操作系统最全复习内容

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1、操作系统最全复习内容操作系统最全复习内容 主要内容：主要内容：分布式计算机系统的特征、结构；分布式操作系统概述。 学学 时时：8 学时 重重 点点：分布式操作系统的结构模型和层次划分。 难难 点点：分布式操作系统结构的理解 1-11-1 分布式计算机系统分布式计算机系统 一、分布式系统的出现一、分布式系统的出现 1 1、 应用需求应用需求 计算机系统的性能越来越好，但是，人们的要求越来越高。 典型应用： 气象预报 地震预报 结构分析 大量的事务处理：银行系统、交通系统、公安系统、电力调度系统等。 2 2、 技术支撑技术支撑 计算机性能价格比计算机性能价格比 a) 单机系统 价高：深腾（万亿次）

2、 、神州、银河、曙光 多机系统 价低：“李建中” b) 单机性能价格比变化（提高 1011倍） 早期：1000 万美元的机器，每秒钟执行 1 条指令 现代：1000 美元的机器，每秒钟执行 1000 万条指令 现代硬件技术使单机无法满足更高的速度要求现代硬件技术使单机无法满足更高的速度要求 例：设，每个 CPU 的速率为 50MIPS，当前的技术可以将 10,000 个这样 的 CPU 芯片组成一个系统，从而获得如下峰值速度： 50MIPS*10,000=500,000MIPS （5000 亿次） 而执行一条指令的时间为： 1/500,000MIPS=1/(500,000,000,000/S)

3、=2*10-12秒=2 微微秒 =0.002 纳秒 即该计算机 0.2 微微秒执行一条指令。电子运动的速度为： 300,000km/s=300,000,000,000mm/s=0.3/(10-12)mm/s 0.2 微微秒电子信号可以传送的距离为： 0.3/(10-12)mm/s*2*10-12s=0.6mm 这就是说，单 CPU 的机器要达到此速度，至少要被限制在边长为 0.6mm 的立方体内。而这种 CPU 所产生的热量会立即将它熔化。 高速计算机网络出现高速计算机网络出现 提供了信号高速传输的可能，使得可以将多台计算机链在一起走 并行之路 网络中存在大量的空闲资源网络中存在大量的空闲资源

4、 时差、任务的随机性等带来的网络中资源利用的不平衡。 结论：计算机性能价格比的大幅度提高和网络技术的发展，导致了分结论：计算机性能价格比的大幅度提高和网络技术的发展，导致了分 布式系统的出现。布式系统的出现。 问题： 如何在给定的峰值速度下，获得最大的实际有效速度？ 如何有效地组织任务，有效地利用网络中的各类资源？ 二、分布式计算机系统的概念二、分布式计算机系统的概念 基本内容 多机 + 网络 注意 不是简单的互连 概念 是由多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算机系统其中各个资源 单元(物理的或逻辑的)既相互协同又高度自治，能在全系统范围内实现资源共 享、任务与功能动态分配的统一计算机系统

5、 强调 自治、协同、共享资源 实现基础为 要求 资源、任务、功能、控制的全面分布 全面分布：任务分布：把一个任务分解成多个可并行执行的子任务，分散 给各场点协同 完成 功能分布：是把系统的总功能划分成若干子功能，分配给各场 点分别承担 资源分布：系统中的资源分布于多个场点 控制分布：各个场点能较均等地分担控制功能，独自地发挥自身 的控制作用，但又能相互配合，在彼此通信协调的 基础上实现系统的全局管理 需要进行：任务分解、功能分解 三、三、分布式系统的特点分布式系统的特点 1 资源共享 内容内容： 硬件资源共享，包括 cPu、存储器、大容量硬盘、打印机及其他 设备； 二是软件资源共享，包括软件工

6、具、软件平台、商用软件等 管理程序模型管理程序模型： Client/Server 模型 服务器提供各种资源共享的服务，如文件服务、打印服务或数据库服务 等，客户机由用户直接使用，处理与用户的交互，负责向服务器发送服务请求。 等待并接收服务器发回的应答信息，处理后显示给用户在本模型中，客户机 与服务器不一定是计算机，如数据库中的数据库服务器和数据库客户端因此， 该模型既可作为硬件模型，也可作为软件模型 OO 模型 将可独立存在的资源作为对象处理在这种模型中，任何共享资源及对于 该资源的访问服务均被看作对象，其优点在于处理过程与资源封装在一起，不 会随着对象的移动改变对对象的访问模式，无论一个进程

7、何时访问共享资源， 只要向相应的对象发送一个消息即可，对象接到消息后，再分发到执行相应请 求的过程或进程，然后将结果发送给请求者 用户 问题问题： 如何实现 CPU 的共享？任务委托（RPC） 如何实现 Printer 的共享？任务委托 如何实现 Disk 的共享？分布式文件系统取某个“东西” i.开放性开放性 从开放的基本定义/解释谈起 ORACLE（封闭式）：ORACLE 可以运行在任何主机和网络上，并在 ORACLE 环境 下提供互联和可移植性。所有的系统都用 ORACLE。 Sybase：在不同的客户和数据源之间提供十分容易的操作，可移植和互联，保证用户 在不同硬件、软件、及异种 DB

8、 或文件系统间共享。 分布式的要求：网络连接的是多台异构机异构机，这里，开放的目的是： 做某件事 可伸缩性 +可移植性 + 互操作性 硬件规模（自动升降级） 异构软件系统数据交换的实现 软件的扩充/剪裁 为用户提供多种服务 不同的系统用“可转换”接口 不同的系统用“统一” 的接口 ii.并行性并行性 并发性和并行性在分布式系统中是一种内在的特征多用户、多进程同时使用。 在分布式系统中，有许多计算机，每台计算机都有自己的 CPU 和存储器若有 M 台 计算机，每台计算机中有一个 CPU，那么，就会有 M 个进程并行执行。 从分布式系统对于资源共享的基本要求来看，可以有以下两种并发性： 微观并行（

9、多资源：多 CPU、外设） 许多用户同时发出命令，并与机器交互在这种情况下，应用进程都在用户工作站上 (并行)运行，相互之间没有冲突 宏观并行、微观串行（单一资源共享）并发 许多服务器进程并发运行，每个进程响应不同的客户要求在这种情况下，服务器之 间存在并行进程，每台服务器中又存在并发进程，这些并发进程要响应不同的请求，但有 可能要共享同一资源，因此必须解决并发控制问题 分布式系统中分散的资源单元可以相互协作，一起解决同一个问题，在分布式操作系 统控制下，实现资源重复(按任务)或时间重叠(按功能)等不同形式的并行性 iii.容错性容错性 基本方法： 硬件冗余： 如服务器镜像，即使用两个以上的完

10、全相同的服务器，其中一个出现故障后，可以立 即用另一个来 提供对用户的服务； 软件恢复（双工、镜像） 根据备份和备份后的操作日志将数据恢复到故障前的状态，数据库的故障恢复就是一 个典型的例子 iv.透明性透明性 位置透明：用户不必知道待访问的资源在何处； 迁移透明：系统中的对象可以迁移，而不必改名； 副本透明：用户可以不知道他访问的对象是否有副本； 并发透明：多个用户可以自动共享资源，互不干扰； 并行透明：用户可以不必了解会有多项活动同时发生； 四、四、优缺点优缺点 * *与高性能的大型主机与高性能的大型主机(Main(Main Frame)Frame)系统相比系统相比 1.经济较高的性能价格

11、比 按目前的技术，能够用 10,000 个现代 CPU 芯片组成一个系统，每个 CPU 芯片以 50 MPs(每秒百万指令)的速率运行，则整个系统的性能就是 500,000 MPS，而如果单个处理 机(即 CPU)要达到这一性能，就必需在 21012秒 (2 微微秒，0.002 纳秒) 的时间内执行 条指令，然而没有一个现存的计算机能接近这个速度。 2.速度平均响应时间比大型机系统短 3.对固有分布性问题求解的适应性一个超级市场连锁店的经营；自动化系统控制 的流水线上 的机器人和机器。 4.可扩充性比较松散的构成，使得节点的增减很容易，提供了一种渐增式系统增 长模型，即： 计算能力可以随系统需

12、求增长时逐渐有所增加 5.宽适应性增加了对分散用户要求协同的支持，一组相互之间在物理相距离较远 的人员可以 一起进行工作，如写出同一份报告，或协同游戏。 6.可靠性自动降级运行保障，故障时不停机 通过把工作负载分散到众多的机器上，单个芯片故障最多只会使一台机器停机，而 其他机器不会受仟何影响。理想条件下，某一时刻如果有 5的计算机出现故障，系统将 仍能继续工作，只不过损失 5的性能。对于关键性的应用，如核反应堆或飞机的控制系 统均采用。 给系统设计带来新任务给系统设计带来新任务 * *与分散系统（每人一台微机或者工作站）相比与分散系统（每人一台微机或者工作站）相比 共享资源、加强通信、通过负载

13、平衡提高系统的效率 扩充了系统能力 * *问题问题 控制比较复杂，尤其是在资源管理上要附加许多协调操作资源属于局部工作站 性能、可靠性对网络的依赖性强 网络会损失信息，所以就需要专门的软件进行恢复，网络还会产生过载。当网络负载 趋于饱和时， 必须对它进行改造替换或加入另外一个网络扩容。 安全保密基础不好。用户掌握有许多软件接口 相应的应用软件较少，需要大力开发 五、五、系统结构系统结构 i.关于系统性能评价的几个视角关于系统性能评价的几个视角 基本开销基本开销构建系统所需开销 通讯开销通讯开销运行中的系统开销 可靠性可靠性结点故障、链路故障 ii.几种典型的拓扑结构几种典型的拓扑结构 1.全互

14、连 特点：每对结点之间均直接连接 优点：可靠性高，通信方便 缺点：连接成本高 2.部分互连 特点：并不是每对结点之间均直接连接，但有间接连接 优点：连接成本低 缺点：可靠性差，通信不方便，容易在出故障时造成 网络分割网络分割，如： 左图中的结 点 v 故障。 3.树型结构（分层结构） 特点：连接如同树状 优点：连接成本低，控制方便，可按分层完成 缺点：可靠性差，通信不方便，容易因故障造成分割 如何寻找通路，寻找最近代的公共祖先 4.星形结构 特点：每个结点与中心结点直接连接 优点：连接成本低，控制方便，通信比较方便 缺点：可靠性低，特别是存在中心结点的破坏问题和瓶颈问题。 5.环形结构 特点：

15、连接呈环状 优点：可靠性较高，连接成本低 缺点：通信成本较高 单向环双向环 最大转接次数 n-1n/2 分割损伤 单向环单通信链路双向环 双通信链路双向 环 6.总线结构 特点：每结点均直接与总线连接 优点：可靠性高，通信方便，成本低 缺点：总线可能成为瓶颈 线性总线环形总线 7.环星形结构 特点：兼有环形与星形的连接 优点：可靠性高，通信方便 缺点：成本高 8.有规则结构 特点：结点排成阵列，每个结点均与上下左右的节点连接 优点：可靠性高，通信方便 缺点：成本高，一般要求各个结点一致 9.无规则结构 随意增加结点，通信路径算法复杂 10.n 立方体结构 将 2n=N 个计算机互连起来，每个计

16、算机有 n 个全双向通路 iii.系统的耦合度系统的耦合度 1.按地域分 机体内紧 建筑物内 建筑物间 区域系统（不同地理范围） 松 2.按应用分 狭义计算（科学计算） 紧 分布式过程控制系统 分布式数据处理系统 松 iv.资源管理方式资源管理方式 资源要拿出来为大家共用。怎么办？作为分布式系统中的一个最重要的方面，是尽可 能好地发挥资源的效率，因此，其管理方式是非常重要的。一般来说，对单个资源，有如 下 4 种管理方式。 1.全集中管理：仅由一个管理机构管理 2.分担管理：分职能进行管理 3.轮流管理 4.全分散管理：多个机构按一定的原则协商管理 1-21-2 分布式操作系统概述分布式操作系统概述 基本概念回顾基本概念回顾