操作系統(tǒng)第8章

1、第8章 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分布式系統(tǒng) 1 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2 分布式系統(tǒng)概念3 分布式操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu). 單體結(jié)構(gòu) 單體系統(tǒng)是非模塊化的，但它蘊(yùn)含著一種基本的結(jié)構(gòu)關(guān)系： （）一個(gè)主過(guò)程，它接受和解釋系統(tǒng)調(diào)用命令，并調(diào)用相應(yīng)的過(guò)程。 （）一組執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)過(guò)程，每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都有對(duì)應(yīng)的服務(wù)過(guò)程。 （）一組支持服務(wù)過(guò)程的實(shí)用過(guò)程，每個(gè)實(shí)用過(guò)程完成若干個(gè)服務(wù)過(guò)程所必須執(zhí)行的公共事務(wù)。圖- 單體結(jié)構(gòu)的分層 . 模塊分層結(jié)構(gòu) 這是一種模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它把操作系統(tǒng)劃分成若干模塊，并按這些模塊的控制或服務(wù)關(guān)系進(jìn)行分層，每層包含一個(gè)或若干個(gè)模塊。底層（第層）是宿主機(jī)（即硬件系統(tǒng)），最高層（第層）是用戶(hù)接

2、口。層與層之間存在著一種單向依賴(lài)關(guān)系高層依賴(lài)于低層，而低層不依賴(lài)于高層，即高層模塊可以調(diào)用低層模塊，反之則不行。如果同層中的各模塊之間不存在相互調(diào)用關(guān)系，則這種分層結(jié)構(gòu)是全序的，否則是半序的。模塊分層結(jié)構(gòu)通常也稱(chēng)為有序分層結(jié)構(gòu)。 .自底向上（-）法 以宿主系統(tǒng)（底層）為基礎(chǔ)，對(duì)的各項(xiàng)功能（如、存貯器、外部設(shè)備等）作第一次擴(kuò)充，得到一個(gè)比功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)；然后再以為基礎(chǔ)進(jìn)行第二次擴(kuò)充，得到新虛擬機(jī)。如此依次擴(kuò)充，自底向上地一層層地?cái)U(kuò)充，最終達(dá)到目標(biāo)系統(tǒng)（頂層）。在擴(kuò)充過(guò)程中，各級(jí)虛擬機(jī)具有下列性質(zhì)： i所提供的資源和功能構(gòu)成了建立的全部基礎(chǔ)（單向依賴(lài)關(guān)系)； 從i擴(kuò)充到時(shí)，并不一定是的全部功能都

3、同時(shí)被擴(kuò)充了，的那些未經(jīng)擴(kuò)充的功能被看成是延續(xù)到中去，故中有一些功能等同于的功能，在建立時(shí)，把它看成是的功能； 在定義Ai+1的新資源時(shí)所用到的的資源，在中不應(yīng)再出現(xiàn)； 頂層的正確性，可通過(guò)逐步證明以下的每一級(jí)虛擬機(jī)的正確性來(lái)得到證實(shí)。 自頂向下（-）法 與自底向上法相反，它是從目標(biāo)系統(tǒng)出發(fā)，過(guò)渡到宿主系統(tǒng)的。為了實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)，使得能在上實(shí)現(xiàn)。但本身還無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行，因此再設(shè)計(jì)一個(gè)新的虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如此重復(fù)，便產(chǎn)生虛擬機(jī)序列，。能在上獨(dú)立運(yùn)行。 圖- 系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu) . 顧客服務(wù)員模式 圖- 顧客-服務(wù)員模式圖- 分布式系統(tǒng)中的顧客 分布式系統(tǒng)概念 圖- 緊密連接的多處理機(jī)系統(tǒng) 圖

4、- 松散連接的分布式系統(tǒng) 資源的充分利用 把多個(gè)不同的系統(tǒng)連接起來(lái)，可向用戶(hù)提供更為豐富的資源，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的應(yīng)用需求。一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的用戶(hù)不僅可使用本機(jī)的局部資源，還可方便地使用各種遠(yuǎn)程資源，特別是一些專(zhuān)門(mén)用途的設(shè)備（如高速陣列計(jì)算機(jī)）。使用遠(yuǎn)程資源可以由用戶(hù)選擇，也可以由系統(tǒng)自動(dòng)分配。分布式系統(tǒng)一般都提供這樣的資源共享機(jī)構(gòu)：共享遠(yuǎn)程文件，訪問(wèn)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，使用遠(yuǎn)程專(zhuān)用硬設(shè)備等等。此外，從經(jīng)濟(jì)角度，一個(gè)由微型機(jī)組成的分布式系統(tǒng)，其造價(jià)通常要低于一臺(tái)大型通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 . 加速作業(yè)的運(yùn)行 如果一個(gè)用戶(hù)作業(yè)可以分割成若干可并發(fā)執(zhí)行的作業(yè)步，則可把該作業(yè)分布在不同的節(jié)點(diǎn)機(jī)上并使各作業(yè)步并發(fā)執(zhí)行，從

5、而減少一個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)崐間。此外，如果某節(jié)點(diǎn)機(jī)當(dāng)前收容的作業(yè)已超載，那么可以將某些作業(yè)遷移到其它低負(fù)載的節(jié)點(diǎn)機(jī)上。這種作業(yè)的遷移也是一種資源共享，稱(chēng)為負(fù)載共享。 . 提高可靠性 一個(gè)分布式系統(tǒng)一般具有這樣的容錯(cuò)能力：如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)生故障，仍可保證整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)工作。對(duì)于由若干大型通用計(jì)算機(jī)組成的分布式系統(tǒng)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的失效，不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)機(jī)的工作。對(duì)于具有專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)機(jī)的分布式系統(tǒng)，這種專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)機(jī)通常是小型機(jī)或微型機(jī)，它負(fù)責(zé)某種專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)服務(wù)功能（如文件服務(wù)），如果某個(gè)專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的垮臺(tái)。解決這種問(wèn)題的通常做法是提供冗余的軟硬資源和系統(tǒng)自檢以及置換和恢復(fù)手段。當(dāng)系統(tǒng)檢

6、測(cè)到某個(gè)專(zhuān)用節(jié)點(diǎn)機(jī)已失效，就用其它節(jié)點(diǎn)機(jī)來(lái)取而代之，在失效節(jié)點(diǎn)機(jī)被修復(fù)之后，可以再將它重新連接回系統(tǒng)內(nèi)。 . 方便用戶(hù)通信 在一個(gè)分布式系統(tǒng)中，不同節(jié)點(diǎn)機(jī)的用戶(hù)可以方便地相互交換信息。系統(tǒng)支持的用戶(hù)通信功能包括文件傳送、遠(yuǎn)程錄入以及電子郵遞。不同節(jié)點(diǎn)機(jī)上的兩個(gè)用戶(hù)可以利用用戶(hù)通信功能共同完成某項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)。通過(guò)文件傳送，他們可以共享對(duì)方的文件；通過(guò)遠(yuǎn)程錄入，可以在對(duì)方的機(jī)器上運(yùn)行程序；通過(guò)電子郵遞，他們可隨時(shí)交換信息，協(xié)調(diào)任務(wù)的進(jìn)行。 . 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?. 星形網(wǎng) 圖- 星形網(wǎng) . 環(huán)形網(wǎng) 圖- 環(huán)形網(wǎng) 總線(xiàn)網(wǎng) 圖- 總線(xiàn)網(wǎng) . 樹(shù)形網(wǎng) 圖- 樹(shù)形網(wǎng) 圖- 全連接形網(wǎng) . 全連接形網(wǎng) . 網(wǎng)絡(luò)通信

7、. 路徑選擇 （）在靜態(tài)方案中，從到有一條事先規(guī)定好的固定不變的物理路徑，通常為最短路徑。僅當(dāng)由于硬件故障而導(dǎo)致該路徑失效之后，系統(tǒng)才為和之間規(guī)定一條新的固定路徑。 （）在動(dòng)態(tài)方案中，一條從到的具體通信路徑是在消息發(fā)送時(shí)以及消息發(fā)送過(guò)程中動(dòng)態(tài)作出決定的，這可根據(jù)當(dāng)前通信線(xiàn)路的忙閑狀況或最近最少使用策略進(jìn)行抉擇。 . 線(xiàn)路競(jìng)爭(zhēng) （） （）標(biāo)記傳遞 （）消息槽 . 網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型 局部網(wǎng)絡(luò) 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò) 圖- 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò) 分布式操作系統(tǒng). 網(wǎng)絡(luò)規(guī)程 （）應(yīng)用層這是最高層，它負(fù)責(zé)與用戶(hù)直接交互作用，接受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求，如文件傳送、遠(yuǎn)程注冊(cè)、電子郵遞等。 （）表示層本層負(fù)責(zé)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)提供格式轉(zhuǎn)換，以解

8、決各種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)機(jī)之間存在的數(shù)據(jù)格式上的差異。 （）對(duì)話(huà)層本層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程級(jí)的通信規(guī)程，組織和同步兩個(gè)進(jìn)程之間的對(duì)話(huà)并管理它們間的數(shù)據(jù)交換。 （）傳送層該層負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的低級(jí)訪問(wèn)和進(jìn)程之間的消息傳送，包括把消息分割成若干個(gè)包，控制包的傳送次序，流量控制以及產(chǎn)生物理地址。 （）網(wǎng)絡(luò)層本層兩個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)之間的包傳送進(jìn)行路徑選擇，確定一條邏輯鏈路。 （）數(shù)據(jù)鏈路層本層處理包的控制信息（如地址的譯碼），檢測(cè)和排除在物理層出現(xiàn)的錯(cuò)誤。 （）物理層本層負(fù)責(zé)處理字位（）序列在通信線(xiàn)路上的實(shí)際物理傳輸所涉及的機(jī)械和電氣細(xì)節(jié)。 . 分布式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) . 集中控制模式 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)有單一的操作系統(tǒng)，它集中控制和管理網(wǎng)中

9、的所有資源，并向用戶(hù)提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。該操作系統(tǒng)的主要功能被分解成若干服務(wù)員模塊，每個(gè)服務(wù)員負(fù)責(zé)一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)任務(wù)，例如進(jìn)程服務(wù)員、存貯服務(wù)員、命名服務(wù)員、文件服務(wù)員、專(zhuān)用設(shè)備服務(wù)員等。這些服務(wù)員駐留在一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用的服務(wù)員節(jié)點(diǎn)機(jī)上，它們?cè)谙到y(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行，并利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)程與顧客（用戶(hù)）進(jìn)程通信。 . 對(duì)稱(chēng)控制模式 圖-3 對(duì)稱(chēng)控制模式 . 遠(yuǎn)程資源共享 . 數(shù)據(jù)遷移 節(jié)點(diǎn)機(jī)上的用戶(hù)進(jìn)程可以訪問(wèn)駐在另一節(jié)點(diǎn)機(jī)上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)遷移機(jī)構(gòu)把指定的數(shù)據(jù)從傳送到。有兩種方法實(shí)現(xiàn)這種遷移：其一是以文件為單位的整體遷移，此后，被遷移文件的副本便可在上作為局部文件使用；另一種方法是僅遷移指定部分（如一個(gè)記錄）

10、。當(dāng)被遷移數(shù)據(jù)在上被修改過(guò)，則在使用完畢之后需將該數(shù)據(jù)副本復(fù)制回節(jié)點(diǎn)機(jī)。 如果上的進(jìn)程需頻繁地訪問(wèn)上的某個(gè)文件，并且其訪問(wèn)覆蓋了該文件的大部分內(nèi)容，那么第一種方法是更為有效的。 . 計(jì)算遷移 計(jì)算遷移可用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種方法是使用遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用RPC(Remote Procedure Call），假設(shè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的進(jìn)程要使用節(jié)點(diǎn)機(jī)上的一個(gè)文件進(jìn)行某種計(jì)算，它執(zhí)行一個(gè)，調(diào)用在上有定義的一個(gè)過(guò)程，然后等待返回結(jié)果；上的過(guò)程訪問(wèn)所指定的文件并使用它進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，然后把結(jié)果送給。 另一種方法是在上創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程來(lái)執(zhí)行所指定的任務(wù)。進(jìn)程發(fā)送一則消息到，由上的操作系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)新的進(jìn)程，當(dāng)完成了指定任務(wù)后，再

11、通過(guò)回送消息的方式將計(jì)算結(jié)果送給，然后被撤銷(xiāo)之。這種方法允許和在不同的節(jié)點(diǎn)機(jī)上并發(fā)執(zhí)行。 . 進(jìn)程遷移 對(duì)稱(chēng)控制模式的分布式操作系統(tǒng)支持進(jìn)程遷移。一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程一旦在某個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)上開(kāi)始運(yùn)行，可以在此后的某個(gè)時(shí)刻起被遷移到其它合適的節(jié)點(diǎn)機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行。這種方案可滿(mǎn)足下列需求： （）負(fù)載平衡（）計(jì)算加速 （）硬件需求 （）軟件需求 . 遠(yuǎn)程進(jìn)程通信 圖- 代理人方式的遠(yuǎn)程進(jìn)程通信 . 分布式文件系統(tǒng) . 的基本組織方式 在集中控制模式中，文件服務(wù)員駐留在專(zhuān)用的服務(wù)員節(jié)點(diǎn)機(jī)上，它集中管理多個(gè)磁盤(pán)，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的文件結(jié)構(gòu)，任一文件都被加入到該文件結(jié)構(gòu)中。用戶(hù)使用的是無(wú)磁盤(pán)的網(wǎng)絡(luò)工作站。 在對(duì)稱(chēng)控制模式中，系統(tǒng)中沒(méi)有專(zhuān)用的文件服務(wù)員節(jié)點(diǎn)機(jī)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)上都建有局部文件系統(tǒng)并駐有一個(gè)文件服務(wù)員，該服務(wù)員負(fù)責(zé)管理本機(jī)的操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)之間的通信。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程訪問(wèn)的是一個(gè)遠(yuǎn)程文件時(shí)，由文件服務(wù)員負(fù)責(zé)與其它節(jié)點(diǎn)機(jī)上的文件服務(wù)員通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程文件訪問(wèn)。 . 文件服務(wù)員的接口 （）提供遠(yuǎn)程磁盤(pán)。 （）支持文件訪問(wèn)但不支持目錄訪問(wèn)。 （）提