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， 须征得作者同意。

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。

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

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

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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

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。

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 网络操作系统

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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)

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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)

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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 按硬件分类 l 分类 l 总线型多处理机 l 开关型多处理机 l 总线型多计算机 SISD l 开关型多计算机

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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)

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 总线型多计算机 ( 图 7.4)

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 开关型多计算机 ( 图 7.5)

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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 )

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 )

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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)

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

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

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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 Mach 技术 l Mach 的历史 l Mach 的目标 l Mach 的微内核 l Mach 上的 BSD UNIX 服务器

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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 分布式文件系统 l 文件服务接口 l 目录服务接口 l 文件共享语义

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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)

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 ?

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 )

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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

2007 年 8 月孟静制作 版权所有 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