操作系统原理 principles of operating systems. 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 2 作者申明 本版内容的著作权为作者所有。因为教学目的使 用本版内容时，请注明所用资料来自本网站或由 本作者发送，并保留作者版权标记 “  2007 孟 静制作 版权所有 ” 。将本版内容用于其他目的前，

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1 操作系统原理 principles of operating systems

2 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 2 作者申明 本版内容的著作权为作者所有。因为教学目的使 用本版内容时，请注明所用资料来自本网站或由 本作者发送，并保留作者版权标记 “  2007 孟 静制作 版权所有 ” 。将本版内容用于其他目的前， 须征得作者同意。

3 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 3 使用说明 l 请注意充分利用各张胶片中的  和 ，从而在相 关胶片间快速跳换。 l 有时胶片备注视图中会有内容，请注意。

4 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 4 操作系统原理 第一章 概论 第二章 CPU 管理 第三章 内存管理 第四章 文件系统 第五章 设备管理 第六章 进程通信 第七章 分布式、并行和网络操作系统 第八章 性能和设计

5 第七章 分布式操作系统 l7.1 分布式系统概述 l7.2 并行操作系统 l7.3 网络操作系统 l7.4 分布式操作系统 l7.5 机群与网格操作系统 l7.6 嵌入式操作系统

6 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 6 章首引言 : 两极趋势 l 计算机类型的变化 : 微小化和网络化 l 计算机应用模式的变化 : l 终端 / 主机模式 l 客户机 / 服务器 (Client/Server) 结构 l 客户机 / 网络结构, 客户机 / 虚拟环境结构 l 软件及其开放方式的变化 : 嵌入式 OS 和分布式 OS

7 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 7 7.1 分布式系统概述 l 什么是分布式系统 : l 狭义 : 单一系统映像 l 广义 : 多计算机 ( 处理器 ) l 为什么需要分布式系统（作用，优点） l 性能价格比 l 很多应用是分布的 l 更高的可靠性 l 扩充性好 l 更好的共享、通讯和灵活性 l 分布式系统的弱点：软件；安全 l 分布式系统的结构

8 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 8 分布式系统的结构 l 互连网络：总线，交叉开关，多级，星型，环， 树，网格，超立方体，混合型网络等 l 通信方式：共享内存，消息传递。

9 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 9 7.2 并行操作系统 l 并行计算机的作用、特点和常见品牌 l 并行操作系统的类型：主从式，浮动式，对称式 l 并行操作系统的实现机制的特点 l 进程调度：选择哪个 CPU l 文件系统

10 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 10 7.3 网络操作系统

11 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 11 7.1 分布式系统概述 l7.1.1 分布式系统与集中式系统比较 l7.1.2 分布式系统与独立 PC 比较 l7.1.3 缺点 l7.1.4 按硬件分类 l7.1.5 按软件分类

12 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 12 7.1.1 分布式系统与集中式系统比较 l 性能价格比 l 绝对性能 l 符合许多分布式应用的实际 l 可靠性 l 可扩充性 ( 表 7.1)

13 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 13 7.1.2 分布式系统与独立 PC 比较 l 数据共享 l 改善人与人间的通讯能力 l 更好的灵活性 ( 表 8.2)

14 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 14 7.1.3 缺点 l 软件问题 l 通信网络 l 数据安 ( 表.3)

15 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 15 7.1.4 按硬件分类 l7.1.4.1 分类 l7.1.4.2 总线型多处理机 l7.1.4.3 开关型多处理机 l7.1.4.4 总线型多计算机 SISD l7.1.4.5 开关型多计算机

16 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 16 7.1.4.1 分类 (Flynn 分类法 ) lSIMD( 阵列处理机 ) lMISD( 脉动阵列机、宏观流水方式的多机系统 ) lMIMD l 多计算机 l 多处理机 l 其他分类法 ( 网络结构、耦合程度 )( 图 7.1)

17 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 17 7.1.4.2 总线型多处理机 ( 图 7.2) l 一致性概念 l 存在问题 l 总线带宽饱和，性能下降 l 解决办法： l 高速缓冲存储器（命中率） l 总线侦听

18 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 18 7.1.4.3 开关型多处理机 ( 图 7.3) l 开关 l 交叉开关 lOmega 开关网络 l 层次式 l 总结 : l 总线型、交叉开关型、多级互连网络型、 NUMA 结构 l 昂贵、难设计

19 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 19 7.1.4.4 总线型多计算机 ( 图 7.4)

20 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 20 7.1.4.5 开关型多计算机 ( 图 7.5)

21 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 21 7.1.5 按软件分类 l7.3.1 网络 OS 和 NFS l7.3.2 真正的分布式操作系统 l7.3.3 多处理机分时系统

22 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 22 7.1.5.1 网络 OS 和 NFS l 松散耦合软件 l 例 : 局域网连接的一组工作站 lalogin machine( 工作站 远程终端 ) llogout l 远程拷贝 : l rcp machine1:file1 machine2:file2 l 全局共享文件系统 ( 图 7.6,7.7) lNFS( 下页 )

23 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 23 NFS l 设计和实现目标 :Sun 公司 UNIX 工作站 lNFS 结构 ( 参见图 7.7) l 服务器输出目录 l 客户及安装目录 lNFS 协议 l 处理安装问题协议 (shell) l 文件和目录的访问协议 lNFS 实现 ( 图 7.8) lv 结点的使用方式 l 快速缓存技术 ( 改善 : 定时计数器、最近修改时间 )

24 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 24 7.1.5.2 真正的分布式操作系统 l 紧密耦合软件 ( 分时系统 ) l 分布式系统是一种让用户把一组不含共享存储器的机 器看成是单台计算机的软件 ( 单一系统映象 ) l 虚拟单处理机 l 分布式系统的特征 l(1) 单一的全局进程间通信机制 l(2) 全局保护机制 l(3) 进程管理在任何地方一样

25 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 25 7.1.5.3 多处理机分时系统 l 单一运行队列 ( 图 7.9) l 文件系统的组织 l 统一的文件 cache ( 表 7.4)

26 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 26 7.4 分布式操作系统 l7.4.1 透明性 l7.4.2 可靠性 l7.4.3 高性能 l7.4.4 伸缩性 l7.4.5 分布式文件系统

27 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 27 7.4.1 透明性 l1. 层次 l 对用户隐藏 l 对程序员隐藏 l2. 透明性 l 位置透明性 l 迁移透明性 l 重复透明性 l 并行透明性

28 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 28 7.4.2 灵活性 ( 第一版图 7.10) l 单体内核 ( 好处 : 性能 ) l 微内核 ( 目标 : 小 ) l 一种进程间的通讯机制 l 一些存储器管理功能 l 有限的低级进程管理和调度功能 l 低级输入输出 l 微核系统好处 : 模块化好, 实现、安装、调试方便

29 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 29 7.4.3 可靠性 l 可用性 l 安全性 l 容错

30 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 30 7.4.4 性能 l 并行度、通信量折衷：计算粒度 l 容错的影响

31 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 31 7.4.5 伸缩性 l( 第一版表 7.6) l 集中式算法 l 分布式算法 ( 特点 ) l 没有一台机器具有关于整个系统的完整信息 l 机器只据本地信息作决策 l 单个机器故障不会导致整个算法失败 l 不能隐含有关存在全局时钟的假设

32 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 32 7.4.6 Mach 技术 l7.4.6.1 Mach 的历史 l7.4.6.2 Mach 的目标 l7.4.6.3 Mach 的微内核 l7.4.6.4 Mach 上的 BSD UNIX 服务器

33 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 33 7.4.6.1 Mach 的历史 lRIG(Rochester Intelligent Gateway) lAccent lCMU lOSF

34 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 34 7.4.6.2 Mach 的目标 l1. 提供一个建立其他操作系统的基础 l2. 支持巨大地址空间 l3. 允许对网络资源的透明访问 l4. 同时在系统中和应用中开发并行性 l5. 可以移植到大量机器上

35 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 35 7.4.6.3 Mach 的微内核 l ( 图 8.13) l 服务 : 进程管理、存储管理、通信和 I/O 服务 l 核心管理的对象： l 进程 l 线程 l 存储器对象 l 端口 l 消息

36 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 36 7.4.6.4 Mach 上的 BSD UNIX 服务器 l 优点： l (1) 系统分为处理资源管理部分、处理系统调用 部分 l (2) 可移植性 l (3) 实时操作 l (4) 定时操作 l (5) 安全保护

37 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 37 7.4.5 分布式文件系统 l 文件服务与文件服务器 ( 进程 ) l 两部分 l 目录服务 l 真正的文件服务

38 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 38 7.4.5 分布式文件系统 l7.4.5.1 文件服务接口 l7.4.5.2 目录服务接口 l7.4.5.3 文件共享语义

39 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 39 7.4.5.1 文件服务接口 l 能力和访问控制表 l 文件服务类型 ( 第一版图 7.11) l 上送 / 下装模型 ( 读写文件 ) l 远程访问模型

40 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 40 7.4.5.2 目录服务接口 l 服务 : l 创建和删除目录 l 文件命名换名 l 移动文件等 l 定义字符集和语法 l 创建向任一目录的链接或指针 ( 第一版图 7.12)

41 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 41 文件设计的关键问题 l1. 机器或进程间目录层次是否必须严格相同 ?( 参 见第一版图 7.7) l2. 是否存在全局根目录 ?

42 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 42 l1. 命名的透明性 l 位置独立性 l 三种命名方法 : l 机器名 + 路径 l 远程文件系统安装到本地 l 单一名字空间 l2. 两级命名 l 供用户使用 ( 符号 ) l 供系统使用 ( 二进制名 : 本地 i 结点、能力 )

43 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 43 7.4.5.3 文件共享语义 l1. 文件可修改 l 避免用户共享问题 l 一旦修改立即将 cache 中的文件传回服务器 l 不要求读操作看到所有先前的写操作的结果 ( 会晤语义 ) l 放弃共享文件指针的问题 l2. 文件不可更改 ( 读、创建 ) l3. 事务

44 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 44 7.5 机群与网格操作系统 l 单一登录点 l 单一资源管理 l 单一内存映像 l 单一进程空间 l 单一文件系统 l 单一 I/O 空间

45 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 45 7.6 嵌入式操作系统 l 微型化 l 高质量、高可靠性 l 专业化 l 实时性 l 可剪裁性

46 2007 年 8 月孟静制作 版权所有 46 7.7 小结 l 潜在优点和缺点 l 多 CPU 软件类型 l 设计中的问题 l 线程的地位 l 分布式文件系统 lMACH