এটি আগে যে মানটি পড়েছিল তার উপর ভিত্তি করে তার নতুন ব্যালেন্স গণনা করে (১০০০ ডলার + ১০০ ডলার = ১১০০ ডলার)।
• থ্রেড A: নতুন ব্যালেন্স (১১০০ ডলার) মেমরিতে লিখে।

চূড়ান্ত ব্যালেন্স ১১০০ ডলার, প্রত্যাশিত ১200 ডলার নয়। রেস কন্ডিশনের কারণে ১০০ ডলার জমা হাওয়ায় মিলিয়ে গেছে। কোডের ব্লক যেখানে শেয়ার করা রিসোর্স (অ্যাকাউন্ট ব্যালেন্স) অ্যাক্সেস করা হয় তাকে ক্রিটিক্যাল সেকশন বলা হয়। রেস কন্ডিশন প্রতিরোধ করার জন্য, আমাদের নিশ্চিত করতে হবে যে শুধুমাত্র একটি থ্রেড নির্দিষ্ট সময়ে ক্রিটিক্যাল সেকশনের মধ্যে কার্যকর করতে পারে। এই নীতিটিকে পারস্পরিক বর্জন বলা হয়।

লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন প্রবর্তন

লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন পারস্পরিক বর্জন প্রয়োগের প্রাথমিক প্রক্রিয়া। একটি লক (একটি মিউটেক্স হিসাবেও পরিচিত) একটি সিঙ্ক্রোনাইজেশন আদিম যা একটি ক্রিটিক্যাল সেকশনের জন্য গার্ড হিসাবে কাজ করে।

একটি একক-অধিকৃত বিশ্রামাগারের চাবির উপমাটি খুব উপযুক্ত। বিশ্রামাগারটি ক্রিটিক্যাল সেকশন এবং চাবিটি হল লক। অনেক লোক (থ্রেড) বাইরে অপেক্ষা করতে পারে, তবে শুধুমাত্র চাবি ধারণকারী ব্যক্তিই প্রবেশ করতে পারে। যখন তারা শেষ করে, তখন তারা বের হয়ে যায় এবং চাবিটি ফেরত দেয়, যা সারির পরবর্তী ব্যক্তিকে এটি নিতে এবং প্রবেশ করতে দেয়।

লক দুটি মৌলিক অপারেশন সমর্থন করে:

• অ্যাকোয়ার (বা লক): একটি থ্রেড একটি ক্রিটিক্যাল সেকশনে প্রবেশ করার আগে এই অপারেশনটি কল করে। যদি লকটি উপলব্ধ থাকে, তাহলে থ্রেডটি এটি অর্জন করে এবং এগিয়ে যায়। যদি লকটি ইতিমধ্যেই অন্য থ্রেড দ্বারা ধারণ করা হয়, তাহলে কলিং থ্রেড ব্লক করবে (বা "ঘুমাবে") যতক্ষণ না লকটি ছেড়ে দেওয়া হয়।
• রিলিজ (বা আনলক): একটি থ্রেড ক্রিটিক্যাল সেকশনটি কার্যকর করা শেষ করার পরে এই অপারেশনটি কল করে। এটি অন্যান্য অপেক্ষমাণ থ্রেডগুলির জন্য লকটিকে উপলব্ধ করে তোলে।

একটি লক দিয়ে আমাদের ব্যাঙ্ক অ্যাকাউন্টের যুক্তিকে আবদ্ধ করে, আমরা এর সঠিকতা নিশ্চিত করতে পারি:

acquire_lock(account_lock); // --- ক্রিটিক্যাল সেকশন শুরু --- balance = read_balance(); new_balance = balance + amount; write_balance(new_balance); // --- ক্রিটিক্যাল সেকশন শেষ --- release_lock(account_lock);

এখন, যদি থ্রেড A প্রথমে লক অর্জন করে, তাহলে থ্রেড B-কে অপেক্ষা করতে বাধ্য করা হবে যতক্ষণ না থ্রেড A তিনটি পদক্ষেপ সম্পন্ন করে এবং লকটি ছেড়ে দেয়। অপারেশনগুলি আর ইন্টারলিভ করা হয় না এবং রেস কন্ডিশনটি দূর হয়।

লকের প্রকার: প্রোগ্রামারের টুলকিট

যদিও একটি লকের মৌলিক ধারণাটি সহজ, তবে বিভিন্ন পরিস্থিতিতে বিভিন্ন ধরণের লকিং মেকানিজম প্রয়োজন। উপলব্ধ লকগুলির টুলকিট বোঝা দক্ষ এবং সঠিক সমবর্তী সিস্টেম তৈরির জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

মিউটেক্স (পারস্পরিক বর্জন) লক

একটি মিউটেক্স হল সবচেয়ে সহজ এবং সবচেয়ে সাধারণ ধরনের লক। এটি একটি বাইনারি লক, যার অর্থ এটির শুধুমাত্র দুটি অবস্থা রয়েছে: লক করা বা আনলক করা। এটি কঠোর পারস্পরিক বর্জন প্রয়োগ করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, যা নিশ্চিত করে যে শুধুমাত্র একটি থ্রেড যেকোনো সময়ে লকটির মালিক হতে পারে।

• মালিকানা: বেশিরভাগ মিউটেক্স বাস্তবায়নের একটি মূল বৈশিষ্ট্য হল মালিকানা। যে থ্রেড মিউটেক্স অর্জন করে সেটিই একমাত্র থ্রেড যা এটি মুক্তি দিতে পারে। এটি অন্য কোনো থ্রেড দ্বারা ব্যবহৃত একটি ক্রিটিক্যাল সেকশনটি অসাবধানতাবশত (বা বিদ্বেষপূর্ণভাবে) আনলক করা থেকে বাধা দেয়।
• ব্যবহারের ক্ষেত্র: মিউটেক্সগুলি শেয়ার করা ভেরিয়েবল আপডেট করা বা একটি ডেটা স্ট্রাকচার পরিবর্তন করার মতো ছোট, সাধারণ ক্রিটিক্যাল সেকশনগুলিকে সুরক্ষিত করার জন্য ডিফল্ট পছন্দ।

সেমাফোর

একটি সেমাফোর হল একটি আরও সাধারণীকৃত সিঙ্ক্রোনাইজেশন আদিম, যা ডাচ কম্পিউটার বিজ্ঞানী এডসগার ডব্লিউ. ডাইকস্ট্রা দ্বারা উদ্ভাবিত। একটি মিউটেক্সের বিপরীতে, একটি সেমাফোর একটি নন-নেগেটিভ পূর্ণসংখ্যা মানের একটি কাউন্টার বজায় রাখে।

এটি দুটি পারমাণবিক অপারেশন সমর্থন করে:

• wait() (বা P অপারেশন): সেমাফোরের কাউন্টার হ্রাস করে। যদি কাউন্টার ঋণাত্মক হয়ে যায়, তাহলে থ্রেডটি ব্লক করে যতক্ষণ না কাউন্টার শূন্যের সমান বা তার চেয়ে বেশি হয়।
• signal() (বা V অপারেশন): সেমাফোরের কাউন্টার বৃদ্ধি করে। যদি সেমাফোরের উপর কোনো থ্রেড ব্লক করা হয়, তবে তাদের মধ্যে একটি আনব্লক করা হয়।

সেমাফোরের প্রধান দুটি প্রকার রয়েছে:

• বাইনারি সেমাফোর: কাউন্টার ১ দিয়ে আরম্ভ করা হয়। এটি শুধুমাত্র ০ বা ১ হতে পারে, যা এটিকে কার্যকরীভাবে একটি মিউটেক্সের সমতুল্য করে তোলে।
• গণনা সেমাফোর: কাউন্টার যেকোনো পূর্ণসংখ্যা N > ১ দিয়ে আরম্ভ করা যেতে পারে। এটি N পর্যন্ত থ্রেডগুলিকে একযোগে একটি রিসোর্স অ্যাক্সেস করতে দেয়। এটি সীমিত সংখ্যক রিসোর্সের অ্যাক্সেস নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহৃত হয়।

উদাহরণ: একটি ওয়েব অ্যাপ্লিকেশন কল্পনা করুন যার একটি সংযোগ পুল রয়েছে যা সর্বাধিক ১০টি সমবর্তী ডাটাবেস সংযোগ পরিচালনা করতে পারে। ১0-এ আরম্ভ করা একটি গণনা সেমাফোর এটি পুরোপুরি পরিচালনা করতে পারে। প্রতিটি থ্রেডকে একটি সংযোগ নেওয়ার আগে সেমাফোরে একটি `wait()` করতে হবে। ১১তম থ্রেডটি ব্লক করবে যতক্ষণ না প্রথম ১০টি থ্রেডের মধ্যে একটি তার ডাটাবেস কাজ শেষ করে এবং সেমাফোরে একটি `signal()` করে, পুলটিতে সংযোগটি ফিরিয়ে দেয়।

রিড-রাইট লক (শেয়ার্ড/এক্সক্লুসিভ লক)

সমবর্তী সিস্টেমে একটি সাধারণ প্যাটার্ন হল ডেটা লেখার চেয়ে অনেক বেশি বার পড়া হয়। এই পরিস্থিতিতে একটি সাধারণ মিউটেক্স ব্যবহার করা অদক্ষ, কারণ এটি একাধিক থ্রেডকে একই সাথে ডেটা পড়া থেকে বাধা দেয়, যদিও পড়া একটি নিরাপদ, পরিবর্তন-অযোগ্য অপারেশন।

একটি রিড-রাইট লক দুটি লকিং মোড সরবরাহ করে এটি সমাধান করে:

• শেয়ার্ড (রিড) লক: একাধিক থ্রেড একই সাথে একটি রিড লক অর্জন করতে পারে, যতক্ষণ না কোনো থ্রেড একটি রাইট লক ধারণ করে। এটি উচ্চ-কনকারেন্সি পড়ার অনুমতি দেয়।
• এক্সক্লুসিভ (রাইট) লক: শুধুমাত্র একটি থ্রেড এক সময়ে একটি রাইট লক অর্জন করতে পারে। যখন একটি থ্রেড একটি রাইট লক ধারণ করে, তখন অন্য সব থ্রেড (পাঠক এবং লেখক উভয়ই) ব্লক হয়ে যায়।

উপমাটি একটি শেয়ার করা লাইব্রেরিতে একটি নথি। অনেক লোক একই সময়ে নথির অনুলিপি পড়তে পারে (শেয়ার করা রিড লক)। তবে, যদি কেউ নথিটি সম্পাদনা করতে চায়, তাহলে তাদের এটি একচেটিয়াভাবে পরীক্ষা করতে হবে এবং অন্য কেউ শেষ না হওয়া পর্যন্ত এটি পড়তে বা সম্পাদনা করতে পারবে না (এক্সক্লুসিভ রাইট লক)।

পুনরাবৃত্তিমূলক লক (রেন্ট্রান্ট লক)

যদি একটি থ্রেড যা ইতিমধ্যেই একটি মিউটেক্স ধারণ করে সেটি আবার অর্জন করার চেষ্টা করে তবে কী হবে? একটি স্ট্যান্ডার্ড মিউটেক্সের সাথে, এর ফলে তাৎক্ষণিকভাবে একটি ডেডলক হবে—থ্রেডটি নিজেকে লকটি ছেড়ে দেওয়ার জন্য চিরকাল অপেক্ষা করবে। একটি পুনরাবৃত্তিমূলক লক (বা রেন্ট্রান্ট লক) এই সমস্যা সমাধানের জন্য ডিজাইন করা হয়েছে।

একটি পুনরাবৃত্তিমূলক লক একই থ্রেডকে একাধিকবার একই লক অর্জন করার অনুমতি দেয়। এটি একটি অভ্যন্তরীণ মালিকানা কাউন্টার বজায় রাখে। লকটি সম্পূর্ণরূপে তখনই মুক্তি পায় যখন মালিক থ্রেড `acquire()` কল করার সমান সংখ্যক বার `release()` কল করে। এটি বিশেষভাবে পুনরাবৃত্তিমূলক ফাংশনগুলিতে উপযোগী যা তাদের কার্যকর করার সময় একটি শেয়ার করা রিসোর্স রক্ষা করতে হবে।

লকিং-এর বিপদ: সাধারণ সমস্যা

যদিও লকগুলি শক্তিশালী, তবে এগুলি একটি দ্বিমুখী তলোয়ার। লকগুলির অনুপযুক্ত ব্যবহারের ফলে এমন বাগ হতে পারে যা সাধারণ রেস কন্ডিশনগুলির চেয়ে নির্ণয় করা এবং ঠিক করা অনেক বেশি কঠিন। এর মধ্যে ডেডলক, লাইভলক এবং পারফরম্যান্সের বাধা অন্তর্ভুক্ত।

ডেডলক

একটি ডেডলক হল সমবর্তী প্রোগ্রামিং-এর সবচেয়ে ভীতিজনক দৃশ্য। এটি ঘটে যখন দুটি বা ততোধিক থ্রেড অনির্দিষ্টকালের জন্য ব্লক হয়ে যায়, প্রতিটি একই সেটের অন্য থ্রেড দ্বারা ধারণ করা একটি রিসোর্সের জন্য অপেক্ষা করে।

দুটি থ্রেড (থ্রেড ১, থ্রেড ২) এবং দুটি লক (লক A, লক B) সহ একটি সাধারণ পরিস্থিতি বিবেচনা করুন:

1. থ্রেড ১ লক A অর্জন করে।
2. থ্রেড ২ লক B অর্জন করে।
3. থ্রেড ১ এখন লক B অর্জন করার চেষ্টা করে, কিন্তু এটি থ্রেড ২ দ্বারা ধারণ করা হয়েছে, তাই থ্রেড ১ ব্লক করে।
4. থ্রেড ২ এখন লক A অর্জন করার চেষ্টা করে, কিন্তু এটি থ্রেড ১ দ্বারা ধারণ করা হয়েছে, তাই থ্রেড ২ ব্লক করে।

উভয় থ্রেড এখন একটি স্থায়ী অপেক্ষার অবস্থায় আটকে আছে। অ্যাপ্লিকেশনটি থেমে যায়। এই পরিস্থিতিটি চারটি প্রয়োজনীয় অবস্থার উপস্থিতির কারণে উদ্ভূত হয় (কফম্যানের শর্তাবলী):

1. পারস্পরিক বর্জন: রিসোর্স (লক) শেয়ার করা যাবে না।
2. ধরে রাখা এবং অপেক্ষা করা: একটি থ্রেড অন্যটির জন্য অপেক্ষা করার সময় কমপক্ষে একটি রিসোর্স ধরে রাখে।
3. কোন প্রিম্পশন নেই: একটি রিসোর্স জোর করে একটি থ্রেড থেকে নেওয়া যাবে না যা এটি ধারণ করে।
4. সার্কুলার অপেক্ষা: দুটি বা ততোধিক থ্রেডের একটি শৃঙ্খল বিদ্যমান, যেখানে প্রতিটি থ্রেড শৃঙ্খলের পরবর্তী থ্রেড দ্বারা ধারণ করা একটি রিসোর্সের জন্য অপেক্ষা করছে।

ডেডলক প্রতিরোধের মধ্যে এই শর্তগুলির মধ্যে অন্তত একটিকে ভেঙে দেওয়া জড়িত। সবচেয়ে সাধারণ কৌশল হল লক অর্জনের জন্য একটি কঠোর গ্লোবাল অর্ডার প্রয়োগ করে সার্কুলার অপেক্ষা শর্তটি ভেঙে দেওয়া।

লাইভলক

একটি লাইভলক ডেডলকের একটি আরও সূক্ষ্ম আত্মীয়। একটি লাইভলকে, থ্রেডগুলি ব্লক করা হয় না—এগুলি সক্রিয়ভাবে চলছে—তবে তারা কোনো অগ্রগতির সৃষ্টি করে না। তারা কোনো উপযোগী কাজ সম্পন্ন না করেই একে অপরের অবস্থার পরিবর্তনের প্রতিক্রিয়া জানানোর একটি চক্রে আটকে আছে।

ক্লাসিক উপমাটি হল সংকীর্ণ করিডোরে একে অপরের পাশ দিয়ে যাওয়ার চেষ্টা করা দুজন ব্যক্তি। তারা দুজনেই বিনয়ী হওয়ার চেষ্টা করে এবং তাদের বাম দিকে পদক্ষেপ নেয়, কিন্তু তারা একে অপরের পথ আটকে দেয়। তারপর তারা দুজনেই তাদের ডান দিকে পদক্ষেপ নেয়, আবার একে অপরের পথ আটকে দেয়। তারা সক্রিয়ভাবে সরছে কিন্তু করিডোর দিয়ে অগ্রসর হচ্ছে না। সফটওয়্যারে, এটি দুর্বলভাবে ডিজাইন করা ডেডলক পুনরুদ্ধার পদ্ধতির সাথে ঘটতে পারে যেখানে থ্রেডগুলি বারবার পিছিয়ে যায় এবং পুনরায় চেষ্টা করে, শুধুমাত্র আবার বিরোধে লিপ্ত হয়।

অনাহার

অনাহার ঘটে যখন একটি থ্রেডকে একটি প্রয়োজনীয় রিসোর্সে অ্যাক্সেস থেকে স্থায়ীভাবে অস্বীকার করা হয়, যদিও রিসোর্সটি উপলব্ধ হয়ে যায়। এটি এমন সিস্টেমগুলিতে ঘটতে পারে যেগুলিতে শিডিউলিং অ্যালগরিদমগুলি "ন্যায্য" নয়। উদাহরণস্বরূপ, যদি একটি লকিং মেকানিজম সর্বদা উচ্চ-অগ্রাধিকার থ্রেডগুলিতে অ্যাক্সেস দেয়, তবে কম-অগ্রাধিকার থ্রেড সম্ভবত চালানোর সুযোগ পাবে না যদি উচ্চ-অগ্রাধিকার প্রতিযোগীদের একটি ধ্রুবক প্রবাহ থাকে।

পারফরম্যান্স ওভারহেড

লকগুলি বিনামূল্যে নয়। এগুলি বেশ কয়েকটি উপায়ে পারফরম্যান্স ওভারহেড তৈরি করে:

• অ্যাকুইজিশন/রিলিজ খরচ: একটি লক অর্জন এবং মুক্তি দেওয়ার কাজটি পারমাণবিক অপারেশন এবং মেমরি ফেন্স জড়িত, যা স্বাভাবিক নির্দেশের চেয়ে বেশি গণনাগতভাবে ব্যয়বহুল।
• প্রতিযোগিতা: যখন একাধিক থ্রেড প্রায়শই একই লকের জন্য প্রতিযোগিতা করে, তখন সিস্টেম উৎপাদনশীল কাজ করার পরিবর্তে প্রসঙ্গ পরিবর্তন এবং থ্রেডগুলির সময় নির্ধারণের উপর উল্লেখযোগ্য পরিমাণ সময় ব্যয় করে। উচ্চ প্রতিযোগিতা কার্যকরভাবে কার্যকরকরণকে সিরিয়ালাইজ করে, যা সমান্তরালতার উদ্দেশ্যকে পরাজিত করে।

লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশনের জন্য সেরা অনুশীলন

লক সহ সঠিক এবং দক্ষ সমবর্তী কোড লেখার জন্য শৃঙ্খলা এবং সেরা অনুশীলনের একটি সেটের প্রতি আনুগত্য প্রয়োজন। এই নীতিগুলি প্রোগ্রামিং ভাষা বা প্ল্যাটফর্ম নির্বিশেষে সর্বজনীনভাবে প্রযোজ্য।

১. ক্রিটিক্যাল সেকশন ছোট রাখুন

একটি লককে সবচেয়ে সংক্ষিপ্ত সময়ের জন্য ধরে রাখা উচিত। আপনার ক্রিটিক্যাল সেকশনে শুধুমাত্র সেই কোডটি থাকা উচিত যা অবশ্যই সমবর্তী অ্যাক্সেস থেকে সুরক্ষিত রাখতে হবে। কোনো অ-সমালোচনামূলক অপারেশন (যেমন I/O, শেয়ার করা অবস্থার সাথে জড়িত নয় এমন জটিল গণনা) লক করা অঞ্চলের বাইরে সম্পাদন করা উচিত। আপনি যত বেশি সময় ধরে একটি লক ধরে রাখবেন, তত বেশি প্রতিযোগিতার সম্ভাবনা এবং আপনি অন্যান্য থ্রেডগুলিকে তত বেশি ব্লক করবেন।

২. সঠিক লক গ্র্যানুলারিটি বেছে নিন

লক গ্র্যানুলারিটি একটি একক লক দ্বারা সুরক্ষিত ডেটার পরিমাণকে বোঝায়।

• কোয়ার্স-গ্রেইনড লকিং: একটি বৃহৎ ডেটা স্ট্রাকচার বা একটি সম্পূর্ণ সাবসিস্টেম সুরক্ষিত করতে একটি একক লক ব্যবহার করা। এটি প্রয়োগ করা এবং যুক্তিযুক্ত করা সহজ, কিন্তু উচ্চ প্রতিযোগিতার কারণ হতে পারে, কারণ ডেটার বিভিন্ন অংশে সম্পর্কিত নয় এমন অপারেশনগুলি একই লক দ্বারা সিরিয়ালাইজ করা হয়।
• ফাইন-গ্রেইনড লকিং: একটি ডেটা স্ট্রাকচারের বিভিন্ন, স্বাধীন অংশ সুরক্ষিত করতে একাধিক লক ব্যবহার করা। উদাহরণস্বরূপ, একটি সম্পূর্ণ হ্যাশ টেবিলের জন্য একটি লকের পরিবর্তে, আপনার প্রতিটি বালতির জন্য একটি আলাদা লক থাকতে পারে। এটি আরও জটিল কিন্তু আরও সত্যিকারের সমান্তরালতার অনুমতি দিয়ে কর্মক্ষমতা ব্যাপকভাবে উন্নত করতে পারে।

তাদের মধ্যে পছন্দ সরলতা এবং কর্মক্ষমতার মধ্যে একটি বাণিজ্য। প্রথমে মোটা লক দিয়ে শুরু করুন এবং কর্মক্ষমতা প্রোফাইলিং দেখালে শুধুমাত্র ফাইন-গ্রেইনড লকের দিকে যান যে লক প্রতিযোগিতা একটি বাধা।

৩. সর্বদা আপনার লকগুলি রিলিজ করুন

একটি লক রিলিজ করতে ব্যর্থতা একটি বিপর্যয়কর ত্রুটি যা সম্ভবত আপনার সিস্টেমকে থামিয়ে দেবে। এই ত্রুটির একটি সাধারণ উৎস হল যখন একটি ব্যতিক্রম বা একটি প্রাথমিক রিটার্ন একটি ক্রিটিক্যাল সেকশনের মধ্যে ঘটে। এটি প্রতিরোধ করতে, সর্বদা এমন ভাষা কাঠামো ব্যবহার করুন যা ক্লিনার নিশ্চিত করে, যেমন জাভা বা C#-এ try...finally ব্লক, বা C++-এ স্কোপড লক সহ RAII (রিসোর্স অ্যাকুইজিশন ইজ ইনিশিয়ালাইজেশন) প্যাটার্ন।

উদাহরণ (try-finally ব্যবহার করে সিউডোকোড):

my_lock.acquire(); try { // ক্রিটিক্যাল সেকশন কোড যা একটি ব্যতিক্রম ছুঁড়তে পারে } finally { my_lock.release(); // এটি কার্যকর হওয়ার গ্যারান্টিযুক্ত }

৪. একটি কঠোর লক অর্ডার অনুসরণ করুন

ডেডলক প্রতিরোধ করতে, সবচেয়ে কার্যকর কৌশল হল সার্কুলার অপেক্ষা শর্তটি ভেঙে দেওয়া। একাধিক লক অর্জনের জন্য একটি কঠোর, গ্লোবাল এবং ইচ্ছামত ক্রম স্থাপন করুন। যদি একটি থ্রেডের লক A এবং লক B উভয়ই ধারণ করার প্রয়োজন হয়, তাহলে তাকে অবশ্যই লক B অর্জন করার আগে লক A অর্জন করতে হবে। এই সাধারণ নিয়ম সার্কুলার অপেক্ষা অসম্ভব করে তোলে।

৫. লকিং-এর বিকল্পগুলি বিবেচনা করুন

যদিও মৌলিক, লকগুলি কনকারেন্সি নিয়ন্ত্রণের একমাত্র সমাধান নয়। উচ্চ-কর্মক্ষমতা সিস্টেমগুলির জন্য, উন্নত কৌশলগুলি অন্বেষণ করা মূল্যবান:

• লক-মুক্ত ডেটা স্ট্রাকচার: এগুলি নিম্ন-স্তরের পারমাণবিক হার্ডওয়্যার নির্দেশাবলী (যেমন তুলনা-এবং-সোয়াপ) ব্যবহার করে ডিজাইন করা হয়েছে যা লক ব্যবহার না করেই সমবর্তী অ্যাক্সেসের অনুমতি দেয়। এগুলি সঠিকভাবে প্রয়োগ করা খুবই কঠিন কিন্তু উচ্চ প্রতিযোগিতার অধীনে শ্রেষ্ঠ কর্মক্ষমতা প্রদান করতে পারে।
• অপরিবর্তনীয় ডেটা: যদি ডেটা তৈরি হওয়ার পরে কখনও পরিবর্তন না করা হয়, তবে এটি কোনো সিঙ্ক্রোনাইজেশনের প্রয়োজন ছাড়াই থ্রেডগুলির মধ্যে অবাধে শেয়ার করা যেতে পারে। এটি কার্যকরী প্রোগ্রামিং-এর একটি মূল নীতি এবং সমবর্তী ডিজাইনগুলিকে সহজ করার জন্য ক্রমবর্ধমান একটি জনপ্রিয় উপায়।
• সফ্টওয়্যার ট্রানজাকশনাল মেমরি (STM): একটি উচ্চ-স্তরের বিমূর্ততা যা ডেভেলপারদের মেমরিতে পারমাণবিক লেনদেন সংজ্ঞায়িত করতে দেয়, অনেকটা একটি ডাটাবেসের মতো। STM সিস্টেম পর্দার পিছনে জটিল সিঙ্ক্রোনাইজেশন বিবরণ পরিচালনা করে।

উপসংহার

লক-ভিত্তিক সিঙ্ক্রোনাইজেশন সমবর্তী প্রোগ্রামিং-এর ভিত্তি। এটি শেয়ার করা রিসোর্স রক্ষা করতে এবং ডেটা দুর্নীতি প্রতিরোধ করতে একটি শক্তিশালী এবং সরাসরি উপায় সরবরাহ করে। সাধারণ মিউটেক্স থেকে আরও সূক্ষ্ম রিড-রাইট লক পর্যন্ত, এই আদিমগুলি মাল্টি-থ্রেডেড অ্যাপ্লিকেশন তৈরি করে এমন যেকোনো ডেভেলপারের জন্য প্রয়োজনীয় সরঞ্জাম।

তবে, এই শক্তির জন্য দায়িত্ব প্রয়োজন। সম্ভাব্য বিপদগুলির গভীর উপলব্ধি—ডেডলক, লাইভলক, এবং কর্মক্ষমতা হ্রাস—ঐচ্ছিক নয়। ক্রিটিক্যাল সেকশনের আকার কমানো, উপযুক্ত লক গ্র্যানুলারিটি নির্বাচন করা এবং একটি কঠোর লক অর্ডার প্রয়োগ করার মতো সেরা অনুশীলনগুলি মেনে চলে, আপনি এর বিপদগুলি এড়িয়ে কনকারেন্সির শক্তি কাজে লাগাতে পারেন।

কনকারেন্সি আয়ত্ত করা একটি যাত্রা। এর জন্য সতর্ক ডিজাইন, কঠোর পরীক্ষা এবং এমন একটি মানসিকতা প্রয়োজন যা সর্বদা থ্রেডগুলি সমান্তরালে চললে ঘটতে পারে এমন জটিল মিথস্ক্রিয়া সম্পর্কে সচেতন। লকিং-এর শিল্পে দক্ষতা অর্জন করে, আপনি এমন সফ্টওয়্যার তৈরির দিকে একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ নেন যা কেবল দ্রুত এবং প্রতিক্রিয়াশীল নয় বরং শক্তিশালী, নির্ভরযোগ্য এবং সঠিকও।