高級(jí)操作系統(tǒng)課件

高級(jí)操作系統(tǒng)教材和參考書(shū)目教材：

《分布式系統(tǒng)：原理與范型》AndrewS.Tanenbaum等清華大學(xué)出版社2004年參考書(shū)：分布式操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐徐良賢等譯機(jī)械工業(yè)出版社2003高級(jí)操作系統(tǒng)徐甲同西安電子科技大學(xué)出版社2001課件下載地址：/mydownload.jsp課程成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)成績(jī)：20%（課堂測(cè)試）期末考試：80%課程主要內(nèi)容分布式系統(tǒng)概述分布式系統(tǒng)通信分布式進(jìn)程管理命名同步一致性和復(fù)制容錯(cuò)性分布式安全分布式文件系統(tǒng)第一章分布式系統(tǒng)概述什么是操作系統(tǒng)?什么是分布式系統(tǒng)?分布式系統(tǒng)的硬件分布式系統(tǒng)的軟件客戶-服務(wù)器模型什么是操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)概念：操作系統(tǒng)是一種管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，控制系統(tǒng)工作流程，方便用戶使用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)的作用(1)作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口OS作為接口的層狀示意圖計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序應(yīng)用程序操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者程序員一般用戶命令系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)的作用(2)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者處理機(jī)管理：分配和控制處理機(jī)存儲(chǔ)器管理：分配及回收內(nèi)存I/O(Input/Output)設(shè)備管理：I/O分配與操作文件管理：文件存取、共享和保護(hù)

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史手工操作批處理系統(tǒng)(batchprocessing)分時(shí)系統(tǒng)(time-sharingsystem)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-timesystem)兩大發(fā)展方向-宏觀應(yīng)用和微觀應(yīng)用微型系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)大型系統(tǒng)：分布式操作系統(tǒng)和集群操作系統(tǒng)手工操作的計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)

ENIAC，運(yùn)算速度：5000次/每秒,18000個(gè)真空管,占地182平方米，重量130噸，功耗140kW卡片批處理系統(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)主機(jī)終端分時(shí)系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)美國(guó)加州伯克利大學(xué)研制：微型智能傳感器，安裝TinyOS常見(jiàn)的操作系統(tǒng)MSOS:MSDOS,Windows95,WindowsNT,Windows2000,WindowsXP,Windows2003UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,Solaris,Linux嵌入式OS:Linux、VxWorks、WindowsCE.net

、SmartPhone、PocketPC、Symbian分布式操作系統(tǒng)：Amoeba、Mach、Chorus和DCE

分布式系統(tǒng)的定義(1)技術(shù)領(lǐng)域的兩項(xiàng)進(jìn)步高性能微處理器的開(kāi)發(fā)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明定義：分布式系統(tǒng)是若干獨(dú)立計(jì)算機(jī)的集合，它們對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)就像一個(gè)系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)的定義(2)作為中間件存在的分布式系統(tǒng)1.1分布式系統(tǒng)屏蔽系統(tǒng)中種類各異的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，常常通過(guò)一個(gè)軟件層（中間件）組織起來(lái)。分布式系統(tǒng)實(shí)例大學(xué)或公司的工作站網(wǎng)絡(luò)處理器池單一的文件系統(tǒng)命令的分布式處理支持訂單自動(dòng)處理的工作流系統(tǒng)訂單處理流程對(duì)用戶透明萬(wàn)維網(wǎng)：分布式文檔模型分布式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：與高性能的大型主機(jī)(MainFrame)系統(tǒng)相比經(jīng)濟(jì)——較高的性能價(jià)格比對(duì)固有分布性問(wèn)題求解的適應(yīng)性可擴(kuò)充性——比較松散的構(gòu)成，使得節(jié)點(diǎn)的增減很容易可靠性——自動(dòng)降級(jí)運(yùn)行保障，故障時(shí)不停機(jī)寬適應(yīng)性——增加了對(duì)分散用戶要求協(xié)同的支持與分散系統(tǒng)（每人一臺(tái)微機(jī)或者工作站）相比共享資源、加強(qiáng)通信、通過(guò)負(fù)載平衡提高系統(tǒng)的效率擴(kuò)充了系統(tǒng)能力缺點(diǎn)：控制比較復(fù)雜，尤其是在資源管理上要附加許多協(xié)調(diào)操作——資源屬于局部工作站性能、可靠性對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性強(qiáng)分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵目標(biāo)讓用戶連接到資源共享資源：降低經(jīng)濟(jì)成本方便協(xié)作和信息交換：互聯(lián)網(wǎng)、群件、電子商務(wù)透明性開(kāi)放性可擴(kuò)展性分布式系統(tǒng)的透明性分布式系統(tǒng)的重要目標(biāo)之一是透明性，即將它的進(jìn)程和資源實(shí)際上分布在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上這一事實(shí)隱藏起來(lái)。透明性 描述訪問(wèn) 隱藏?cái)?shù)據(jù)表示形式以及訪問(wèn)方式的不同位置 隱藏?cái)?shù)據(jù)所在位置遷移 隱藏資源是否已移動(dòng)到另一個(gè)位置重定位隱藏資源是否在使用中已移動(dòng)到另一個(gè)位置復(fù)制 隱藏資源是否已被復(fù)制并發(fā) 隱藏資源是否由若干相互競(jìng)爭(zhēng)的用戶共享故障 隱藏資源的故障和恢復(fù)持久性隱藏資源（軟件）位于內(nèi)存里或在磁盤(pán)上透明度透明性受到限制位置透明性必須將透明性與其他因素（如性能）結(jié)合起來(lái)考慮。復(fù)制透明性分布式系統(tǒng)的開(kāi)放性開(kāi)放性定義：根據(jù)一系列準(zhǔn)則來(lái)提供服務(wù)，這些準(zhǔn)則描述了所提供服務(wù)的語(yǔ)法和語(yǔ)義分布式系統(tǒng)中，服務(wù)通常通過(guò)接口指定，接口定義了可用函數(shù)的名稱、參數(shù)類型、返回值以及可能出現(xiàn)的異常，良好的接口規(guī)范說(shuō)明應(yīng)具有：完整性中立性互操作性：不同廠商組件的共存和協(xié)同工作程度可移植性靈活性：方便的組合不同組件，添加、替換組件靈活性的關(guān)鍵：策略與機(jī)制分離分布式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性規(guī)模上的擴(kuò)展：更多的用戶和資源地域上的擴(kuò)展：用戶和資源相隔更遠(yuǎn)管理上的擴(kuò)展：跨越多個(gè)管理機(jī)構(gòu)規(guī)模上擴(kuò)展的限制可擴(kuò)展性限制的實(shí)例概念實(shí)例集中式服務(wù)供所有用戶訪問(wèn)的單服務(wù)器集中式數(shù)據(jù)單個(gè)在線電話簿集中式算法根據(jù)完整信息安排路由地域上擴(kuò)展的限制難以擴(kuò)充為局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的分布式系統(tǒng)的原因：局域網(wǎng)的分布式系統(tǒng)是基于同步通信的，難以適用于廣域系統(tǒng)局域網(wǎng)提供高度可靠的基于廣播的通信方式，而廣域網(wǎng)的通信本質(zhì)上是不可靠的，而且是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的；服務(wù)定位問(wèn)題存在集中式組件產(chǎn)生的性能和可靠性問(wèn)題管理上擴(kuò)展的限制在資源使用（以及付費(fèi)）、管理和安全問(wèn)題上各域存在相互沖突的策略如單域中的分布式組件得到同域用戶的信任，而無(wú)法自動(dòng)拓展到域外分布式系統(tǒng)必須保護(hù)自己免受新域的惡意攻擊新域必須保護(hù)自己免受分布式系統(tǒng)的惡意攻擊擴(kuò)展技術(shù)隱藏通信等待時(shí)間異步通信減少通信量分布技術(shù)：分割組件，分散到系統(tǒng)中，如DNS和WWW復(fù)制技術(shù):多拷貝擴(kuò)展技術(shù)--減少通信量1.4由服務(wù)器檢查表單由客戶端檢查表單擴(kuò)展技術(shù)--分布技術(shù)1.5將DNS名字空間劃分為區(qū)的例子擴(kuò)展技術(shù)--復(fù)制技術(shù)復(fù)制：增加可用性，有助于負(fù)載均衡緩存：在訪問(wèn)資源的客戶周圍制作資源備份一致性問(wèn)題分布式系統(tǒng)的硬件多CPU計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：根據(jù)是否共享存儲(chǔ)器多處理器（multiprocessors）系統(tǒng)：共享存儲(chǔ)器多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（multicomputers）：不共享存儲(chǔ)器同構(gòu)的：相同計(jì)算機(jī)，單一互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的：不同計(jì)算機(jī)，通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)互連根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互連體系結(jié)構(gòu)總線型（bus）：使用一根主干線連接交換型（switched）：各機(jī)器之間用獨(dú)立線路相連分布式系統(tǒng)的硬件1.6分布式系統(tǒng)中處理器和存儲(chǔ)器的不同組織方式多處理器系統(tǒng)(1)共享內(nèi)存基于總線的多處理器系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)(2)交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)omega交換網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要解決CPU之間的通信問(wèn)題，信息量較少基于總線基于交換網(wǎng)狀拓?fù)涑⒎襟w拓?fù)銶PP（massivelyparallelprocessors）,COW(clustersofworkstations):互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與容錯(cuò)性異構(gòu)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)差異：處理器類型、存儲(chǔ)器大小以及I/O帶寬等系統(tǒng)中的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也可以是高度異構(gòu)的實(shí)例：校園網(wǎng)沒(méi)有整體的系統(tǒng)視圖：應(yīng)用程序不能假定在系統(tǒng)各處都提供相同的性能和服務(wù)分布式系統(tǒng)的用武之地分布式系統(tǒng)的軟件分布式操作系統(tǒng)：DOS(DistributedOperatingSystems)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：NOS(NetworkOperatingSystems)Middleware（中間件）：對(duì)NOS的改進(jìn)，提高分布透明性系統(tǒng)描述主要目標(biāo)DOS緊耦合的操作系統(tǒng)，用于多處理器系統(tǒng)和同構(gòu)式多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以一種簡(jiǎn)單的全局視圖管理資源隱藏及管理硬件資源NOS松耦合的操作系統(tǒng)，用于異構(gòu)式多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(LAN和WAN)，一組運(yùn)行各自操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)協(xié)同為遠(yuǎn)程客戶提供本地服務(wù)中間件NOS通用服務(wù)實(shí)現(xiàn)層之上的附加層提供分布式透明性單處理器操作系統(tǒng)管理單CPU的計(jì)算機(jī)內(nèi)核模式與用戶模式通過(guò)微內(nèi)核分隔應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)代碼1.11多處理器操作系統(tǒng)(1)目標(biāo)是通過(guò)多CPU支持高性能數(shù)據(jù)由多個(gè)處理器訪問(wèn)，必須確保數(shù)據(jù)的一致性信號(hào)量（semaphore）和管程（monitor）monitorCounter{private:intcount=0;public:intvalue(){returncount;}voidincr(){count=count+1;}voiddecr(){count=count–1;}}多處理器操作系統(tǒng)(2)用于保護(hù)整數(shù)免受并發(fā)操作的管程，它將阻塞某個(gè)進(jìn)程monitorCounter{private:intcount=0;intblocked_procs=0;conditionunblocked;public:intvalue(){returncount;}voidincr(){if(blocked_procs==0)count=count+1;elsesignal(unblocked);}voiddecr(){if(count==0){blocked_procs=blocked_procs+1;wait(unblocked);blocked_procs=blocked_procs–1;}elsecount=count–1;}}多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)具有更高的復(fù)雜性：不存在共享的存儲(chǔ)器，使用消息通信多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)1.14分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)（DSM）(1)分布到四臺(tái)機(jī)器的地址空間中的頁(yè)CPU1引用頁(yè)10后的情況假定頁(yè)10是只讀的并且進(jìn)行復(fù)制后的情況人們?cè)噲D在多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上模擬共享存儲(chǔ)器提高性能的方法：復(fù)制頁(yè)的大小分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)(2)兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)程間頁(yè)面的偽共享：頁(yè)面太大導(dǎo)致的問(wèn)題1.18網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(1)不假定底層硬件是同構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(2)rloginmachinercpmachine:file1machine2:file2全局文件系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中的兩個(gè)客戶和一個(gè)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(3)不同的客戶可以導(dǎo)入服務(wù)器上的文件系統(tǒng)，并把它安裝到不同的位置1.21網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(4)缺乏透明性：不方便使用、存在安全缺陷擴(kuò)展性好，添加或刪除機(jī)器方便中間件以中間件形式組織的分布式系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用程序隱藏底層平臺(tái)的異構(gòu)性中間件模型：將所有東西都看作文件分布式文件系統(tǒng)基于RPC分布式對(duì)象分布式文檔中間件服務(wù)：訪問(wèn)透明性命名服務(wù)分布式事務(wù)安全功能中間件和開(kāi)放性在一個(gè)基于中間件的開(kāi)放分布式系統(tǒng)中，各中間件層所使用的協(xié)議及向應(yīng)用程序提供的接口必須相同1.23各種系統(tǒng)的比較項(xiàng)目分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)基于中間件的分布式系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)透明度很高高低高所有的節(jié)點(diǎn)使用的操作系統(tǒng)是否相同是是否否操作系統(tǒng)拷貝數(shù)目1NNN通信基于的實(shí)體共享內(nèi)存消息文件特定模型資源管理全局，集中管理全局，分布管理各節(jié)點(diǎn)自行管理各節(jié)點(diǎn)自行管理可擴(kuò)展性否部分是各系統(tǒng)不同開(kāi)放性封閉的封閉的開(kāi)放的開(kāi)放的客戶端-服務(wù)器模型服務(wù)器（server）：實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定服務(wù)的進(jìn)程客戶（client）：向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)的進(jìn)程客戶端-服務(wù)器之間的一般交互客戶端-服務(wù)器示例(1)客戶端-服務(wù)器使用的header.h客戶端-服務(wù)器示例(2)一個(gè)簡(jiǎn)單的服務(wù)器客戶端-服務(wù)器示例(3)使用服務(wù)器拷貝文件的客戶1-27b應(yīng)用程序的分層客戶服務(wù)器應(yīng)用程序通常組織為三個(gè)層次：用戶界面層：用戶交互處理層：應(yīng)用程序核心功能數(shù)據(jù)層：操作數(shù)據(jù)或文件系統(tǒng)1-28多層體系結(jié)構(gòu)(1)客戶端-服務(wù)器模型可能的組織結(jié)構(gòu)(a)–(e).1-29多層體系結(jié)