操作系统原理随堂笔记（10）ᝰ多处理机操作系统

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前言

计算机发展的历史请求地表明：提高计算机系统性能的主要途径有两条：一是提高构成计算机的元器件的运行速度，特别是处理器芯片的速度，而是改进计算机系统的体系结构，特别是在系统中引入多个处理器或多台计算机，以实现对信息的高度并行处理，达到提高系统吞吐量和可靠性的目的。

一、多处理机系统的基本概念

 1、多处理机系统的引入

引入多处理机系统的原因大致如下：

1. CPU的时钟频率问题
2. 增加系统吞吐量
3. 节省投资
4. 提高系统可靠性

2、多处理机系统的类型

二、多处理机系统的结构

1、UMA多处理机系统的结构

 根据处理机与存储器模块的连接方式的不同，可以具体分为以下4种结构：

a、基于单总线的SMP结构

b、使用多层总线的SMP结构

 c、使用单级交叉开关的系统结构

 

 d、使用多级交换网络的系统结构

 2、NUMA多处理机系统结构

CC-NUMA构造方法 

 

三、多处理机操作系统的特征与分类

 1、多处理机操作系统的特征

并行性、 分布性、机间的通信和同步性、可重构性

2、多处理机操作系统的功能

进程管理、存储器管理、文件管理、系统重构

3、多处理机操作系统的类型

主从式

• 易于实现
• 资源利用率低
• 安全性较差

独立监督式

• 自主性强
• 可靠性高
• 实现复杂
• 存储空间开销大
• 处理机负载不平衡

浮动监督式

• 高灵活性
• 高可靠性
• 负载均衡
• 实现复杂

四、进程同步

 1、集中式与分布式同步方式

a、中心同步实体

b、集中式同步机构 

 c、集中式与分布式同步算法

d、中心进程方式 

 2、自旋锁

a、自旋锁的引入

b、实现对总线互斥访问的方法

c、自旋锁与信号量的主要差别

d、自旋锁的类型

 3、读——拷贝——修改锁和二进制指数补偿算法

a、读——拷贝——修改锁的引入

 b、RCU锁

 c、写回时机

d、RCU锁的优点 

 4、二进制指数补偿算法和待锁CPU等待队列机构

a、二进制指数补偿算法

b、待锁CPU等待队列机构

5、定序机构

a、时间邮戳定序机构

 b、事件计数同步机构

 6、面包房算法

7、令牌环算法 

五、多处理机系统的进程调度

 1、评价调度性能的若干因素

任务流时间、调度流时间、平均流、处理机利用率、加速比、吞吐率

2、进程分配方式

a、对称多处理机系统中的进程分配方式

 b、非对称MPS中的进程分配方式

 3、进程（线程）调度方式

a、自调度方式

 优点：

缺点：

 

 b、成组调度方式

该方式将一个进程中的一组线程分配到一组处理器上去执行。在成组调度时，如何为应用程序分配处理器时间，可考虑采用以下两种方式：

(1) 面向所有应用程序平均分配处理器时间

(2) 面向所有线程平均分配处理机时间

c、专用处理机分配方式

 d、动态调度

 3、死锁

a、死锁的类型

在多处理机系统中，死锁可以分成资源死锁和通信死锁。前者是因为竞争系统中可重复使用的资源时，由于进程的推进顺序不当引起的。后者主要是在分布式系统中，由于处于不同结点中的进程，因发送和接收报文而竞争缓冲区引起的，如果出现既不能发送又不能接收的僵持状态，即发生了通信死锁。

b、死锁的检测和解除

六、网络操作系统

 1、网络及网络体系结构

a、计算机网络的组成

 b、网络协议

c、互联网协议IPv4和IPv6 

 d、传输层协议TCP和UDP

(1) 传输控制协议TCP

TCP提供了面向连接的、可靠的端-段通信机制。所谓可靠，是指即使网络层(通信子网)出现了差错，TCP协议仍能正确地控制连接的建立、数据的传输和链接的释放。此外，在进行正常的数据交换时也要有流量控制，即控制方发送数据的速度不应超过接收方接收数据的能力。

(2) 用户数据报协议UDP

如果所传输的数据并不那么重要，可考虑利用UDP协议来传输数据。该协议是一种无连接的、不可靠的协议。它无需在数据传送之前先建立端-端之间的链接，也就不要拆除链接。在数据传送过程中，无需对传送的数据进行差错检测。换而言之，它是以一种比较简单的方式来传送数据，因而有效地提高了传输速率。

e、网络体系结构

(1) 物理层(Physical Layer)：是OSI的最低层，建立在通信介质的基础上，实现系统和通信介质的接口功能，为数据链路实体之间透明地传输比特流提供服务。

(2) 数据链路层(Data Link Layer)：是在相邻两系统的网络实体之间，建立、维持和释放数据链路连接，在两个相邻系统的网络实体之间实现透明的、可靠的信息传输服务。数据传输的基本单位是帧。

(3) 网络层(Network Layer)：网络层主要涉及通信子网及与主机的接口，提供建立、维持和释放网络连接的手段，以实现两个端系统中传输实体间的通信。传输的基本单位是分组(packet)。

(4) 传输层(Transport Layer)：为不同系统内的会晤实体间建立端-端(end-to-end)的透明、可靠的数据传输，执行端-端差错控制及顺序和流量控制，管理多路复用等。数据传输的基本单位是报文(message)。

(5) 会晤层(Session Layer)：为不同系统内的应用进程之间建立会晤链接。会晤层的作用是对基本的传输连接服务进行“增值”，以提供一个能满足多方面要求的会晤连接服务。

(6) 表示层(Presentation Layer)：向应用进程提供信息表示方式、对不同系统的表示方法进行转换，使在采用不同表示方式的应用实体之间能进行通信，并提供标准的应用接口和公用通信服务，如数据加密、正文压缩等。

(7) 应用层(Application Layer)：是OSI/RM中的最高层，它为应用程序访问OSI环境提供了手段，并直接为应用进程服务，其他各层也都通过应用层向应用程序提供服务。

OSI参考模型层次划分的原则：①网络中各主机都具有相同的层次；②不同主机的同等层具有相同的功能；③同一主机内相邻层之间通过接口通信；④每层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务；⑤不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信。

 2、网络操作系统及其分类

a、网络操作系统及其特征

网络操作系统(Network Operating System)是在计算机网络环境下，对网络资源进行管理和控制，实现数据通信及对网络资源的共享，为用户提供与网络资源之间接口的一组软件和规程的集合。网络操作系统建立在网络中计算机各自不同的单机操作系统之上，为用户提供使用网络系统资源的桥梁。一般而言，网络操作系统具有下面5个特征。

(1) 硬件独立性：系统可以运行于各种硬件平台之上。

(2) 接口一致性：系统为网络中的共享资源提供一致性的接口，即对同一性质的资源采用统一的访问方式和接口。

(3) 资源透明性：对网络中的资源统一管理，能够根据用户的要求，自动地分配和选择。

(4) 系统可靠性：系统利用资源在地理上分散的优点，通过统一管理、分配和调度收到，确保了整个网络的安全可靠。

(5) 执行并行性：系统不仅实现了在每个节点计算机中各道进程的并发执行，而且实现了网络中多个节点计算机上进程的并行执行。

b、网络操作系统的分类

组建计算机网络的基本目的是共享资源，根据对共享资源不同的组织、控制和数据处理方式，从历史发展来看，计算机网络应用模式可分为主从模式、对等模式和基于服务器模式三类。其中的主从模式前面介绍过了，下面介绍其他两类。基于服务器模式又可分为专用文件服务器模式(也称工作站服务器模式)、客户机服务器模式和浏览器服务器模式。所以，对应地，将网络操作系统的工作模式也分为两大类共四种模式：

(1) 对等模式(peer-to-peer model)

(2) 工作站/服务器模式(Workstation/Server model)

(3) 客户/服务器模式(Client/Server model)

(4) 浏览器/服务器模式(Browser/server model)

3、网络操作系统的功能

a、数据通信

 b、应用互操作

 c、网络管理

网络管理的目的

 网络管理的功能

七、分布式文件系统

 1、分布式系统

a、分布式系统的特征

分布式系统(distributed system)，是基于软件实现的一种多处理机系统，是多个处理机通过通信线路互连而构成的松散耦合系统，系统的处理和控制功能分布在各个处理机上。换而言之，是利用软件系统方式构建在计算机网络之上的一种多处理机系统。

归纳起来分布式系统具有4个主要特征：分布性、透明性、统一性、全局性

b、分布式系统的优点

计算能力强、易于实现共享、方便通信、可靠性高、可扩充性好

c、分布式操作系统

 2、分布式文件系统的实现方式和基本要求

a、DFS(分布式文件系统)的实现方式

 b、基本要求

 3、命名及共享语义

 4、远程文件访问和缓存

a、缓存和远程服务的比较

 b、缓存的粒度和位置

 c、缓存的更新

d、数据一致性

 5、容错

a、无状态服务和有状态服务

b、容错性

 c、可用性与文件复制

>>>参考博文 第十章-多处理机操作系统

最后两章不做展开

>>>第十一章-多媒体操作系统

>>>第十二章-保护和安全