大工21春《操作系统概论》复习资料十七
《操作系统概论》辅导资料十七主 题：第7章 多处理器、网络和分布式操作系统学习时间：2020年7月20日--7月26日“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：守初心，就是要牢记全心全意为人民服务的根本宗旨，以坚定的理想信念坚守初心，牢记人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标；以真挚的人民情怀滋养内心，时刻不忘我们党来自人民、根植人民，人民群众的支持和拥护是我们胜利前进的不竭力量源泉；以牢固的公仆意识践行初心，永远铭记人民是共产党的衣食父母，共产党人是人民的勤务员，永远不能脱离群众、轻视群众、漠视群众疾苦。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》内 容：
第7章多处理器网络和分布式操作系统
这周我们将学习课件第7章，下面整理出的理念框架供同学们学习。
本篇的基本要求：
1．掌握多处理机系统的分类
2. 掌握多处理机操作系统的类型
3. 了解多处理机调度
4. 了解网络操作系统定义及其功能
重点掌握内容：
1．处理器操作系统
2.多处理机系统的分类，多处理机操作系统的类型7.1 多处理器操作系统
一、处理器操作系统概述
1．多处理机系统的分类
可以从不同角度对多处理机系统分类。根据处理器之间耦合的紧密程度可以将多处理机系统划分为：
（1）紧密耦合多处理机系统
多个处理器通过高速总线或高速开关互连，它们共享系统的内存和I/O设备。
（2）松散耦合多处理机系统
多台计算机通过通道或通信线路实现互连，每台计算机有自己的内存和I/O设备，并配置了操作系统来管理本地资源和本地运行的进程（线程）；也就是每台计算机可以独立工作，必要时可以通过通信线路与其他计算机交互。
/ 根据多处理机系统中处理器的结构类型是否相同以及操作功能是否对称，可以将多处理机系统划分为：
（1）同构对称型多处理机系统
在一台计算机中包含多个具有相同结构类型的处理器，它们共享计算机的内存和其他资源；每个处理器的地位平等，无主次之分，任何一个处理器都能替代其他处理器工作，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器上，所有处理器能够平等地访问计算机的内存和I/O设备。
（2）异构非对称型多处理机系统
指系统中存在多种类型的处理器单元，它们在功能上各不相同，有主处理器和从处理器之分；主处理器运行操作系统，是系统的核心和灵魂，它能控制从处理器完成指定的功能。非对称多处理系统由于各处理器起的作用不一样，因此，不能实现负载均衡。
根据多处理机系统的组成结构，可以将多处理机系统分为：
（1）共享存储型多处理机系统
/
共享存储型多处理机中，多个处理器、高速缓存（Cache）一般利用公共总线或高速开关实现互连，通过共享主存实现处理机之间的相互通信，所有处理机共享I/O设备或通过通道与外设相连，整个系统由统一的操作系统管理，因此属于紧密耦合型多处理机系统。这类系统的处理机数目通常有限，主要受到两方面约束：一是因为采用共享主存通信，所以当处理机数目增大时，将导致访问主存冲突的概率增加，使系统性能下降；二是处理机与主存间的互连网络带宽有限，当处理机数目增多后，互连网络将成为系统性能的瓶颈。
共享存储型多处理机有三种模型：均匀存储器存取（UMA）模型、非均匀存储器存取（NUMA）模型和只用高速缓存的存储结构（COMA）模型。这些模型的区别在于存储器和外围资源如何共享或分布。
（2）分布存储型多处理机系统
分布存储型多处理机由于机间物理联接松散，故属于松散耦合型多计算机系统。系统由多个计算机节点通过消息传递网络相互连接而成，每个节点包括处理机、局部存储器以及输入/输出设备等，它们通过总线连在一起。
局部存储器只有本地处理机才能访问。计算机节点内部也可以包含一个用不同技术互连的小型处理器集。所有计算机节点通过互连网络连接在一起。消息传递网络的拓扑结构有环形、树形、网格、环网、超立方体、带环立方体等。通信模式有一对一、广播、置换、选播等。 分布存储型多处理机系统具有层次和非层次两种结构。2．多处理机操作系统的类型
为多处理机系统配备的操作系统称为多处理机操作系统。多处理机操作系统目前主要有以下三种类型：
（1）主从式
对于这种类型的操作系统，有一台特定的处理机被称为主处理机，其他的处理机被称为从处理机。操作系统始终运行在主处理机上，用来记录、控制其他从处理机的状态，并负责为从处理机分配任务。从处理机不具有调度功能，只能运行主处理机分配给它的任务。
当从处理机空闲时，便向主处理机发出一个请求进程（线程）信号，然后等待主处理机为它分配进程（线程）。主处理机中保持有一个就绪队列，只要就绪队列不空，操作系统就将合适的就绪进程（线程）分配给从处理机，从处理机获得分配给它的进程（线程）后便执行该进程（线程），执行结束后会再次向主处理机发出请求。
（2）独立监督式
独立监督式也称为独立管理程序控制方式。在这种类型的操作系统中，每一个处理机均有自己的管理程序(操作系统内核)，并拥有各自的专用资源，如输入/输出设备和文件系统。在每个处理机上运行的操作系统具有与单机操作系统类似的功能，服务自身的需要，管理自己的资源，为自己的处理机分配进程（线程）。
（3）浮动监督式
浮动监督式也称为浮动管理程序控制方式。它是最复杂，也是最有效、最灵活的多处理机操作系统类型。浮动监督式操作系统类型适用于紧耦合多处理机系统，常用在对称多处理机系统中。
若采用浮动管理程序控制方式，则系统中的所有处理机组成一个处理机池，每台处理机都可以运行操作系统对整个系统的资源进行管理和控制。每段时间有一台（或一组）处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但根据需要，“主处理机”是可浮动的，即可以从一台（或一组）处理机切换到另一台（或另一组）处理机。
二、多处理机调度
在多处理机系统中，存在多种调度策略，比较有代表性的有：负载共享调度、成组调度、独占处理机调度等。这些调度策略主要以线程为调度单位。
1．负载共享调度
2．成组调度
3．独占处理机调度7.2网络操作系统
网络操作系统（NOS）是使网络上的计算机能方便有效地共享网络资源，实现网络通信和为用户提供各种网络服务的计算机操作系统。网络操作系统除了具备通常操作系统具有的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等功能外，还增加了网络功能。
网络操作系统是计算机网络中的各种系统资源的管理者，同时还在网络用户和计算机网络之间起到接口作用。
网络操作系统分为对等式网络结构和非对等式网络结构。
（1）对等式网络结构
对等式网络结构的网络软件被设计成每一个网络节点都能完成相同或相似的功能。整个网络不需要专门的服务器，网络操作系统软件相等地分布在网络的每个节点上，所有节点的地位平等，节点软件以前台和后台两种方式工作，前台为本地用户服务，后台为其他节点上的用户提供服务，每一台网络计算机既能充当网络服务的请求者也能充当网络服务的提供者。
优点：
使用简单，计算机上资源可直接共享，容易安装与维护，管理方便，价格比较便宜，不需要专门的服务器等。
缺点：
数据的保密性较差，文件管理分散等。
（2）非对等式网络结构
非对等式网络结构又称为客户——服务器（Client——Server）结构。将网络计算机节点分为网络服务器和网络工作站两类。网络服务器一般采用高配置和高性能的计算机，以集中方式提供网络服务和管理网络共享资源。网络工作站通常配置较低，主要为本地用户访问本地资源和访问网络资源提供服务。客户机和服务器之间并没有严格的界限，取决于运行什么软件。
简单的讲，客户是提出服务请求的一方，服务器是提供服务的一方。服务器所提供的服务功能不仅包含文件服务、打印服务和数据库服务，还包括计算、通信、以及Internet和Intranet等方面的服务。在客户——服务器结构中，网络操作系统软件分为两部分:一部分（服务器程序）运行在服务器上,另一部分（客户程序）运行在工作站上，任务由客户程序和服务器程序共同完成。这种模式能充分发挥服务器和客户机各自的计算能力，方便分别对客户端和服务器端进行优化，为用户提供一个理想的分布环境，消除不必要的网络传输负担，是目前主流网络操作系统的工作方式。
优点：数据分布处理，有效使用系统资源，文件集中管理，数据的安全性和保密性好，系统可靠性高。缺点：应用开发环境相对较复杂，工作站上的资源不能直接共享，安装和维护比对等式网络麻烦。7.3分布式操作系统
分布式系统是通过计算机网络将一组独立计算机连接起来形成一个整体的“单计算机系统”，它一般具有以下特征：
（1）系统中的计算机可以通过系统的安全通信机制相互交换信息。
（2）系统中的计算机可以相互合作完成同一任务，即可以将一个程序分布在多台计算机上并行运算。
（3）系统中的资源为所有用户共享，且用户以透明方式访问系统资源，即访问时无需考虑资源的物理位置。
（4）系统的一个节点发生故障不影响其他节点运行，具有较好的容错性和稳健性。
分布式系统与计算机网络系统都使用了网络技术，在硬件连接、拓扑结构以及通信控制等方面基本一致，都具有数据通信和资源共享功能，但存在以下差别：
在计算机网络系统中，用户通常通过远程登录或让计算机直接相连来传输信息或资源共享，通信或共享资源时必须知道网络结构以及资源的位置，换句话说，资源位置对有户不透明；
而在分布式系统中，用户在通信或共享资源时如同在单计算机系统上进行操作一样，不需要知道系统有多少台计算机存在，不需要知道资源存放在哪台计算机上；
此外，在分布式操作系统的统一控制下，互连的计算机可以协调工作，完成同一任务，可以将一个大型程序的并行模块自动分散到多台计算机上并行运算。
一、分布式资源管理
在分布式操作系统中，一类资源通常由多个管理者进行管理，具体分为以下两种管理方式：
（1）局部集中管理方式：指系统中的一类资源由多个管理者进行管理，但每个资源只有一个管理者。在局部集中管理方式下，一个资源管理者既应具有向其他资源管理者提交资源申请的功能，也应具有接受其他资源管理者转来的资源申请的功能。在这些功能的帮助下，当一个资源管理者不能满足某申请者的资源请求时，它能够帮助该申请者向其他资源管理者申请资源，于是，用户的资源申请过程与单机操作系统一样，只需向本机资源的管理者提出申请，无需知道系统中有多少个资源管理者以及每个资源管理者管理哪些资源，也无需知道系统资源的分布情况。
（2）完全分布管理：指一类资源中的每个资源由多个管理者共同管理，每个管理者对资源只有部分控制权，对每个资源的使用必须获得它的所有管理者同意。
二、分布式进程通信
分布式系统中的底层通信机制有三种：消息传递机制、远程过程调用RPC、套接字。此外，为了解决互操作性，在上层应用程序与底层通信软件之间增加了一层称为中间件的标准化协议和编程接口。
1．消息传递机制
分布式系统中，进程之间通信常通过消息传递实现。最简单的分布式消息传递方式基于客户——服务器模型。客户进程以消息形式向服务器提出服务请求，服务器根据客户提出的请求提供服务，并将结果以消息形式返回客户进程。在设计分布式消息传递机制时，需要解决目标进程寻址和通信原语设计问题。
2．远程过程调用RPC
远程过程调用亦是分布式系统中广泛采用的进程间通信方法。通过远程过程调用，允许在一个计算机节点上运行的进程访问远程计算机所提供的服务，且用户感觉像在执行本地过程调用一样。
远程过程调用与本地过程调用的实现方式不一样，前者在不同计算机的地址空间中运行，不可能成为调用过程的一部分，必须建立一个独立的进程来执行被调用的过程。这个进程可以在调用时动态创建，也可以作为专用服务进程静态创建。
为了能以与本地过程调用相同的方式完成远程过程调用，需要在客户机和服务器上分别设置客户代理和服务器代理。
3．套接字
套接字Socket是在程序中使用TCP或UDP协议进行通信的一种通用编程接口，简单的说就是通信双方的一种约定，它提供了一组API函数，通过调用这组函数来完成实际信息传输。
要在TCP／IP协议基础上实现不同应用进程之间的通信，需要使用三个参数：通信目标的IP地址、使用的传输层协议(TCP或UDP)、使用的端口号。通过将这三个参数与一个Socket（套接字）绑定在一起，应用层和传输层就可以通过套接字，区分不同的连接，实现应用进程之间的通信。
使用Socket进行通信的方式如下：应用进程建立Socket，并通过绑定与网络驱动程序建立联系；此后，应用进程将要发送的数据传给自己的Socket，由该Socket交网络驱动程序向网络上发送出去；接收计算机收到发送给它的数据后，由网络驱动程序交给接收进程的Socket，接收进程便可以从该Socket中提取接收到得数据。
4．中间件
分布式系统常采用客户——服务器计算模式。客户——服务器计算模式的优点是灵活、可靠、高效。但它对分布式计算的标准化提出了很高要求，这是因为若缺乏标准化，会使得实现集成的、多厂商的、企业范围内的客户——服务器配置和分布式应用变得非常困难。实现访问标准化的一种方法是：在上层应用程序与下层通信软件及操作系统之间使用标准的编程接口和协议，建立支持在异构网络、异构计算机以及不同操作系统中访问系统资源的工具；这种标准化的编程接口、协议和工具一起被称为中间件。
中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用程序借助这层软件在异构网络、异构计算机以及不同操作系统之间共享资源。通过中间件，应用程序可以工作在多种平台和操作系统环境。中间件位于客户机/ 服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通讯，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件。使用中间件连接的系统，即使它们的接口不同，相互之间仍能交换信息。 重要考点
一、单选题
1．下述关于分布式操作系统的描述正确的是（ ）。
A、分布式操作系统是基于松散耦合网络的松散操作系统
B、分布式操作系统中用户可以感觉到一群通过网络互联的计算机在共同工作
C、分布式操作系统中一个任务可以并行的执行，而这种并行性对用户是透明的
D、分布式操作系统中用户可以清晰的感觉到多份备份的存在，以便增强用户的安全感
答案：C
解析：在计算机网络系统中，用户通常通过远程登录或让计算机直接相连来传输信息或资源共享，通信或共享资源时必须知道网络结构以及资源的位置，换句话说，资源位置对有户不透明；
而在分布式系统中，用户在通信或共享资源时如同在单计算机系统上进行操作一样，不需要知道系统有多少台计算机存在，不需要知道资源存放在哪台计算机上；
此外，在分布式操作系统的统一控制下，互连的计算机可以协调工作，完成同一任务，可以将一个大型程序的并行模块自动分散到多台计算机上并行运算。
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