簡介：高級操作系統(tǒng)ADVANCEDOPERATINGSYSTEM,熊焰YXIONGUSTCEDUCN05513600689中國科學技術大學計算機系,第六章分布式程序設計,分布式程序設計的特點分布式進程分布式進程遷移,61分布式程序設計的特點分布式程序設計的特點,在分布式計算機系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了應用這種系統(tǒng)，在七十年代后期提出了分布式程序設計的概念，即設計運行于分布式計算機系統(tǒng)上的分布式程序。分布式程序設計有三個特點分布性、通信性和魯棒性。一個分布式程序由若干可以獨立執(zhí)行的程序模塊組成，這些程序模塊分布于一個分布式計算機系統(tǒng)中若干臺計算機上同時執(zhí)行。分布于各臺計算機上的程序模塊是相互關聯(lián)的，它們在執(zhí)行中需要交換數(shù)據(jù)（即通信）。只有通過通信，各程序模塊才能協(xié)調執(zhí)行，以完成一個共同的計算任務。此外，進行分布式程序設計時，還常常要考慮魯棒性，當某幾臺計算機發(fā)生故障時，程序仍可以執(zhí)行下去。,61分布式程序設計的特點分布式程序設計語言,為了進行分布式程序設計，必須提供分布式程序設計語言。分布式程序設計語言和其它程序設計語言的主要區(qū)別它具有程序分布和通信的功能。有時它還具有便于實現(xiàn)魯棒性的一些功能。一般來說，一種順序程序設計語言或并發(fā)程序設計語言,增加了分布和通信功能后，就可以成為分布式程序設計語言了。,61分布式程序設計的特點分布式程序,分布式功能可使程序分為若干個可獨立執(zhí)行的程序模塊。這些程序模塊的產(chǎn)生方式可以在程序開始執(zhí)行前就按要求分布于各臺計算機上，也可以在程序執(zhí)行過程中逐個產(chǎn)生出來，即開始執(zhí)行時只有一個程序模塊，它在執(zhí)行中不斷產(chǎn)生出新的程序模塊，被產(chǎn)生的程序模塊在執(zhí)行中又可以產(chǎn)生程序模塊。由于不同的程序模塊是在不同的計算機上執(zhí)行的，故它們之間不能有共享數(shù)據(jù)或公用變量。程序模塊之間的數(shù)據(jù)交換只能依靠通信。分布式程序設計的通信功能就是用來實現(xiàn)程序模塊間的數(shù)據(jù)交換的。目前已有十幾種分布式程序設計語言的建議。,62分布式進程基于PASCAL的分布式程序設計語言,漢森于1978年提出了分布式進程的概念。它將并發(fā)PASCAL語言作了一些修改，并增加了分布式進程的概念，從而構成了一個分布式程序設計語言。分布式進程是分布于系統(tǒng)的若干臺計算機上的進程，它們之間沒有公用變量。一個程序是由數(shù)量固定的若干分布式進程組成，它們同時被啟動，并行地在各臺計算機上執(zhí)行。,62分布式進程進程定義,一個進程定義了自己的變量、公用過程和初始語句序列PROCESS（進程名）一個進程執(zhí)行兩類操作執(zhí)行初始語句序列和由其它進程提出的外需求（即調用它定義的公用過程）。,62分布式進程分布式進程的執(zhí)行,一個進程被啟動后，1）先執(zhí)行初始語句序列，直至執(zhí)行完畢。2）在進程執(zhí)行中因為等待某個條件而暫時不能執(zhí)行下去時，如果有外需求，它就執(zhí)行相應的公用過程。當此過程執(zhí)行完畢或執(zhí)行到等待某個條件而暫時不能繼續(xù)執(zhí)行時，它或者去執(zhí)行初始語句序列，或者執(zhí)行另一個外需求的過程。一個進程在執(zhí)行初始語句序列或某個過程時，總是連續(xù)地執(zhí)行下去，除非它因為等待某個條件而暫時不能繼續(xù)執(zhí)行下去，或者它向其它進程提出了過程調用。當一個進程由于上述原因不能執(zhí)行語句序列或某個過程時，它就可以接收其它進程的需求，執(zhí)行相應的一個過程。因此，一個進程從執(zhí)行某一個過程轉向另一個過程，這不是由時鐘來控制的，而是由程序本身的執(zhí)行來確定的。,因此，一個分布式進程的執(zhí)行過程可用下圖來表示,A簡單情況（B復雜情況,62分布式進程過程的定義,一個進程可以定義若干個過程。一個過程定義了它的輸入輸出參量、局部變量和語句序列PROC（）當執(zhí)行一個過程時，相應的語句序列就被執(zhí)行。,62分布式進程過程的調用,一個進程可用CALL語句來調用另一個進程所定義的過程，例如進程P可以用以下形式的CALL語句來調用進程Q定義的過程RCALLQR（，變量）在進程Q開始執(zhí)行過程R時，CALL語句中表達式的值就賦給了輸入?yún)⒘俊．斶^程執(zhí)行完畢后，輸出參量的值就賦給了CALL語句中的變量實現(xiàn)上述過程調用時，1）調用進程先要將輸入?yún)⒘康闹祩鹘o被調用者，2）過程執(zhí)行完畢后，被調用者要將輸出參量的值送回給調用者。所以，一次過程調用要兩次通信才能實現(xiàn)。,,進程對過程的調用可以加以限制。例如，規(guī)定進程可以定義兩類過程公用過程和局部過程。一個進程只能調用其它進程所定義的公用過程。局部過程只能為它所屬進程來調用。為了易于驗證和實現(xiàn)，可規(guī)定不許遞歸調用。,62分布式進程衛(wèi)式命令,在漢森提出的分布式程序設計語言建議中，還定義了一些稱之為衛(wèi)式命令和衛(wèi)式區(qū)域的語句來控制進程執(zhí)行的同步。這些語句是1IF語句IFB1S1|B2S2|END其意思是當B1，B2，中某個條件為真時，選擇某個相應的語句執(zhí)行之，否則停止執(zhí)行程序。例如，執(zhí)行語句IFB1S1|B2S2|B3S3END時，若B1，B3為真，則執(zhí)行完S1或S3后，這個語句就執(zhí)行完了。究竟執(zhí)行S1還是S3，語法不作規(guī)定，也就是說，這是不確定的。如果執(zhí)行這個語句時，B1，B2和B3均為假，那么就停止執(zhí)行相應的程序。這往往意味著有錯誤發(fā)生了。,,2DO語句DOB1S1|B2S2|END其意思是只要B1，B2，中某個條件為真，就選擇某個相應的語句執(zhí)行之，直到所有條件均為假時這個語句才執(zhí)行完畢。顯然DOBSEND和WHILEBDOSEND是一樣的。所以DO語句是WHILE語句的擴充。,,3WHEN語句WHENB1S1|B2S2|END其意思是等到B1，B2，中某個條件為真時，就執(zhí)行某個相應的語句。如果多個條件為真，則選擇某個相應的條件來執(zhí)行。,,4CYCLE語句CYCLEB1S1|B2S2|END其意思是不斷地重復執(zhí)行WHEN語句WHENB1S1|B2S2|END因此上面的CYCLE語句等價于DOTRUEWHENB1S1|B2S2|ENDEND,,5FOR語句FORXINYSEND其意思是對數(shù)組或集合Y中的每個元素X執(zhí)行語句S。在這個程序設計語言中，除字符型。布爾型和整數(shù)型三種基本數(shù)據(jù)類型外，還有集合型、序列型和數(shù)組型。集合型SETNT是指N個T類數(shù)據(jù)的集合。序列型SEQNT是指N個T類型數(shù)據(jù)的序列。數(shù)組型ARRAYNT是指由N個T類數(shù)據(jù)所組成的數(shù)組。,,6SKIP語句什么也不做的空操作。下面給出4個例子1信件緩沖2字符串發(fā)送3文件的讀寫4哲學家問題,【例1】信件緩沖,一個稱為BUFFER的進程為進程間交換信息提供緩沖。它定義了兩個過程SEND和RECEIVE。當企圖將信件存入緩沖時，調用過程SEND。當企圖將信件從緩沖中取走時，調用過程RECEIVE。定義如下PROCESSBUFFERBARRAY1128CHAR{一封信由128個字符組成}FULLBOOLEAN{緩沖中有信時FULL為真},PROCSENDMARRAY1128CHARBEGINWHENNOTFULLBMFULLTRUEENDENDPROCRECEIVEMARRAY1128CHARBEGINWHENFULLMBFULLFALSEENDENDBEGINFULLFALSEEND,【例2】字符串傳送,一個為STREAM的進程從鍵盤輸入設備讀入一行字符串，經(jīng)加工后送入例1所定義的BUFFER進程的緩沖。PROCESSSTREAMBARRAY1128CHAR{一行最多128個字符}IINTBEGINDOTRUEI1READB1{從鍵盤輸入設備讀入一個字符}DOBI“換行字符”ANDI1SS1ENDENDPROCENDREADBEGINIFS1SS1ENDEND,,PROCSTARTWRITEBEGINWHENS1S0ENDENDPROCENDWRITEBEGINIFS0S1ENDENDPROCREADBINTRARRAY1256CHARBEGINREADBLOCKB,R{將第B塊中的256個字符讀入R}END；,,PROCWRITEBINTMARRAY1256CHARBEGINWRITEBLOCKB,M{將M中的256個字符寫入第B塊}ENDBEGINS1END變量S的值表明文件所處的狀態(tài)，它的含義如下S＝0，有一個寫文件的進程占用文件S＝1，沒有進程占用文件S＝2，有一個讀文件的進程占用文件S＝K（≥2）,有K－1個讀文件的進程占用文件。,,顯然，文件在RESOURCE控制下可以同時為幾個讀文件的進程占用，而最多只可能為一個寫文件的進程占有。一個進程用語CALLRESOURCESTARTREAD或CALLRESOURCESTARTWRITE來占用文件。然后用CALLRESOURCEREADB,R或CALLRESOURCEWRITEB,M來讀或寫文件。最后，用CALLRESOURCEENDREAD或CALLRESOURCEENDWRITE來歸還文件。,按上述方法編制的程序不能避免餓死。例如當兩個進程交替地讀文件時，在一個進程歸還文件前另一個就調用了過程STARTREAD，而在一個進程調用了過程STARTREAD后另一個才調用過程ENDREAD，這時調用過程STARTWRITE的進程就無法獲得寫文件的權力。為了避免餓死，上述進程可作以下的修改PROCESSRESOUCESINTPROCSTARTREADBEGINWHENS1SS1ENDEND,,PROCSTARTWRITEBEGINIFS1S2S|S1SS1|S0）表示有K＋1個進程在讀文件，而至少有一個進程在等待寫文件。S＝0表示有一個進程在寫文件或有一個進程在讀文件，而有一個進程在等待寫文件。經(jīng)過上述修改后，只要有進程在等待寫文件時就不再接受進程讀文件了。顯然，餓死現(xiàn)象就不會產(chǎn)生了。,【例4】哲學家用餐問題,5個哲學家圍坐一圓桌。桌上有5把叉子，每人旁邊有兩把。每個哲學家不斷地思考和進餐。當他要進餐時，他必須得到左邊和右邊的叉子才行。當他食畢，放下兩叉，從而他的兩鄰者可得到他們的左或右邊的叉子。為了描述這個問題，引入一個稱為數(shù)組進程的概念。一個數(shù)組進程PROCESSI1N表示N個進程。例如PROCESSPHILOSOPHERI15表示5個進程，它們是,,PROCESSPHILOSOPHER1PROCESSPHILOSOPHER2PROCESSPHILOSOPHER5解決5個哲學家用餐問題的程序由6個進程組成。一個哲學家的活動由一個進程來描述。叉子由一個稱為TABLE的進程來管理,,PROCESSPHILOSOPHERI15BEGINDOTRUETHINKINGCALLTABLEJOINI{第I個哲學家要求進餐}CALLTABLELEAVEI{第I個哲學家食畢}END；END,,PROCESSTABLEEATINGARRAY15BOOLEAN{第I個哲學家在進餐時,EATINGITRUE}PROCJOINIINTBEGINWHENEATINGLEFTIFALSEANDEATINGRIGHTIFALSEEATINGITRUEEND{當左右的哲學家均不在進餐時，即左右叉都空閑時，他就可以加入進餐}END；PROCLEAVEIINTBEGINEATINGIFALSEEND,BEGINJINTFORJ1TO5DOEATINGJFALSEEND程序中函數(shù)LEFT和RIGHT定義如下LEFTII－1I1LEFTI5I1RIGHTII1I5RIGHTI1I5不難驗證，采用上述解法不會產(chǎn)生死鎖，但是可能出現(xiàn)餓死現(xiàn)象。當一個哲學家的左右二人交替進餐時，他就可能得不到叉而“餓死”。如果修改一下，就可以既避免死鎖又避免餓死。這作為作業(yè)留給同學課后自己去做。,63分布式進程遷移,在計算機網(wǎng)絡中，允許程序或數(shù)據(jù)從一個結點遷移到另一個結點，在分布式計算機系統(tǒng)中，更是允許將一個進程從一個計算機遷移到另一個計算機中。計算和數(shù)據(jù)的遷移數(shù)據(jù)遷移（DATAMIGRATION）假如系統(tǒng)A中的用戶欲去訪問系統(tǒng)B中文件的數(shù)據(jù)，可以采用以下兩種方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。第一種方法，是將系統(tǒng)B中的整個文件送到系統(tǒng)A中，,,這樣，凡是系統(tǒng)A中的用戶要訪問該文件時，都變成了本地訪問。當用戶不再需要此文件時，若文件拷貝已被修改，則必須把已修改過的拷貝送回系統(tǒng)B；若未被修改，便不必將文件回送。如果文件比較大，系統(tǒng)A中用戶用到的文件數(shù)據(jù)又比較少，采用這種來回傳送整個文件的方法，系統(tǒng)的效率較低。第二種方法，是僅把文件中用戶當前要使用的部分從系統(tǒng)B傳送到系統(tǒng)A，若以后用戶又要用到其它部分,再從系統(tǒng)B傳送到系統(tǒng)A。當用戶不再需要使用此文件時，則只需把修改過的部分傳回系統(tǒng)B。SUN公司的網(wǎng)絡文件系統(tǒng)NFS和MICROSOFT的NETBU便使用了這種方法。,計算遷移（COMPUTATIONMIGRATION）在有些情況下，傳送計算要比傳遞數(shù)據(jù)效率高。例如，有一個應用，它需要訪問多個駐留在不同系統(tǒng)中的大型文件，以獲得有關數(shù)據(jù)。此時，若采用數(shù)據(jù)遷移方式，則需將駐留在不同系統(tǒng)上的所需文件傳送到用戶應用所在的系統(tǒng)中。這樣，要傳送的數(shù)據(jù)量相當大，可以采計算遷移來解決這個問題。計算遷移可以有多種不同的執(zhí)行方式。1）可以通過RPC調用不同系統(tǒng)上的例行程序來處理文件，并把處理后的結果傳給自己；2）也可以發(fā)送多個消息給各個駐留了文件的系統(tǒng)，這些機器上的操作系統(tǒng)將創(chuàng)建一個進程來處理相應文件，進程處理完畢后再把結果傳遞回請求進程。,,必須注意在第二種方式中請求進程和執(zhí)行請求的進程是在不同的機器上并發(fā)執(zhí)行的。上述兩種方法，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相當少。如果傳輸數(shù)據(jù)的時間長于這段命令的執(zhí)行時間，則計算遷移方式更可??；反之，數(shù)據(jù)遷移方式更有效。,進程遷移（PROCESSMIGRATION）進程遷移是計算遷移的一種延伸，當一個新進程被啟動執(zhí)行后，并不一定始終都在同一處理機上運行，也可以被遷移到另一臺機器上繼續(xù)運行。引入進程遷移的理由是1負載均衡分布式系統(tǒng)中，各個結點的負荷經(jīng)常不均勻，此時，可以通過進程遷移的方法來均衡各個系統(tǒng)的負荷。把重負荷系統(tǒng)中的進程遷移到輕負荷的系統(tǒng)中去，以改善系統(tǒng)性能；2通信性能對于分布在不同系統(tǒng)中，而彼此交互性又很強的一些進程，應將它們遷移到同一系統(tǒng)中，以減少由于它們之間頻繁地交互而加大通信開銷。類似地，當某進程在執(zhí)行數(shù)據(jù)分析時，如果它們所需的文件遠遠大于進程，則此時應該把該進程遷移到文件所在駐留的系統(tǒng)中去，能進一步降低通信開銷；,,,3加速計算對于一個大型應用，如果始終在一臺處理機上執(zhí)行，可能要化費較多時間，使作業(yè)周轉時間延長。但如果能為該作業(yè)建立多個進程，并把這些進程遷移到多臺處理器上執(zhí)行，會大大加快該作業(yè)的完成時間，從而，縮短作業(yè)的周轉時間；4特殊功能和資源的使用通過進程遷移來利用特殊結點上的硬件或軟件功能或資源。,,此外，在分布式系統(tǒng)中，如果某個系統(tǒng)發(fā)生了故障，而該系統(tǒng)中的進程又希望繼續(xù)下去，則分布式操作系統(tǒng)可以把這些進程遷移到其它系統(tǒng)中去運行，提高了系統(tǒng)的可用性。為了實現(xiàn)進程遷移，在分布式系統(tǒng)中必須建立相應的進程遷移機制，主要負責解決1由誰來啟動進程遷移2如何進行進程遷移3如何處理未完成的信號和消息等問題。,進程遷移的啟動取決于進程遷移機制的目標，如果目標是平衡負載，則由系統(tǒng)中的監(jiān)視模塊負責在適當時刻進行進程遷移。在分布式系統(tǒng)中配置了系統(tǒng)負載監(jiān)視模塊，設定其中一個結點上的監(jiān)視模塊為主模塊。主模塊定時地與各系統(tǒng)的監(jiān)視模塊交互有關系統(tǒng)負荷情況的信息。一旦發(fā)現(xiàn)有些系統(tǒng)忙碌，而有些系統(tǒng)空閑時，主模塊便可啟動進程遷移，向負載沉重的系統(tǒng)發(fā)出命令，讓其把若干進程遷移到負載輕的系統(tǒng)中去。當然，這對用戶是透明的，所有進程遷移工作都由系統(tǒng)完成。類似地，如果進程遷移是為了其它目標，則分布式系統(tǒng)中的其它相應部分成為進程遷移的啟動者。,,在進程進行遷移時，應將系統(tǒng)中已遷移進程撤消，在目標系統(tǒng)中建立一個相同的新進程，因為這是進程的遷移而不是進程的復制。進程遷移時，所遷移的是進程映象，包括進程控制塊、程序、數(shù)據(jù)和棧。此外，被遷移進程與其他進程之間的關聯(lián)應作相應修改。進程遷移的過程并不復雜，但需要花費一定的通信開銷，困難在于進程地址空間和已經(jīng)打開的文件。,,由于現(xiàn)代操作系統(tǒng)均采用虛擬存儲技術，對于進程地址空間可使用如下兩種辦法一是傳送整個地址空間，把一個進程的所有映象全部從源系統(tǒng)傳遞到目標系統(tǒng)，這種方法簡單，但當?shù)刂房臻g很大，且進程只需要用到一部分程序和數(shù)據(jù)時，會造成浪費；二是僅傳送內存中的且已修改了的那部分地址空間，若程序運行時還需要附加的虛存空間部分信息，則可以通過請求方式予以傳送。這樣，所傳送的數(shù)據(jù)量是最少的，但源系統(tǒng)中仍然必須保存被遷移進程的數(shù)據(jù)及相關信息，源系統(tǒng)并未從對該進程的管理中解脫出來。,,,三是預先復制，進程繼續(xù)在原結點上執(zhí)行，而地址空間被復制到目標結點上，由于原結點上的某些地址空間內容又被修改過，所以，需要有二次遷移，這種方法能減少進程被凍結的時間。如果被遷移的進程還打開了源系統(tǒng)中的某些文件，可用兩種方法來處理，一種方法是將已打開的文件隨進程一起遷移，這里存在的問題是進程有可能僅僅臨時遷移過去，返回時才需要訪問該文件；第二種方法是暫時不遷移文件，僅當遷移后的進程又提出對該文件的訪問要求時，再進行遷移。如果文件被多個分布式進程所共享，則需要維護對文件的分布式訪問，而不必遷移。,在一個進程由源系統(tǒng)向目標系統(tǒng)遷移期間，可能會有其它進程繼續(xù)向源系統(tǒng)中已遷移進程的進程發(fā)來消息或信號，這時應如何處理一種可行的方法是在源系統(tǒng)中提供一種機構，用于暫時保存這類信息，還需保存被遷移進程所在目標系統(tǒng)的新地址，當被遷移進程已在目標系統(tǒng)中被建成新進程后，源系統(tǒng)便可將已收到的相關信息轉發(fā)至目標系統(tǒng)。,,,IBM的AIX是一種分布式UNIX操作系統(tǒng)，它提供了一種實用的進程遷移機制。進程遷移的步驟如下（1）當進程決定遷移自身時，它先選擇一個目標機，發(fā)送一個遠程執(zhí)行任務的消息，該消息運載了進程映象及打開文件的部分信息；（2）在接收端，內核服務進程生成一個子進程，將這些信息交給它；（3）這個新進程收集完成其操作所需的環(huán)境、數(shù)據(jù)、變量和棧信息。如果它是“臟”的就復制程序文件；如果是“干凈”的，則請求從全局文件系統(tǒng)中調頁。（4）遷移完成后發(fā)消息通知源進程，源進程就發(fā)一個最后完成消息給新進程，然后刪去自己。,
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