分布式操作系統(tǒng)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)緒論

1、分布式計(jì)算系統(tǒng)導(dǎo)論原理與組成胡建平，胡凱，n介紹分布式計(jì)算系統(tǒng)的原介紹分布式計(jì)算系統(tǒng)的原理與組成，包括命名、進(jìn)理與組成，包括命名、進(jìn)程、通信、同步與互斥和程、通信、同步與互斥和多副本一致性技術(shù)，以及多副本一致性技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)、分布式文網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、分布式事務(wù)、面件系統(tǒng)、分布式事務(wù)、面向?qū)ο蟮姆植加?jì)算、面向向?qū)ο蟮姆植加?jì)算、面向服務(wù)的分布計(jì)算、公用服服務(wù)的分布計(jì)算、公用服務(wù)分布計(jì)算和志愿參與分務(wù)分布計(jì)算和志愿參與分布計(jì)算的組成與結(jié)構(gòu)。布計(jì)算的組成與結(jié)構(gòu)。 分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，張鳳登，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社,2014n分析了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分析了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載、故障和模型

2、，以及負(fù)載、故障和模型，以及必須滿足的時(shí)間規(guī)范，從必須滿足的時(shí)間規(guī)范，從集成的角度，講述了分布集成的角度，講述了分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用所包含的實(shí)時(shí)、式實(shí)時(shí)應(yīng)用所包含的實(shí)時(shí)、分布、容錯(cuò)、調(diào)度和架構(gòu)分布、容錯(cuò)、調(diào)度和架構(gòu)等方面的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，等方面的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，描述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和描述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的一般方法，致力于驗(yàn)證的一般方法，致力于解釋其解決方案與最新科解釋其解決方案與最新科學(xué)見解之間的關(guān)系。學(xué)見解之間的關(guān)系。分布式系統(tǒng):概念與設(shè)計(jì)(原書第5版)機(jī)械工業(yè)出版社 , 2013n介紹互聯(lián)網(wǎng)及其他常用介紹互聯(lián)網(wǎng)及其他常用分布式系統(tǒng)的原理、體分布式系統(tǒng)的原理、體系結(jié)構(gòu)、算法和設(shè)計(jì)，系結(jié)構(gòu)、算

3、法和設(shè)計(jì)，內(nèi)容涵蓋分布式系統(tǒng)的內(nèi)容涵蓋分布式系統(tǒng)的相關(guān)概念、安全、數(shù)據(jù)相關(guān)概念、安全、數(shù)據(jù)復(fù)制、組通信、分布式復(fù)制、組通信、分布式文件系統(tǒng)、分布式事務(wù)、文件系統(tǒng)、分布式事務(wù)、分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，以分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，以及相關(guān)的前沿主題，包及相關(guān)的前沿主題，包括括Web服務(wù)、網(wǎng)格、移服務(wù)、網(wǎng)格、移動(dòng)系統(tǒng)和無處不在系統(tǒng)動(dòng)系統(tǒng)和無處不在系統(tǒng)等。等。 分布式操作系統(tǒng)電子工業(yè)出版社, 2008n介紹設(shè)計(jì)和構(gòu)造分布式操介紹設(shè)計(jì)和構(gòu)造分布式操作系統(tǒng)的基本原理、算法作系統(tǒng)的基本原理、算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。全書共和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。全書共11章，前章，前6章較全面地介紹章較全面地介紹了分布式系統(tǒng)環(huán)境中的通了分布式系統(tǒng)環(huán)境中的通信

4、、同步、進(jìn)程、文件系信、同步、進(jìn)程、文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)器管理等方面的統(tǒng)和存儲(chǔ)器管理等方面的概念與算法；后概念與算法；后4章詳細(xì)章詳細(xì)地給出了地給出了4個(gè)分布式系統(tǒng)個(gè)分布式系統(tǒng)的實(shí)例。的實(shí)例。分布式操作系統(tǒng)高等教育出版社, 2006n內(nèi)容包括：分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)容包括：分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式操作系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、層次劃分、通信的結(jié)構(gòu)模型、層次劃分、通信機(jī)制、事件定序、并發(fā)控制與機(jī)制、事件定序、并發(fā)控制與協(xié)同處理、資源管理、進(jìn)程調(diào)協(xié)同處理、資源管理、進(jìn)程調(diào)度、處理機(jī)分配、死鎖處理、度、處理機(jī)分配、死鎖處理、文件系統(tǒng)、命名與透明性、任文件系統(tǒng)、命名與透明性、任務(wù)分配和

5、負(fù)載共享、故障檢測務(wù)分配和負(fù)載共享、故障檢測與容錯(cuò)以及分布式事務(wù)處理，與容錯(cuò)以及分布式事務(wù)處理，分布式共享內(nèi)存，分布式共享內(nèi)存，CORBA體體系結(jié)構(gòu)與中間件技術(shù)，面向?qū)ο到Y(jié)構(gòu)與中間件技術(shù)，面向?qū)ο蟮姆植际讲僮飨到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方象的分布式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等。法等。分布式系統(tǒng)原理與范型n全書分為兩部分：原理和范全書分為兩部分：原理和范型。第一部分詳細(xì)討論了分型。第一部分詳細(xì)討論了分布式系統(tǒng)的原理、概念和技布式系統(tǒng)的原理、概念和技術(shù)，其中包括通信、進(jìn)程、術(shù)，其中包括通信、進(jìn)程、命名、同步、一致性和復(fù)制、命名、同步、一致性和復(fù)制、容錯(cuò)以及安全。第二部分給容錯(cuò)以及安全。第二部分給出了一些實(shí)際的分布式系統(tǒng)：出

6、了一些實(shí)際的分布式系統(tǒng)：基于對象的分布式系統(tǒng)、分基于對象的分布式系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、基于文檔的布式文件系統(tǒng)、基于文檔的分布式系統(tǒng)以及基于協(xié)作的分布式系統(tǒng)以及基于協(xié)作的分布式系統(tǒng)，介紹了一些實(shí)分布式系統(tǒng)，介紹了一些實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)技際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。術(shù)。主要內(nèi)容主要內(nèi)容n1分布式系統(tǒng)概論n2 分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與命名n3分布式系統(tǒng)進(jìn)程通信n4分布式系統(tǒng)同步和并發(fā)控制n5 分布式系統(tǒng)中容錯(cuò)技術(shù)n6分布式系統(tǒng)多副本數(shù)據(jù)管理n7分布式系統(tǒng)資源管理與調(diào)度n8分布式文件系統(tǒng)n9 分布式共享存儲(chǔ)器n10 基于對象的分布式系統(tǒng)操作系統(tǒng)回顧1.1操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用 1.2 操作系統(tǒng)

7、的演變 1.3 操作系統(tǒng)的主要研究課題1.1操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的接口程序模塊，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心控制軟件， 其職能是控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織有效地組織多道程序的運(yùn)行多道程序的運(yùn)行，從而為用戶提供良好的工作環(huán)境，達(dá)到使用方便、資源分配合理、安全可靠等目的。 操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復(fù)雜的軟件之一。在操作系統(tǒng)的研究開發(fā)方面主要取得了進(jìn)程、內(nèi)存管理、信息保護(hù)與安全、調(diào)度與資源管理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等五項(xiàng)成就。 硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序間的界面硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序間的界面由操作系統(tǒng)定義的軟、硬件和數(shù)據(jù)，給程序員以及使用者提供了方便的

8、界面，使程序員和應(yīng)用程序更容易獲取和使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源、工具和服務(wù)。應(yīng)用程序Web瀏覽器、GIS、ERP中間件DBMS、CORBA、.NET系統(tǒng)程序操作系統(tǒng)、shell、C編譯器固件BIOS硬件PC機(jī)、工作站、小型機(jī)、大型機(jī) 一臺擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)一臺擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)隱藏了具體的硬件細(xì)節(jié)為用戶提供了一臺容易使用的虛擬的計(jì)算機(jī)一個(gè)資源管理器一個(gè)資源管理器每個(gè)程序分享時(shí)間每個(gè)程序分享空間操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)概念具有如下功能： n 程序創(chuàng)建。 n 程序執(zhí)行。 n I/O設(shè)備的訪問。n 控制對文件的訪問。n 系統(tǒng)訪問。 n 查錯(cuò)和糾錯(cuò)。 n 日志。 作為擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)作為擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)作為資源管理器的操作系統(tǒng)作

9、為資源管理器的操作系統(tǒng)I/O 設(shè) 備內(nèi) 存處 理 器處 理 器I/O 控 制 器I/O 控 制 器I/O 控 制 器操 作 系 統(tǒng)軟 件程 序 和數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)程 序O S1.2操作系統(tǒng)的演變操作系統(tǒng)的演變 操作系統(tǒng)發(fā)展至今已有三十多年。設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：第一，為程序的開發(fā)和執(zhí)行提供一個(gè)方便的環(huán)境；第二，為保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)順利執(zhí)行，操作系統(tǒng)對各個(gè)計(jì)算活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度。 操作系統(tǒng)發(fā)展歷史操作系統(tǒng)發(fā)展歷史n第一代 1945 - 1955n電子管,插件板n第二代 1955 - 1965n晶體管,批處理系統(tǒng)n第三代 1965 1980n集成電路（IC）和多道程序設(shè)計(jì)n第四代 1980 現(xiàn)在nVLSI

10、, 個(gè)人計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)家族操作系統(tǒng)家族n大型機(jī)操作系統(tǒng)(e.g IBM OS/390)n服務(wù)器操作系統(tǒng)(e.g. UNIX, NT)n多處理機(jī)操作系統(tǒng)n分布式操作系統(tǒng)nPC機(jī)操作系統(tǒng)(e.g Widows)n實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(e.g VxWorks)n嵌入式操作系統(tǒng)(e.g Windows CE)nSmart card操作系統(tǒng)(e.g JVM)串行處理系統(tǒng)串行處理系統(tǒng) 最早的計(jì)算機(jī)，從20世紀(jì)40年代末到50年代中期，程序員直接與硬件接觸，根本沒有OS。計(jì)算機(jī)運(yùn)行在一個(gè)集成了指示器、各種開關(guān)、一些輸入設(shè)備以及一個(gè)打印機(jī)的控制臺之上。早期的這種系統(tǒng)存在兩個(gè)問題： n(1)上機(jī)安排 n(

11、2)啟動(dòng)時(shí)間 簡單批處理系統(tǒng)簡單批處理系統(tǒng)n將卡片裝入 1401機(jī)的讀卡機(jī)n將卡片中的程序讀入磁帶n將磁帶裝入 7094機(jī)， 完成計(jì)算1.將磁帶裝入 1401機(jī)，打印結(jié)果簡單批處理系統(tǒng)（續(xù)）簡單批處理系統(tǒng)（續(xù)）簡單批處理系統(tǒng)是專業(yè)計(jì)算機(jī)操作員（或機(jī)器）按作業(yè)的性質(zhì)將作業(yè)按類分成若干組，然后一組一組地來運(yùn)行一組一組地來運(yùn)行作業(yè)。 在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，引進(jìn)簡單批處理系統(tǒng)可以減少安裝磁帶、裝入程序和返繞磁帶等有關(guān)的工序浪費(fèi)的時(shí)間，因此，也就減少了計(jì)算機(jī)的空閑時(shí)間。 批處理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不提供用戶和程序之間的交互功能。程序中的所有問題必須事先安排好，也不能進(jìn)行聯(lián)機(jī)修改。簡單批處理系統(tǒng)（續(xù)）簡單批處理系統(tǒng)（

12、續(xù)） 簡單批處理系統(tǒng)的中心思想是，通過應(yīng)用一種被稱為監(jiān)控器的軟件，使用戶不必再直接接觸機(jī)器，而是先通過卡片機(jī)和紙帶機(jī)向計(jì)算機(jī)控制器提交作業(yè)，由監(jiān)控器將作業(yè)組織在一起構(gòu)成一批作業(yè)，然后將整批作業(yè)放入由監(jiān)控器管理的輸入設(shè)備上，每當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完畢返回監(jiān)控器時(shí)，監(jiān)控器已自動(dòng)裝入下一個(gè)程序。 簡單批處理系統(tǒng)（續(xù)）簡單批處理系統(tǒng)（續(xù)） 批處理系統(tǒng)存在很多不方便之處，主要有：用戶不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問題。用戶程序中的所有問題必須事先安排好，否則程序的排錯(cuò)就可能在轉(zhuǎn)儲(chǔ)信息上盲目地進(jìn)行。此外，對一個(gè)用戶作業(yè)而言，可能需要較長的周轉(zhuǎn)時(shí)間。 在批處理系統(tǒng)中，為了避免有意或無意地讀取他人的卡片，必須建立監(jiān)

13、控和用戶兩種操作態(tài)，使其只有在監(jiān)控態(tài)下才能讀控制卡。通過建立一組僅能在監(jiān)控態(tài)下執(zhí)行的特權(quán)指令，操作系統(tǒng)就能保證在任何時(shí)候都能控制整個(gè)系統(tǒng)。多道程序批處理系統(tǒng)多道程序批處理系統(tǒng) 多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)就是在內(nèi)存中同時(shí)保持若干道程序，系統(tǒng)按某種調(diào)度策略交替執(zhí)行這些程序，使CPU保持最少的空閑時(shí)間。 多道程序設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是通過將用戶的CPU請求和I/O請求重疊起來的辦法來有效地使用CPU。它設(shè)法讓CPU總有事情可做，以此來提高CPU的利用率。 多道程序批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道程序批處理系統(tǒng)（續(xù)） 設(shè)想一臺電腦配備256KB的可用內(nèi)存空間(未被OS占用的)，一個(gè)磁盤，一個(gè)終端和一臺打印機(jī)。3個(gè)程序JOB1、J

14、OB2和JOB3，同時(shí)被提交執(zhí)行，如下表所列。 JOB1 JOB2 JOB3 作業(yè)類型偏重計(jì)算偏重計(jì)算偏重計(jì)算執(zhí)行時(shí)間偏重I/O偏重I/O偏重I/O所需內(nèi)存偏重I/O偏重I/O偏重I/O是否需要磁盤5 min5 min5 min是否需要終端15 min15 min15 min是否需要打印機(jī)10 min10 min10 min多道程序批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道程序批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道程序設(shè)計(jì)在提高資源利用率方面產(chǎn)生的效果 單道程序設(shè)計(jì)多道程序設(shè)計(jì)處理機(jī)使用17%33%內(nèi)存使用30%67%磁盤使用33%67%打印機(jī)使用33%67%經(jīng)過時(shí)間30 min15 min吞吐率6 jobs/h12 jobs/h平

15、均響應(yīng)時(shí)間18 min10 min分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng) 分時(shí)系統(tǒng)是一種由調(diào)度策略和多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)所構(gòu)成的、同時(shí)供兩個(gè)或多個(gè)用戶使用的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)程序正在執(zhí)行時(shí)，允許用戶與計(jì)算機(jī)交互，從而大大縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，增加了用戶調(diào)試程序和控制程序運(yùn)行的靈活性。分時(shí)系統(tǒng)（續(xù)）分時(shí)系統(tǒng)（續(xù)）分時(shí)系統(tǒng)通常采用的實(shí)現(xiàn)方法是：先對每一用戶作業(yè)分定一個(gè)時(shí)間片分定一個(gè)時(shí)間片，再按輪轉(zhuǎn)方按輪轉(zhuǎn)方式來執(zhí)行式來執(zhí)行這些作業(yè)。用戶作業(yè)可以繼續(xù)運(yùn)行直至其時(shí)間片執(zhí)行完或發(fā)生一個(gè)（I/O）中斷，才暫停此作業(yè)的運(yùn)行而讓另一作業(yè)運(yùn)行，暫停的作業(yè)則等到再次輪到它時(shí)又可繼續(xù)運(yùn)行下去，系統(tǒng)中的作業(yè)都用這種

16、方式輪轉(zhuǎn)執(zhí)行。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在響應(yīng)時(shí)間方面有嚴(yán)格制約響應(yīng)時(shí)間方面有嚴(yán)格制約的專用系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)與其他普通的系統(tǒng)之間的最大不同之處就是要滿足處理與時(shí)間的關(guān)系。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別在于：在分時(shí)系統(tǒng)中，快速響應(yīng)是需要的，但不是必需的；在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理事務(wù)必須在適合于此系統(tǒng)的特定時(shí)間限額內(nèi)完成。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)（續(xù)）實(shí)時(shí)系統(tǒng)（續(xù)）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)服務(wù)的，相比分時(shí)系統(tǒng)它有其自身的特點(diǎn)：n(1)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性和獨(dú)立性。 n(2)對外部實(shí)時(shí)信號必須能及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)的時(shí)間間隔要足以控制發(fā)出實(shí)時(shí)信號的那個(gè)環(huán)境。n(3)整體性強(qiáng)。 n(4)有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅

17、限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。n(5)要求有高可靠性和安全性，系統(tǒng)的效率則放在第二位。 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)中的客戶/服務(wù)器（client/server）模型n位置透明性分布式操作系統(tǒng)（續(xù)）分布式操作系統(tǒng)（續(xù)）n “一個(gè)分布式系統(tǒng)是若干個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)的集合，但是對該系統(tǒng)的用戶來說，系統(tǒng)就像一臺計(jì)算機(jī)一樣?！眓硬件方面：各個(gè)計(jì)算機(jī)都是自治的 n軟件方面：用戶將整個(gè)系統(tǒng)看作是一臺計(jì)算機(jī) 1.3操作系統(tǒng)的主要研究課題操作系統(tǒng)的主要研究課題進(jìn)程描述和控制內(nèi)存管理并發(fā)控制調(diào) 度I/O 管理文件管理安全性網(wǎng)絡(luò)與分布計(jì)算操作系統(tǒng)的主要成就操作系統(tǒng)的主要成就操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最

18、復(fù)雜的系統(tǒng)軟件之一。到目前為止，操作系統(tǒng)已取得了5項(xiàng)主要成就：進(jìn)程、內(nèi)存管理、信息的保護(hù)與安全性、調(diào)度與資源管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 。 進(jìn)程進(jìn)程n進(jìn)程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程就是：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程。進(jìn)程由以下3部分組成： 一個(gè)可執(zhí)行的程序； 該程序所需的相關(guān)數(shù)據(jù)(變量、工作空間，緩沖區(qū)等)； 該程序的執(zhí)行上下文(Context)。典型的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)典型的進(jìn)程實(shí)現(xiàn) ibh進(jìn) 程 索 引上 下 文進(jìn) 程 表 列內(nèi) 存 數(shù) 據(jù)程 序上 下 文數(shù) 據(jù)程 序j進(jìn) 程A進(jìn) 程Bi寄 存 器P C基 址 寄 存 器b限 制 寄 存 器h 其 他 寄 存 器進(jìn)程管理進(jìn)程管理nshell語言編

19、寫的命令執(zhí)行器:while (TRUE) /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters)/* input from terminal */ if (fork() != 0) /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0);/* wait for child to exit */ else /* Child code */ execve (command,

20、parameters, 0);/* execute command */ 進(jìn)程管理進(jìn)程管理n進(jìn)程樹（ process tree）n進(jìn)程A 創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程： B和 CnB 又創(chuàng)建三個(gè)子進(jìn)程： D, E,和 F進(jìn)程調(diào)度與同步進(jìn)程調(diào)度與同步(a) 潛在死鎖 (b) 實(shí)際的死鎖.進(jìn)程間通信（進(jìn)程間通信（IPC）連接兩個(gè)進(jìn)程的管道（ pipe）存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理操作系統(tǒng)的5條存儲(chǔ)管理原則：n進(jìn)程隔離。 n自動(dòng)分配和管理。 n支持組件編程。 n長時(shí)間存儲(chǔ)。 n保護(hù)和存取控制。 看待存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩種不同觀點(diǎn)虛 擬 處 理 器讀 、 寫復(fù) 制文 件虛 擬 存 儲(chǔ) 器長 期 存 儲(chǔ) 設(shè) 備(b) (b) 操作系統(tǒng)設(shè)

21、計(jì)者觀點(diǎn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者觀點(diǎn)實(shí) 際 處 理 器虛 擬 地 址映 射 器(地 址 轉(zhuǎn) 換 器 )存 儲(chǔ) 器地 址內(nèi) 存交 換輔 存(a) (a) 用戶觀點(diǎn)用戶觀點(diǎn)存儲(chǔ)管理（續(xù)）存儲(chǔ)管理（續(xù)）n進(jìn)程的三種段: text, data, stack文件管理文件管理計(jì)算機(jī)系的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息保護(hù)和安全性信息保護(hù)和安全性n同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)在其中的信息的存取控制有關(guān)的4種保護(hù)策略： 不共享。 共享原始程序或數(shù)據(jù)文件。 無存儲(chǔ)子系統(tǒng)。 控制信息的分布。 信息保護(hù)和安全性（續(xù)）信息保護(hù)和安全性（續(xù)）n同操作系統(tǒng)有關(guān)的安全和保護(hù)工作可分為以下3類： 訪問控制。 信息流控制。 確認(rèn)。 調(diào)度和資源管理調(diào)度和資源管理

22、操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一就是管理各種可獲得的資源以及合理地調(diào)度它們。任何資源分配和調(diào)度策略都必須考慮公平性、不同敏感性以及效率。操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程管理POSIX操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)文件操作文件操作目錄管理目錄管理其它的系統(tǒng)調(diào)用其它的系統(tǒng)調(diào)用Win32API調(diào)用調(diào)用第一章 分布式系統(tǒng)概述v分布式系統(tǒng)有很多不同的定義，但沒有一個(gè)是令人滿意或者能夠被所有人接受的。介紹分布式系統(tǒng)，對它的特點(diǎn)進(jìn)行大致的描述就足夠了：一個(gè)分布式系統(tǒng)是一些獨(dú)立的計(jì)算機(jī)的集合，但是對該用戶來說，系統(tǒng)就像一臺計(jì)算機(jī)一樣。這個(gè)定義有兩方面的含義:一，從硬件角度來說，每臺計(jì)算機(jī)都是自主的：二，從軟件角度來講，用戶將

23、整個(gè)系統(tǒng)視為一臺計(jì)算機(jī)。這兩者都是必需的，缺一不可。11什么是分布式系統(tǒng)？集中式系統(tǒng)集中式系統(tǒng)Sun ULTRA5 with 32GB disk6 UnitsEathernet Switch100MSun ULTRA1032GB diskOne unitNOW(Network of Workstations)TheGrid網(wǎng)格是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說一個(gè)計(jì)算資源池。網(wǎng)格是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說一個(gè)計(jì)算資源池。網(wǎng)格能夠充分吸納各種計(jì)算資源，并把它們轉(zhuǎn)成一種隨處可得網(wǎng)格能夠充分吸納各種計(jì)算資源，并把它們轉(zhuǎn)成一種隨處可得的，可靠的，標(biāo)準(zhǔn)的，經(jīng)濟(jì)的計(jì)算能力。的，可靠的，標(biāo)準(zhǔn)的，經(jīng)濟(jì)

24、的計(jì)算能力。計(jì)算資源包括各種類型計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)通信能力，數(shù)據(jù)資料，儀計(jì)算資源包括各種類型計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)通信能力，數(shù)據(jù)資料，儀器設(shè)備，甚至人等各種相關(guān)資源。器設(shè)備，甚至人等各種相關(guān)資源。網(wǎng)格計(jì)算是基于網(wǎng)格的問題求解。網(wǎng)格計(jì)算是基于網(wǎng)格的問題求解。Internetn增長和變更極為迅速增長和變更極為迅速n每每2 2小時(shí)誕生小時(shí)誕生1 1臺新的臺新的3 3W W服務(wù)器服務(wù)器n19931993年年:130:130萬臺萬臺n20002000年年:7:7千千2 2百萬臺百萬臺n20052005年年1 1月月:3:3億億1 1千萬千萬臺臺n20092009年年1 1月月:6:6億億2 2千萬千萬臺臺P2P計(jì)算計(jì)算

25、n對等的、自主的實(shí)體構(gòu)成對等的、自主的實(shí)體構(gòu)成的自組織系統(tǒng)，以共享分的自組織系統(tǒng)，以共享分布資源的使用布資源的使用nCPU CPU 共享共享: : SETIHomeSETIHomen存儲(chǔ)空間（文件）共享存儲(chǔ)空間（文件）共享: : Napster, Gnutella, Napster, Gnutella, FreenetFreenet等等云計(jì)算云計(jì)算n云計(jì)算是一種基礎(chǔ)架構(gòu)管理的方法。大量計(jì)算資源云計(jì)算是一種基礎(chǔ)架構(gòu)管理的方法。大量計(jì)算資源組成組成ITIT資源池，用于動(dòng)態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源提資源池，用于動(dòng)態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源提供用戶使用。供用戶使用。n在云計(jì)算模式下，應(yīng)用、數(shù)據(jù)和在云計(jì)算模式下

26、，應(yīng)用、數(shù)據(jù)和ITIT資源以服務(wù)的方資源以服務(wù)的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使用。式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使用。普適計(jì)算普適計(jì)算n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織（Ad hocAd hoc）網(wǎng)絡(luò)感知、通信、計(jì)算）網(wǎng)絡(luò)感知、通信、計(jì)算. .分布式系統(tǒng)定義分布式系統(tǒng)定義一個(gè)分布式系統(tǒng)組織成中間件形式，一個(gè)分布式系統(tǒng)組織成中間件形式，中間件層分布在多臺機(jī)器上。中間件層分布在多臺機(jī)器上。銀行“一卡通”系統(tǒng)移動(dòng)“神州行”系統(tǒng)連鎖店“供應(yīng)鏈”系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Sensor Network）系統(tǒng)企業(yè)“工作流”系統(tǒng)WWW系統(tǒng)分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) - 與集中式系統(tǒng)相比較1、

27、經(jīng)濟(jì)性：高的性能/價(jià)格比 GroschLaw: Power Price2 NOPC vs. 大型機(jī)（mainframe）1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)10,000臺PC X 50MIPS 500,000MIPS（5千億次/秒） 0.002ns/指令=2ps/指令0.72mm /2ps（光速:360000km/s）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) - 與集中式系統(tǒng)相比較與集中式系統(tǒng)相比較3、應(yīng)用的固有的分布性, 例如： 工作流4、可靠性高 多工系統(tǒng)的容錯(cuò)能力5、可擴(kuò)充性強(qiáng) 系統(tǒng)演進(jìn)能力（evolution）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) - 與集中式系統(tǒng)相比較與集中式系統(tǒng)相比較總結(jié)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) - 與集中式系統(tǒng)相比較與集中式系統(tǒng)相比

28、較項(xiàng)目項(xiàng)目描描述述經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)微處理機(jī)提供了比大型主機(jī)更好的性能價(jià)格微處理機(jī)提供了比大型主機(jī)更好的性能價(jià)格比比速度速度分布式系統(tǒng)總的計(jì)算能力比單個(gè)大型主機(jī)更分布式系統(tǒng)總的計(jì)算能力比單個(gè)大型主機(jī)更強(qiáng)強(qiáng)固有的分布性固有的分布性一些應(yīng)用涉及到空間上分散的機(jī)器一些應(yīng)用涉及到空間上分散的機(jī)器可靠性可靠性如果一個(gè)機(jī)器崩潰如果一個(gè)機(jī)器崩潰,整個(gè)系統(tǒng)還可以運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)還可以運(yùn)轉(zhuǎn)漸增漸增計(jì)算能力可以逐漸有所增加計(jì)算能力可以逐漸有所增加1、支持?jǐn)?shù)據(jù)共享 文件 數(shù)據(jù)庫2、支持設(shè)備共享 高檔打印機(jī) 海量磁盤優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) -與獨(dú)立與獨(dú)立PC機(jī)比較機(jī)比較3、P2P通信 email BBS QQ4、靈活性負(fù)載分配優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) -與獨(dú)立

29、與獨(dú)立PC機(jī)比較機(jī)比較存在的問題存在的問題1、系統(tǒng)和需求越來越復(fù)雜，軟件和應(yīng)用不斷面臨新的挑戰(zhàn)。 操作系統(tǒng)、中間件、編程語言、工具2、網(wǎng)絡(luò)性能的限制 QoS(帶寬、速度)3、安全性 黑客、泄密、盜用、破壞Flynn分類：（1972）過去幾年中人們已經(jīng)提出過許多多過去幾年中人們已經(jīng)提出過許多多CPUCPU計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類方案，但卻沒有一種方案真正流行或者的分類方案，但卻沒有一種方案真正流行或者被廣泛采用。在這些方案中最經(jīng)常被引用的是被廣泛采用。在這些方案中最經(jīng)常被引用的是FlynnFlynn的分類方案，雖然它還相當(dāng)不成熟。的分類方案，雖然它還相當(dāng)不成熟。FlynnFlynn提出兩個(gè)他認(rèn)

30、為十分重要的特征：指令提出兩個(gè)他認(rèn)為十分重要的特征：指令流的數(shù)量和數(shù)據(jù)流的數(shù)量。流的數(shù)量和數(shù)據(jù)流的數(shù)量。1.3分布式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分布式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CPU指令流個(gè)數(shù)指令流個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)硬件概念硬件概念nSISDSISD（單指令流、單數(shù)據(jù)流（單指令流、單數(shù)據(jù)流 ）：（）：（PCPC機(jī)）機(jī)）第一類是具有單指令流、單數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)，它第一類是具有單指令流、單數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)，它被稱為被稱為SISDSISD（Single Instruction streamSingle Instruction stream，Single Data streamSingle Data stream）。所有傳統(tǒng)

31、的單處理機(jī)）。所有傳統(tǒng)的單處理機(jī)（即，那些只有一個(gè)（即，那些只有一個(gè)CPUCPU的）計(jì)算機(jī)，從個(gè)人的）計(jì)算機(jī)，從個(gè)人計(jì)算機(jī)到大型主機(jī)，都屬于這一類。計(jì)算機(jī)到大型主機(jī)，都屬于這一類。nSIMD （單指令流、多數(shù)據(jù)流 ） ：矩陣計(jì)算機(jī)第二類是第二類是SIMDSIMD（Single Instruction streamSingle Instruction stream，Multiple Data streamMultiple Data stream），它有一個(gè)指令流和多），它有一個(gè)指令流和多個(gè)數(shù)據(jù)流。這種類型是指有一個(gè)能取一條指令的個(gè)數(shù)據(jù)流。這種類型是指有一個(gè)能取一條指令的指令單元的處理機(jī)陣列結(jié)構(gòu)。

32、在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，指指令單元的處理機(jī)陣列結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，指令單元取出一條指令后，操縱許多數(shù)據(jù)單元并行令單元取出一條指令后，操縱許多數(shù)據(jù)單元并行的執(zhí)行這條指令，而且每個(gè)數(shù)據(jù)單元都有它自己的執(zhí)行這條指令，而且每個(gè)數(shù)據(jù)單元都有它自己的數(shù)據(jù)。這種類型的計(jì)算機(jī)在用多組數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)的數(shù)據(jù)。這種類型的計(jì)算機(jī)在用多組數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)行同樣的計(jì)算時(shí)是非常有用的，例如，把有行同樣的計(jì)算時(shí)是非常有用的，例如，把有6464個(gè)個(gè)獨(dú)立向量的所有元素累加起來。一些超級計(jì)算機(jī)獨(dú)立向量的所有元素累加起來。一些超級計(jì)算機(jī)就屬于就屬于SIMDSIMD型。型。硬件概念硬件概念nMISD （多指令流、單數(shù)據(jù)流 ） ：容錯(cuò)計(jì)算機(jī)(例：多工系統(tǒng))

33、 第三類為MISD（Multiple Instruction stream，Single Data stream）。此類型計(jì)算機(jī)有多條指令流，一條數(shù)據(jù)流。硬件概念硬件概念nMIMD （多指令流、多數(shù)據(jù)流 ） ：分布式系統(tǒng)MIMD（Multiple Instruction stream，Multiple Data stream），它在本質(zhì)上是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，每個(gè)計(jì)算機(jī)有自己的程序計(jì)數(shù)器、程序和數(shù)據(jù)。所有的分布式系統(tǒng)都是MIMD型。所以這種分類系統(tǒng)對于我們來說不是非常有用的。硬件概念硬件概念q存儲(chǔ)器使用：共享式(shared)、私有式(private，share-nothing)多處理器系統(tǒng)（m

34、ulti-processors）2. 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（multi-computers） 分布式計(jì)算機(jī)分類分布式計(jì)算機(jī)分類PPMPPPMPMM分布式計(jì)算機(jī)分類分布式計(jì)算機(jī)分類q連接方式：總線式（連接方式：總線式（Bus-based) 、交換式（、交換式（Switch-based）多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng) 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線式總線式 交換式交換式共享內(nèi)存 私有內(nèi)存q節(jié)點(diǎn)類型： 1. 同構(gòu)式系統(tǒng)（homogeneous）單條互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所有處理器相同相同數(shù)量的內(nèi)存2. 異構(gòu)式系統(tǒng)（heterogeneous）不同的計(jì)算機(jī)不同的網(wǎng)絡(luò) 分布式計(jì)算機(jī)分類分布式計(jì)算機(jī)分類（1）總線型多處理機(jī)）總線型多處

35、理機(jī)n所謂總線型是指只通過單個(gè)網(wǎng)絡(luò)、底板、總線、電纜或其它介質(zhì)將所有計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)起來。有線電視采用的就是與此十分類似的方案，即電纜公司在街道下面布線，所有的用戶都通過分接頭將他們的電視與這條總線連結(jié)起來。 （1）總線型多處理機(jī)）總線型多處理機(jī)高速緩存（cache memory）： 命中率（hit rate） 緩存一致性（coherency）直寫（Write-through）,探聽（ Snoopy）缺點(diǎn)：有限伸縮性（0s=s-1elseblockup:ifexistblockedprocessunblockelses=s+1原子性（原子性（Atomic）同時(shí)只允許一個(gè)進(jìn)程操作信號量同時(shí)只允許一個(gè)進(jìn)

36、程操作信號量并發(fā)問題的解決手段：同步原語。 信號量、monitor、條件變量、Mutex多處理機(jī)操作系統(tǒng)（多處理機(jī)操作系統(tǒng)（MPOS）monitor Counter private: int count = 0; /被保護(hù)變量public: int value() return count; void incr () count = count + 1; void decr() count = count 1;管程管程 - 并發(fā)程序結(jié)構(gòu)并發(fā)程序結(jié)構(gòu) 原子性執(zhí)行原子性執(zhí)行多處理機(jī)操作系統(tǒng)（多處理機(jī)操作系統(tǒng)（MPOS）monitorCounterprivate:intcount=0;intbloc

37、ked_procs=0;conditionunblocked;public:intvalue()returncount;voidincr()/生產(chǎn)者生產(chǎn)者if(blocked_procs=0)count=count+1;elsesignal(unblocked);voiddecr()/消費(fèi)者消費(fèi)者if(count=0)blocked_procs=blocked_procs+1;wait(unblocked);blocked_procs=blocked_procs1;elsecount=count1;多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)n消息傳遞機(jī)制（message

38、passing）n緩沖區(qū)：2個(gè)，發(fā)送者，接受者n同步點(diǎn)：4處，發(fā)送者（S1,S2）,接收者（S3,S4）多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)同步點(diǎn)同步點(diǎn)需要發(fā)送需要發(fā)送緩沖區(qū)？緩沖區(qū)？保證通信保證通信可靠性可靠性?S1:阻塞發(fā)送者，如果緩沖區(qū)滿Yes不必要S2:阻塞發(fā)送者，如果消息未發(fā)送完No不必要S3:阻塞發(fā)送者，如果消息未被接收No必須S4:阻塞發(fā)送者，如果消息未遞交給接收者No必須分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)n分布在4臺計(jì)算機(jī)上的頁面地址空間nCPU 1引用 page 10n page 10為只讀型，則可使用它的復(fù)制副本分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)錯(cuò)誤共享（false sha

39、ring）場地2場地1網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）n異構(gòu)系統(tǒng)n硬件n局部OSn遠(yuǎn)程登錄ntelnetnrloginn網(wǎng)絡(luò)文件NFSnmountn磁盤映射/gamessoftwaresharewordgraphicplayer網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）典型體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）n客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)舉例：兩個(gè)客戶一個(gè)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）舉例：不同的客戶安裝服務(wù)器文件到不同位置n客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中間件系統(tǒng)中間件系統(tǒng)n典型體系結(jié)構(gòu)中間件系統(tǒng)中間件系統(tǒng)n中間件協(xié)議（RPC，RMI，MOM）分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)n廣義上定義，分布式操作系統(tǒng)

40、（DOS）是對分布式系統(tǒng)提供資源管理的軟件系統(tǒng)。n支持進(jìn)程管理、通信管理、名稱管理、同步控制、復(fù)制管理、容錯(cuò)管理和安全控制等全部或部分功能。分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)n通常表現(xiàn)為中間件形式。分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)n單一的、全局的進(jìn)程間通信機(jī)制n協(xié)議、位置n全局進(jìn)程管理n創(chuàng)建、啟動(dòng)、掛起、撤銷n全局文件系統(tǒng)n文件名、目錄、操作n統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口開放性開放性n開放式系統(tǒng)n符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（語法和語義規(guī)則）n例：IDL(接口定義語言)n特點(diǎn)：n互操作性：不同系統(tǒng)可共同工作n可移植性：應(yīng)用程序可在不同系統(tǒng)上運(yùn)行n靈活性：可配置不同開發(fā)者的構(gòu)件n可擴(kuò)展性：可增減構(gòu)件可伸縮性（可伸縮性（scalab

41、ility）指標(biāo)： 規(guī)?？缮炜s性 地理位置可伸縮性 管理可伸縮性限制規(guī)?？缮炜s性的問題： 集中式服務(wù)（如高度機(jī)密的信息） 集中式數(shù)據(jù)（通信線路影響） 集中式算法（如，最佳路由選擇）可伸縮性（可伸縮性（scalability） 限制地理可伸縮性的問題： 通信延遲 不可靠通信 集中式方案 限制管理可伸縮性的問題： 策略沖突（收費(fèi)、管理、安全性）可伸縮性主要技術(shù)（可伸縮性主要技術(shù)（1） 減少通信延遲 異步通信，減少等待 胖客戶，減少服務(wù)器工作量可伸縮性主要技術(shù)（可伸縮性主要技術(shù)（2）分布化（distribution）例：命名服務(wù)：域（domain）,區(qū)（zone）可伸縮性主要技術(shù)（可伸縮性主要技術(shù)（

42、3） 復(fù)制和高速緩存（cache）例：Web cache服務(wù)器客戶CACHE客戶CACHE客戶CACHE互聯(lián)網(wǎng)可靠性可靠性 可用性（availability） “或” 相關(guān)性、“與”相關(guān)性 安全性身份認(rèn)證、入侵監(jiān)測 容錯(cuò)性硬軟件冗余恢復(fù)和接管性性能能 吞吐率（throughput） TPC-C基準(zhǔn)測試 實(shí)時(shí)性（real-time） 響應(yīng)速度 并行性 細(xì)粒度并行性 粗粒度并行性四種操作系統(tǒng)比較四種操作系統(tǒng)比較項(xiàng)目項(xiàng)目多處理機(jī)多處理機(jī)OS多計(jì)算機(jī)多計(jì)算機(jī)OS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)OS中間件中間件OS透明度極高高低高各節(jié)點(diǎn)上相同OS是是否否OS副本個(gè)數(shù)1NNN通信基礎(chǔ)共享內(nèi)存消息文件具體模型資源管理全局,集中式全

43、局,分布式每個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可伸縮性無中等有不同開放性封閉式封閉式開放式開放式1.6分布式系統(tǒng)的類型分布式系統(tǒng)的類型根據(jù)分布式系統(tǒng)的應(yīng)用類型，可劃分出3種分布式系統(tǒng)。n分布式計(jì)算系統(tǒng)：高性能科學(xué)計(jì)算n分布式信息系統(tǒng)：信息管理和事務(wù)處理n分布式普適系統(tǒng)：嵌入式應(yīng)用分布式計(jì)算系統(tǒng)分布式計(jì)算系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)n主節(jié)點(diǎn)：管理節(jié)點(diǎn)n從節(jié)點(diǎn)：計(jì)算節(jié)點(diǎn)管理程序并行組件庫本地操作系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)主節(jié)點(diǎn)并行應(yīng)用程序并行組件庫本地操作系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)并行應(yīng)用程序并行組件庫本地操作系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn). . .分布式計(jì)算系統(tǒng)分布式計(jì)算系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)n管理程序：系統(tǒng)管理和配置、作業(yè)管理n并行組件庫：基于消息的通信工具n本

44、地操作系統(tǒng)：標(biāo)準(zhǔn)的通用OSn并行應(yīng)用程序：并行執(zhí)行的應(yīng)用程序分布式計(jì)算系統(tǒng)分布式計(jì)算系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)網(wǎng)格系統(tǒng)n虛擬組織：邏輯上統(tǒng)一的一組人或機(jī)構(gòu)n資源：服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫等匯集層連接層資源層光纖層應(yīng)用層資源分布式計(jì)算系統(tǒng)分布式計(jì)算系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)網(wǎng)格系統(tǒng)n光纖層：資源的接口n連接層：通信協(xié)議n資源層：管理單個(gè)資源n匯集層：對多個(gè)資源的訪問n應(yīng)用層：虛擬組織的應(yīng)用程序n面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）n開放式網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（OGSA）分布式信息系統(tǒng)分布式信息系統(tǒng)n事務(wù)處理系統(tǒng)n事務(wù)的ACID性質(zhì)：原子性、一致性、隔離性和持久性n分布式或嵌套式事務(wù)：一個(gè)全局事務(wù)加上多個(gè)子事務(wù)組成n事務(wù)處理監(jiān)控器客戶應(yīng)用程

45、序TP監(jiān)控器DB服務(wù)器DB服務(wù)器DB服務(wù)器事務(wù)處理事務(wù)處理請求請求答復(fù)答復(fù)分布式信息系統(tǒng)分布式信息系統(tǒng)n企業(yè)應(yīng)用集成(EAI)n將與數(shù)據(jù)庫無關(guān)的應(yīng)用程序進(jìn)行集成n提供應(yīng)用程序之間的互操作n通信中間件：RPC、RMI、MOM等通信中間件DB服務(wù)器端應(yīng)用程序客戶應(yīng)用程序客戶應(yīng)用程序DB服務(wù)器端應(yīng)用程序DB服務(wù)器端應(yīng)用程序分布式普適系統(tǒng)分布式普適系統(tǒng)n普適計(jì)算設(shè)備n移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)n普適應(yīng)用系統(tǒng)n接受上下文環(huán)境變化n鼓勵(lì)即席（Ad hoc）組合n認(rèn)可共享是缺省值分布式普適系統(tǒng)分布式普適系統(tǒng)n智能家庭系統(tǒng)n家庭網(wǎng)絡(luò)，連接所有家用電器等設(shè)備n通用即插即用（UPnP）標(biāo)準(zhǔn)n個(gè)人數(shù)據(jù)空間（data spac

46、e）管理分布式普適系統(tǒng)分布式普適系統(tǒng)n電子保健系統(tǒng)n身體局域網(wǎng)絡(luò)分布式普適系統(tǒng)分布式普適系統(tǒng)n身體局域網(wǎng)絡(luò)n網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)處理分布式普適系統(tǒng)分布式普適系統(tǒng)n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)n計(jì)算能力有限n通信能力有限 電能有限第一章 分布式系統(tǒng)概述對于同構(gòu)型分布式系統(tǒng)而言，組成該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是相同的或非常相似的，同時(shí)組成該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件也是相同的或非常相似的。 對于異構(gòu)型分布式系統(tǒng)而言，組成該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的硬件或軟件是不同的，或者組成該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件或軟件也是不同的 。同構(gòu)型與異構(gòu)型分布計(jì)算系統(tǒng)第一章 分布式系統(tǒng)概述分布計(jì)算系統(tǒng)的異構(gòu)性 的表現(xiàn)：分布計(jì)算系統(tǒng)的異構(gòu)性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的異構(gòu)

47、性通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性指令系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)表示方法不同機(jī)器的配置不同操作系統(tǒng)功能不同系統(tǒng)調(diào)用不同文件系統(tǒng)不同硬件異構(gòu)性操作系統(tǒng)異構(gòu)性程序設(shè)計(jì)語言的異構(gòu)性硬件異構(gòu)性：接口硬件不同、連接方法不同、通信方法不同。軟件異構(gòu)性：通信協(xié)議不同。分布計(jì)算系統(tǒng)的相關(guān)概念第一章 分布式系統(tǒng)概述為什么分布計(jì)算系統(tǒng)的異構(gòu)性是不可避免的？分布計(jì)算系統(tǒng)已成為資源共享的重要形式。隨著分布計(jì)算系統(tǒng)資源的增多，其他用戶也希望加入系統(tǒng)，共享其資源。這些新的系統(tǒng)往往同原有系統(tǒng)中現(xiàn)有的硬件和軟件不同。 由于硬件性能的提高和其價(jià)格的下降，當(dāng)擴(kuò)充一個(gè)分布計(jì)算系統(tǒng)時(shí)，人們往往會(huì)選擇新型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而不是選擇已有的設(shè)備類型。把不同的硬件和軟件系

48、統(tǒng)結(jié)合在一起，整個(gè)系統(tǒng)可以得到較高的性能價(jià)格比。在這樣的系統(tǒng)中，如果配置一些專門為某種目的設(shè)計(jì)的具有特殊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的處理器，則普通的計(jì)算機(jī)也可以共享這些功能。第一章 分布式系統(tǒng)概述v分布計(jì)算系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)分布計(jì)算系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 可擴(kuò)充性。不必像單機(jī)系統(tǒng)那樣替換整個(gè)系統(tǒng)，分布計(jì)算系統(tǒng)容易通過擴(kuò)大規(guī)模以包括更多的資源。 高的性能/價(jià)格比。在分布計(jì)算系統(tǒng)中，可以通過增加計(jì)算機(jī)的數(shù)目，提高并行程度而得到所需要的性能，從而可以獲得很高的性能/價(jià)格比。 資源共享。系統(tǒng)中的硬件和軟件資源如外部設(shè)備、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等可以被更多的用戶所共享，甚至連CPU和內(nèi)存等資源也可被共享。 可靠性。分布計(jì)算系統(tǒng)具有在系統(tǒng)中當(dāng)某個(gè)部

49、分出現(xiàn)了故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行的潛力。 支持固有的分布式應(yīng)用。分布計(jì)算系統(tǒng)與許多應(yīng)用場合相適應(yīng)，如銀行、鐵路等本來就分散而又必須相互協(xié)調(diào)的行業(yè)。 第一章 分布式系統(tǒng)概述v分布計(jì)算系統(tǒng)的新問題分布計(jì)算系統(tǒng)的新問題 資源的多重性帶來的問題。由于處理資源的多重性，分布計(jì)算系統(tǒng)可能產(chǎn)生的差錯(cuò)類型和次數(shù)都比集中式單機(jī)系統(tǒng)多。資源多重性還給系統(tǒng)資源管理帶來新的困難。 資源的分散性帶來的問題。分布式的狀態(tài)信息和不可預(yù)知的報(bào)文延遲使得系統(tǒng)的控制和同步問題變得很復(fù)雜，要想及時(shí)地、完整地搜集到系統(tǒng)各方面的信息是很困難的，從而使處理機(jī)進(jìn)行最佳調(diào)度相當(dāng)困難。系統(tǒng)的異構(gòu)性帶來的問題。在異構(gòu)性分布計(jì)算系統(tǒng)中，由于各種不同資

50、源(特別是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò))的數(shù)據(jù)表示和編碼、控制方式等均不相同，這樣一來就產(chǎn)生了翻譯、命名、保護(hù)和共享等新問題。 第一章 分布式系統(tǒng)概述v透明性的概念透明性的概念透明性：事物本來存在某種屬性，但是這種屬性從某種角度上來看是不可見的，稱這種特性為透明性。 分布計(jì)算系統(tǒng)的透明性：用戶或程序員看不見網(wǎng)絡(luò)的存在。這樣從用戶或程序員的角度看來，網(wǎng)絡(luò)中的全部機(jī)器表現(xiàn)為一個(gè)，用戶或程序員看不到機(jī)器的邊界和網(wǎng)絡(luò)本身。用戶不必知道數(shù)據(jù)放在什么地方以及進(jìn)程在何處執(zhí)行。 分布計(jì)算系統(tǒng)的透明性表現(xiàn)：名字透明。名字透明指的是對象的命名在全局是唯一的，不管在什么地方訪問該對象使用的名字都是一樣的。這樣一來，在系統(tǒng)中移動(dòng)一個(gè)

51、程序不影響它的正確性。 位置透明。位置透明指的是資源的名字中不包含該資源的位置信息。這樣一來，當(dāng)該資源在系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，在資源名字保持不變的情況下，原有的程序都可正常運(yùn)行。 訪問透明。用戶不用區(qū)分本地資源還是遠(yuǎn)程資源，訪問本地資源和訪問遠(yuǎn)程資源的方法是一樣的。 遷移透明。遷移透明指的是用戶不知道一個(gè)資源或者他的作業(yè)是否遷移到另外一個(gè)位置。遷移透明需要名字透明的支持。 復(fù)制透明。復(fù)制透明允許文件或其他對象的多個(gè)副本同時(shí)在系統(tǒng)中存在，但是這種情況對用戶是透明的，對對象的修改應(yīng)同時(shí)作用在對象的所有副本上。 第一章 分布式系統(tǒng)概述并發(fā)和并行透明。多個(gè)進(jìn)程可能并發(fā)或并行訪問同一個(gè)資源，或一個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用多

52、個(gè)資源，在此情況下不會(huì)產(chǎn)生相互干擾和破壞。 失效透明。系統(tǒng)中的某一部分失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)失效，仍可正常運(yùn)行。 第一章 分布式系統(tǒng)概述第一章 分布式系統(tǒng)概述分布計(jì)算系統(tǒng)具有透明性時(shí)有以下一些優(yōu)點(diǎn)： 使軟件的研制變得容易，因?yàn)樵L問資源的方法只有一種，軟件的功能與其位置無關(guān)。 系統(tǒng)的某些資源變動(dòng)時(shí)不影響或較少影響應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)的資源冗余(硬件冗余和軟件冗余)使操作更可靠，可用性更好。透明性使得在實(shí)現(xiàn)這種冗余的時(shí)候，各種冗余資源的互相替換變得容易。 在資源操作方面，當(dāng)把一個(gè)操作從一個(gè)地方移到若干其他地方時(shí)沒有什么影響。 第一章 分布式系統(tǒng)概述v影響透明性的因素影響透明性的因素 系統(tǒng)的異構(gòu)性對透明性

53、的影響 ：不同方法實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)性系統(tǒng)具有不同的透明性。通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)松散集成。對于包含有很多機(jī)種，而每個(gè)機(jī)種又只有很少幾臺機(jī)器的系統(tǒng)，早期常使用這種方式實(shí)現(xiàn)。這種方法是讓系統(tǒng)不透明地使用一些基本設(shè)施(如遠(yuǎn)程過程調(diào)用、命名、訪問權(quán)限檢查)和服務(wù)設(shè)施(如文件系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)、打印機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算等)，用簡單的用戶程序和復(fù)雜的服務(wù)程序構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不具有透明性。 在已有的多個(gè)系統(tǒng)上加入前端軟件。例如當(dāng)使用若干個(gè)人計(jì)算機(jī)訪問一個(gè)現(xiàn)存的公用數(shù)據(jù)庫時(shí)，可以在這些個(gè)人計(jì)算機(jī)上加入一個(gè)數(shù)據(jù)庫協(xié)議軟件，從而可以在此系統(tǒng)中的個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用該數(shù)據(jù)庫。 共享不同語言的程序。如果一個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)機(jī)種有很多機(jī)器，則常采用

54、這種方法。這種方法提供一些設(shè)施，使得用根本不同的語言編寫的程序能夠共享。特別是一種語言程序可以用透明的方式調(diào)用另一種語言的程序。第一章 分布式系統(tǒng)概述聚合(Coherence)法。這種方法是定義一個(gè)軟件層，使其保持一致，并在各種不同硬件上實(shí)現(xiàn)。這個(gè)軟件層可以在邏輯上集中的文件服務(wù)層上實(shí)現(xiàn)，也可以在應(yīng)用程序接口上實(shí)現(xiàn)。這種方法適用于機(jī)種不多，但是每種機(jī)器的數(shù)目很大的系統(tǒng)。 使用透明的操作系統(tǒng)橋。這種方法就是在本地系統(tǒng)上攔截操作系統(tǒng)的調(diào)用，并將相應(yīng)的調(diào)用傳遞給遠(yuǎn)程系統(tǒng)的服務(wù)進(jìn)程付諸實(shí)現(xiàn)。本地程序直接調(diào)用遠(yuǎn)程進(jìn)程，在本地和遠(yuǎn)程進(jìn)程間進(jìn)行通信，由遠(yuǎn)程進(jìn)程直接訪問所需文件。采用這種方法必須為每對操作系統(tǒng)

55、設(shè)計(jì)橋軟件，因此這種方法適用于操作系統(tǒng)種類不多的環(huán)境。 第一章 分布式系統(tǒng)概述第一章 分布式系統(tǒng)概述局部自治性對透明性的影響局部自治性對透明性的影響：分布計(jì)算系統(tǒng)由分散在各地點(diǎn)的一批計(jì)算機(jī)組成，這些地點(diǎn)可能希望保持對處在該地點(diǎn)的機(jī)器的控制權(quán)，這種局部自治性限制了全局透明性。 資源控制方面。由分布計(jì)算系統(tǒng)連接的各機(jī)器是由不同的用戶所操作，或由一個(gè)機(jī)關(guān)的不同部門控制，希望在資源的使用上有較大的控制權(quán)。因此，必須有一種手段解決這個(gè)問題，在透明性和局部自治性之間進(jìn)行折衷。 命名方面。即使同型號的機(jī)器，不同的用戶也可能以不同的方式形成他們的目錄，例如FORTRAN程序庫在某個(gè)機(jī)器上使用某個(gè)名字，而在另一

56、臺機(jī)器上可能使用另一個(gè)名字，造成不透明。 第一章 分布式系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)互連對透明性的影響網(wǎng)絡(luò)互連對透明性的影響 ：很多網(wǎng)絡(luò)連接了不同廠商提供的不同系列的計(jì)算機(jī)，要實(shí)現(xiàn)透明性必須修改這些機(jī)器的軟件，這是很不實(shí)際的。 現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)一般是直接從早期網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展來的，其最重要的功能是通信，并未考慮到分布計(jì)算。 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)一般是很昂貴的資源，其特征是低帶寬或高延遲，或者二者兼有，因此，很多人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)使這種資源的應(yīng)用成為可見的(不透明的)。 第一章 分布式系統(tǒng)概述v分布計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有什么區(qū)別呢？ 如果用戶能說明他在使用哪一個(gè)計(jì)算機(jī)，則他是在使用一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而不是分布式系統(tǒng)。一個(gè)真正的分布計(jì)算系

57、統(tǒng)的用戶不必知道他的程序在哪個(gè)機(jī)器上運(yùn)行，他的文件在哪里存放，等等。使分布計(jì)算系統(tǒng)具有這種性質(zhì)的是它的軟件：分布式操作系統(tǒng)。 從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上所運(yùn)行的操作系統(tǒng)軟件來分，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展可分為三個(gè)階段：無操作系統(tǒng)階段、運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)階段和運(yùn)行分布式操作系統(tǒng)階段。 第一章 分布式系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般具有以下特點(diǎn)： 每個(gè)計(jì)算機(jī)都運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)，而不是運(yùn)行共同的、全系統(tǒng)范圍的操作系統(tǒng)或其一部分。 每個(gè)用戶通常在自己的計(jì)算機(jī)上以“遠(yuǎn)程登錄”的方式或其他明確指出的方式使用不同的機(jī)器，而不是由系統(tǒng)給用戶進(jìn)程分配計(jì)算機(jī)，因而不能并行執(zhí)行某個(gè)程序。 用戶知道他們的文件存放在哪里，在機(jī)器之間移動(dòng)文

58、件時(shí)必須明確地使用“文件傳送”命令。 系統(tǒng)沒有容錯(cuò)能力，或者僅具有很少的容錯(cuò)能力。 第一章 分布式系統(tǒng)概述分布計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)：程序(進(jìn)程)、終端用戶或程序員對全部分布資源應(yīng)該有一個(gè)唯一的連貫的觀點(diǎn)，不必明確地知道所需資源是在本地、遠(yuǎn)程或是分散的，主機(jī)之間的邊界應(yīng)盡可能隱匿。 在性能方面，NOS結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是有效的、可用的。本地用戶進(jìn)程訪問本地服務(wù)時(shí)應(yīng)象單機(jī)操作系統(tǒng)一樣有效，不增加額外數(shù)目和類型的報(bào)文或系統(tǒng)調(diào)用。 可擴(kuò)充性。用戶很容易在現(xiàn)存服務(wù)上增加新的服務(wù)而不必要求系統(tǒng)程序員增加新的駐存程序，正如在單機(jī)系統(tǒng)上增加新的服務(wù)不必要求修改現(xiàn)有的操作系統(tǒng)。 第一章 分布式系統(tǒng)概述v區(qū)分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系

59、統(tǒng)與分布計(jì)算系統(tǒng)區(qū)分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與分布計(jì)算系統(tǒng) 從文件系統(tǒng)的訪問方法上區(qū)分 ：沒有操作系統(tǒng)的訪問方法。計(jì)算機(jī)A上的程序?qū)上的文件復(fù)制到A上來，然后再在A上訪問此文件。 有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的訪問方法。這種方法是把不同的文件系統(tǒng)連接起來，一個(gè)機(jī)器上的程序可以使用路徑名打開另一個(gè)機(jī)器上的文件，只是這個(gè)路徑名中包含了另一個(gè)機(jī)器的信息。 如：open(“/machine_name/pathname”,READ)； 分布計(jì)算系統(tǒng)使用的方法。在這種方法中，所有各子系統(tǒng)的文件系統(tǒng)組成一個(gè)整體文件系統(tǒng)。 第一章 分布式系統(tǒng)概述從訪問控制方面區(qū)分 UNIX和其他許多操作系統(tǒng)給每個(gè)用戶賦予一個(gè)唯一的內(nèi)部標(biāo)識符（UI

60、D），以利于訪問控制。 沒有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的情況。這種辦法要求所有要訪問機(jī)器X上的文件的用戶先使用屬于機(jī)器X的用戶名在機(jī)器X上登錄。 有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的情況。在這種辦法中，由網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對不同機(jī)器上的UID進(jìn)行變換。 在分布式操作系統(tǒng)下的情況。在分布計(jì)算系統(tǒng)中，對每個(gè)用戶只設(shè)一個(gè)UID，使用它可以訪問任何機(jī)器，不必經(jīng)過變換。 第一章 分布式系統(tǒng)概述是否區(qū)分本地執(zhí)行和遠(yuǎn)程執(zhí)行方面判斷 ：在沒有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用戶要遠(yuǎn)程執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，該用戶先遠(yuǎn)程登錄到一個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)器上，然后在那里運(yùn)行作業(yè)。 2)在有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用戶在自己的終 端上輸入一個(gè)特殊的命令，指定一個(gè)機(jī)器運(yùn)行一個(gè)