【操作系統(tǒng)】分布式操作系統(tǒng)-計(jì)算機(jī)-

高級(jí)操作系統(tǒng)1中國(guó)科技大學(xué)軟件學(xué)院丁箐

(dingqing@)參考書(shū)2?Distributed

Operating

Systems?，AndrewS.Tanenbaum，機(jī)械工業(yè)出版社，2006《Distributed

Systems:Principles

and

Paradigms》Andrew

S.Tanenbaum

and

Marten

van

Steen，Prentice-Hall,2002《Distributed

Systems:Concepts

and

Design》，

George

Coulouris,Jean

Dollimore

and

TimKindberg，3rd

Edition,Addison-Wesley,2001《Distributed

Systems》，Sape

J.Mullender，2ndEdition,ACM

Press,1993《Modern

Operating

Systems》，第2版，AndrewS.Tanenbaum，機(jī)械工業(yè)出版社，2002參考書(shū)3《Solaries操作系統(tǒng)內(nèi)核》《Solaries編程指南》《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核》《Linux編程指南》《Windows

NT操作系統(tǒng)內(nèi)核》操作系統(tǒng)回顧分布式系統(tǒng)概述分布式通信分布式系統(tǒng)的同步分布式進(jìn)程和處理機(jī)分布式文件管理分布式共享存儲(chǔ)8網(wǎng)格計(jì)算概述教學(xué)內(nèi)容4操作系統(tǒng)回顧5主要內(nèi)容6操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的演變操作系統(tǒng)的主要研究課題主要內(nèi)容7操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的演變操作系統(tǒng)的主要研究課題1.1操作系統(tǒng)的作用8操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用戶(hù)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，有效地組織多道程序的運(yùn)行，從而為用戶(hù)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。Denning認(rèn)為，到目前為止，在操作系統(tǒng)的研究開(kāi)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9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、httpd、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)10一臺(tái)擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)隱藏了具體的硬件細(xì)節(jié)為用戶(hù)提供了一臺(tái)容易使用的虛擬的計(jì)算機(jī)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11操作系統(tǒng)概念具有如下功能：①程序創(chuàng)建。②程序執(zhí)行。③I/O設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)。④控制對(duì)文件的訪(fǎng)問(wèn)。⑤系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)。⑥查錯(cuò)和糾錯(cuò)。⑦簿記。12作為擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)作為資源管理者作為資源管理器的操作系統(tǒng)：13主要內(nèi)容14操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的演變操作系統(tǒng)的主要研究課題1.2

操作系統(tǒng)的演變15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(kāi)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(duì)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16第一代1945-1955電子管,插件板第二代1955-1965晶體管,批處理系統(tǒng)第三代1965–1980集成電路（IC）和多道程序設(shè)計(jì)第四代1980–現(xiàn)在VLSI,個(gè)人計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)家族17大型機(jī)操作系統(tǒng)(e.g

IBM

OS/390)服務(wù)器操作系統(tǒng)(e.g.UNIX,NT)多處理機(jī)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)PC機(jī)操作系統(tǒng)(e.g

Widows)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(e.g

VxWorks)嵌入式操作系統(tǒng)(e.g

Windows

CE)Smart

card操作系統(tǒng)(e.g

JVM)串行處理系統(tǒng)18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(méi)有OS。計(jì)算機(jī)運(yùn)行在一個(gè)集成了指示器、各種開(kāi)關(guān)、一些輸入設(shè)備以及一個(gè)打印機(jī)的控制臺(tái)之上。早期的這種系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)上機(jī)安排

(2)啟動(dòng)時(shí)間簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)將卡片裝入1401機(jī)的讀卡機(jī)將卡片中的程序讀入磁帶將磁帶裝入7094機(jī)，完成計(jì)算將磁帶裝入1401機(jī)，打印結(jié)果19簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)（續(xù)）20簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)是專(zhuān)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(lèi)分成若干組，然后一組一組地來(lái)運(yùn)行作業(yè)。在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，引進(jìn)簡(jiǎn)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(hù)和程序之間的交互功能。程序中的所有問(wèn)題必須事先安排好，也不能進(jìn)行聯(lián)機(jī)修改。。簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)（續(xù)）21簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)的中心思想是，通過(guò)應(yīng)用一種被稱(chēng)為監(jiān)控器的軟件，使用戶(hù)不必再直接接觸機(jī)器，而是先通過(guò)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(jiǎn)單批處理系統(tǒng)（續(xù)）22批處理系統(tǒng)存在很多不方便之處，主要有：用戶(hù)不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問(wèn)題。用戶(hù)程序中的所有問(wèn)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(duì)一個(gè)用戶(hù)作業(yè)而言，可能需要較長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。在批處理系統(tǒng)中，為了避免有意或無(wú)意地讀取他人的卡片，必須建立監(jiān)控和用戶(hù)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(guò)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)23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(guò)將用戶(hù)的

CPU請(qǐng)求和I/O請(qǐng)求重疊起來(lái)的辦法來(lái)有效地使用CPU。它設(shè)法讓CPU總有事情可做，以

此來(lái)提高CPU的利用率。多道程序批處理系統(tǒng)（續(xù)）24設(shè)想一臺(tái)電腦配備256KB的可用內(nèi)存空間(未被OS占用的)，一個(gè)磁盤(pán)，一個(gè)終端和一臺(tái)打印機(jī)。3個(gè)程序JOB1、JOB2和JOB3，同時(shí)被提交執(zhí)行，如下表所列。JOB1JOB2JOB3作業(yè)類(lèi)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(pán)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)）25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(pán)使用33%67%打印機(jī)使用33%67%經(jīng)過(guò)時(shí)間30

min15

min吞吐率6

jobs/h12

jobs/h平均響應(yīng)時(shí)間18

min10

min分時(shí)系統(tǒng)26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(hù)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(hù)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(hù)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)）27分時(shí)系統(tǒng)通常采用的實(shí)現(xiàn)方法是：先對(duì)每一用戶(hù)作業(yè)分定一個(gè)時(shí)間片，再按輪轉(zhuǎn)方式來(lái)執(zhí)行這些作業(yè)。用戶(hù)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)都用這種方式輪轉(zhuǎn)執(zhí)行。實(shí)時(shí)系統(tǒng)28實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在響應(yīng)時(shí)間方面有嚴(yán)格制約的專(zhuān)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(mǎn)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)）29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)：與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性和獨(dú)立性。對(duì)外部實(shí)時(shí)信號(hào)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(hào)的那個(gè)環(huán)境。整體性強(qiáng)。有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅限于訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)中某些特定的專(zhuān)用服務(wù)程序。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)分布式系統(tǒng)中的客戶(hù)/服務(wù)器（client/server）模型–

位置透明性30分布式操作系統(tǒng)（續(xù)）31“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(duì)該系統(tǒng)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣?！庇布矫妫焊鱾€(gè)計(jì)算機(jī)都是自治的軟件方面：用戶(hù)將整個(gè)系統(tǒng)看作是一臺(tái)計(jì)算機(jī)主要內(nèi)容32操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的演變操作系統(tǒng)的主要研究課題1.3

操作系統(tǒng)的主要研究課題33操作系統(tǒng)的主要成就34操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復(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35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(guò)程。進(jìn)程由以下3部分組成：①一個(gè)可執(zhí)行的程序；②該程序所需的相關(guān)數(shù)據(jù)(變量、工作空間，緩沖區(qū)等)；③該程序的執(zhí)行上下文(Context)。進(jìn)程（續(xù)）典型的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)36進(jìn)程（續(xù)）37進(jìn)程管理shell語(yǔ)言編寫(xiě)的命令執(zhí)行器:while

(TRUE)

{type_prompt(

);read_command

(command,

parameters)/*

repeat

forever

*//*

display

prompt

*//*

input

from

terminal

*//*

fork

off

child

process

*//*

wait

for

child

to

exit

*/if

(fork()

!=

0)

{/*

Parent

code

*/waitpid(

-1,

&status,

0);}

else

{/*

Child

code

*/execve

(command,

parameters,

0);

/*

execute

command

*/}}進(jìn)程管理進(jìn)程樹(shù)（

process

tree）進(jìn)程A創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程：B和CB又創(chuàng)建三個(gè)子進(jìn)程：D,E,和F38進(jìn)程調(diào)度與同步(a)潛在死鎖(b)實(shí)際的死鎖.39進(jìn)程間通信（IPC）連接兩個(gè)進(jìn)程的管道（

pipe）40存儲(chǔ)管理41操作系統(tǒng)的5條存儲(chǔ)管理原則：進(jìn)程隔離。自動(dòng)分配和管理。支持組件編程。

長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。保護(hù)和存取控制。存儲(chǔ)管理（續(xù)）看待存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩種不同觀點(diǎn)(b)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者觀點(diǎn)42(a)用戶(hù)觀點(diǎn)存儲(chǔ)管理（續(xù)）進(jìn)程的三種段:text,data,stack43文件管理計(jì)算機(jī)系的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)44文件管理（續(xù)）在連接之前的兩個(gè)目錄在執(zhí)行連接調(diào)用link(

“/usr/jim/memo”,”/usr/ast/note”)之后的兩個(gè)目錄I-node45信息保護(hù)和安全性46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：①不共享。②共享原始程序或數(shù)據(jù)文件。③無(wú)存儲(chǔ)子系統(tǒng)。④控制信息的分布。信息保護(hù)和安全性（續(xù)）47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(lèi)：①訪(fǎng)問(wèn)控制。②信息流控制。③確認(rèn)。調(diào)度和資源管理48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POSIX操作系統(tǒng)進(jìn)程管理49文件操作50目錄管理51