中科院讲义 分布式操作系统第一章.ppt

注意 当我出现不舒适时 请同学们做 将硝酸甘油一片放入我的舌下 打120电话 叫北京市急救中心救护车到现场救护我 送北大医院急症室心内科 打电话告诉我夫人孙玉玲 她的办公室电话是68557108 家电话是63274404 尽量保持我的身体平躺可以叫研究生院的大夫抢救 xdc 夏道藏 高级操作系统 夏道藏 国家信息中心xdc 夏道藏 国家信息中心xdc 高级操作系统 夏道藏 国家信息中心xdc 分布式操作系统 分布式操作系统 操作系统 课程编号 71204Z学分 3学时 60考试方式 闭卷考试内容 概念 习题 2009 2010学年春季和夏季学期校历 本课程的内容 引论进程同步和互斥死锁多机操作系统网络操作系统分布式操作系统两种数学模型 教材 操作系统高等教程 中国科学技术大学研究生院讲义夏道藏编著 主要参考书 分布式操作系统 DistributedOperatingSystems AndrewS Tanenbaum清华大学出版社PRENTICEHALL 参考书 DISTRIBUTEDSYSTEMSPrinciplesandParadigms AndrewS TanenbaumMaartenvanSteenPRENTICEHALL 参考书 DISTRIBUTEDSYSTEMSPrinciplesandParadigms 分布式系统原理与范例 AndrewS TanenbaumMaartenvanSteenPRENTICEHALL译清华大学出版社 参考书 DistributedOperatingSystems conceptsanddesign PradeepK SinhaIEEEPress 参考书 分布式操作系统原理与实践 DISTRIBUTEDOPERATINGSYSTEMSConceptsandPractice DoreenL GalliPrenticeHall徐良贤唐英毛家菊金恩华等译机工业出版社 参考书 分布式系统设计 DISTRIBUTEDSYSTEMSDesign 吴杰JieWuCRCPress高传善等译机工业出版社 参考书 DistributedOperatingSystems Algorithms RANDYCHOWTHEODOREJOHNSONAddisonWesley 参考书 CENTRALIZEDANDDISTRIBUTEDOPERATINGSYSTEMS PRENTICE HALLGARYJ NUTT 参考书 MODERNOPERATINGSYSTEMS AndrewS Tanenbaum 参考书 DISTRIBUTEDOPERATINGSYSTEMS TheLogicalDesign A Goscinski 参考书 面向21世纪课程教材 操作系统教程 第3版孙钟秀主编费翔林骆斌谢立编高等教育出版社WJDY2004TP316szx 参考书 北京市高等教育精品教材立项项目高等学校计算机科学与技术专业教材 操作系统OperatingSystem 孟庆昌编著电子工业出版社WJDY2004TP316mqc 参考书 操作系统 现代观点 第二版实验更新版 OperatingSystems AmodernPerspective GaryNuttAddisonWesley人民邮电出版社WJDR2003TP316nut 参考书 DistributedComputing PrinciplesandApplications 分布式计算原理与应用 AddisonWelseyM L Liu著顾铁成 王亚丽 叶保留译清华大学出版社WJDY2004TP33liu 参考书 分布式操作系统设计 何炎祥编著海洋出版社 参考书 分布式操作系统 何炎祥编著高等教育出版社 参考书 新世纪计算机专业系列教材 操作系统原理 何炎祥等编著科学出版社WJDY2004TP316hyx 参考书 操作系统高等教程 郑衍德徐良贤主编上海交通大学出版社 参考书 面向21世纪课程教材TextbookSeriesfor21stCentury 操作系统教程 原理和实例分析 孟静编著高等教育出版社2002TP316M5875 参考书 高等学校21世纪计算机教材 现代计算机操作系统 陈应明 李俊宇 梁盛伦编著冶金工业出版社WJDR2004TP316cym 参考书 UNIX高级教程系统技术内幕 UreshVahali著聊鸿斌曲广之王元鹏等译清华大学出版社PRENTICEHALL1999 第一章引论 什么是操作系统 OperatingSystem 操作系统的发展历史 操作系统的定义 操作系统没有精确的定义 它完成两种基本无关的功能 操作系统是直接控制和管理计算机硬件和软件资源 提高计算机系统的效率和方便用户的系统软件 它为应用程序和终端用户提供有用的和有效的软件环境 即操作系统在应用软件和硬件之间提供一个可用的接口 操作系统的目标 方便性 方便用户 易学易用 有效性 提高资源利用率和系统吞吐量可扩充性 模块化结构开放性 可移植性和互操作性 操作系统的作用 从用户的观点操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口从由顶向下的观点操作系统作为一个扩充的虚拟机从由底向上的观点操作系统作为一个资源管理程序 操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口 操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口的含义是 操作系统处于用户和计算机硬件系统之间 用户通过操作系统使用计算机系统 其使用接口为 命令接口 用户和操作系统的接口系统调用接口 应用程序接口 API 图形用户接口 GUI 操作系统作为一个扩充的虚拟机 通常将覆盖了软件的计算机称为扩充机或虚拟机 VirtualMachine 计算机系统资源 一个计算机系统对系统用户或其程序潜在可用的硬件和软件组成部分成为一个资源 资源分为 物理资源即是硬件资源 例如 CPU 主存 输入和输出设备 辅存 磁盘和磁带等 和内部设备 时钟 计时器 逻辑资源即是软件资源 例如 工作单元 作业或交互会晤 进程 文件 共享的程序和数据以及过程 操作系统作为一个资源管理程序 计算机资源 处理机资源存储器资源I O设备资源信息 数据和程序 资源网络设备 操作系统管理 处理机管理存储器管理I O管理文件管理网络管理 操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率的需要方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展 操作系统的特性 并行性和并发性 进程和线程的并行性和并发性 CPU和输入输出并行性 共享性 系统资源CPU 内存 辅存 I O设备 数据 或文件 操作系统发展历史 第一代 1945 1955 真空管 Vacunm 和插线面板 plugboards HarvardMarkI IBM之所以投入電腦界是由一名哈佛大學教授哈沃德 艾肯 HowardAiken 挑起的 在1936年時 當艾肯閱讀到巴倍奇和羅蕾絲夫人的報告後 開始想到可以裝配一部和分析機相似的現代機器 而這部機器不再是機械式的 而是電機式的 於是找上當時具有龐大財力與資源的IBM公司 艾肯擬出一份詳細的申請書去見華特生 當時華特生立刻撥款一百萬美元 結果HarvardMarkI在1944年誕生了 1940年二次世界大戰期間 美國積極發展電子計算工具 開始點燃這個領域的的研發動力 1944年哈佛大學與IBM合作 依據巴貝奇差分機原理 研製出一部機械電子的計算器 命名為馬克一號 MarkI 每秒可計算3次加法 每6秒可計算1次乘法 每12秒可計算1次二位數除法 雖然速度慢 但已經令人鼓舞 馬克一號 MarkI 馬克一號 MarkI 研發者 第一台數位式電腦 ABC 馬克一號研發前的1930年代末期 美國愛荷華州立大學數學教授約翰 安達索夫 JohnAtanasoff 需要一種計算裝置以執行20位碩士與博士候選人的數學運算 但查遍各種機械式計算設備後並無適合者 於是他開始著手設計 起先正如許多科學家一樣 遭遇了很多困難 最後與研究生克利弗 CliffordBerry 在1939年建造了第一台數位機器 可以運算方程式 這就是著名的ABC電腦 AtanasoffBerryComputer JohnAtanasoff教授 ABC電腦 第一部大型全電子式數位電腦 ENIAC 1946年賓州大學的JohnMauchly及J Eckert兩人 花費了40萬美元 以馬克一號為基礎研製了全球第一部全電子式數字積分電腦ENIAC ElectronicNumericIntergratorandCalculator 使用的18 000根真空管 可以在一秒內做4 500次加法運算 正式啟用後 紐約時報曾報導說 其處理數學問題的速度比以往所達到者快1 000倍 九個月後英國無線電工程師學會主席 海軍上將Mountbattem爵士談及這部機器曾說 世界上最偉大的發明 電腦 已揭開了序幕 ENIAC隨後從賓州移至馬利蘭 不但提供計算彈道表 而且還做氣象預測 原子能 宇宙光研究以及亂數研究 這部開創電子數位計算機紀元的機器於1955年10月2日關機 第一部電子數位電腦ENIAC 圖片引自puter org EDVAC與內儲程式 當美國陸軍單位要求賓州大學造一部比ENIAC更有力的電腦時 范紐曼 JohnvonNeumann 便提出了電子離散變數自動電腦 ElectronicVariableAutomaticComputer EDVAC EDVAC利用了范紐曼的內儲程式概念 storedprogramconcept 使得電腦能執行許多的任務 其力量就從原來死板變成適應力更強的資訊處理系統 范紐曼與EDVAC 圖片引自puter org UNIVAC與磁蕊 前述的ENIAC EDVAC以及其它在1940年代末期發展出來得電腦均偏向在實驗性質 主要用於科學或工程方面 有些電腦先進已明顯看出電腦的用途並不在此限 後來Eckert Mauchly兩人所合組的電腦公司研發出一套通用自動計算機 UNIVersalAutomaticComputer 簡稱UNIVAC 用於1950年的全美戶口普查 以及用來預測1952年美國總統大選 成為第一部商用電腦 UNIVAC電腦 圖片引自puter org 磁蕊core由華人王安發明 1951 另外值得一提是 在UNIVAC中所使用的記憶體 是由華人王安發明的磁蕊 magneticcore 這是一種由針頭大小形狀像甜圈圈的環所構成的設備 這些環如珠子一樣串在交錯的細金屬線上用來儲放資料 操作系统发展历史 第二代 1955 1965 晶体管 Transistors 和批系统 Batchsystems 世界上第一顆電晶體 1947 現代電晶體 積體電路晶片 IBMType701EDPM 1953 IBMType650EDPM 1954 1959年大型晶体管计算机 1959年中小型晶体管计算机 操作系统发展历史 第三代 1965 1980 集成电路 IntegratedCircuit简称IC 和多道程序设计 Multi programming 小型机 1964年4月7日很可能是電腦史上最重要的產品發表日 因為當天是IBM推出一部採用積體電路 IntegratedCircult IC IBM360系列 該機型可連接40種不同的輸入 出和輔助儲存體裝置 其主記憶體可達MB 用途可涵蓋科學 工程 商業等應用 第三代電腦先驅 採用積體電路IBM360 1964 小型机 1965年 DEC公司推出一款小而廉的電腦 稱為迷你電腦 minicomputer 並於往後十年裡 陸續推出產品並在當時電腦界佔得一席之地 操作系统发展历史 第四代 1980 个人计算机 PersonalComputer简称PC 和网络操作系统及分布式操作系统 微处理器 泰德 霍夫 TedHoff 博士他是一個在1971年把電腦處理器中的所有元件濃縮在一個微大於一平方英吋的晶片上的神奇人物 他所做的使得世界上第一個商業用的英代爾 Intel 微處理器 microprocessor 得以產生 微處理器研發者 TedHoff 第一部個人電腦 在正式文獻上 第一部商業個人電腦出現在1974年1月的PopularElectronice雜誌封面上 其名稱是MITSAltair8800 使用Intel微處理器 不過它是一部非常陽春的設備 沒有鍵盤 螢幕與儲存設備 操作時是以人工方式扳動面板上開關 觀察並記錄其燈號顯示 不過它對研發者無上的鼓舞了 第一台微電腦Altair 1975 超大规模集成电路 因著超大型積體電路 verylarge scaleintegration VLSI 製造技術不斷進步 除了使電腦體積大幅縮小 穩定性提高外 執行速度也日益增快 機型不斷推陳出新中 更大大提升人手一機的普及現象 所謂的個人電腦 筆記型電腦 掌上型電腦 也如雨後春筍般的蓬勃發展 並使得個人電腦榮登1982年Time雜誌風雲人物 個人電腦 alto 1984 个人计算机 1976年SteveJobs與SteveWoznlak兩位年青人 在家車庫中合作研製出第一部自己使用的個人電腦 命名為APPLEI 它是使用MOS6502處理器 內含8KB記憶體 雖然沒有磁碟機 機殼簡陋 使用者還得自備電源供應器 但卻熱賣了200部 後來更因一位Intel經理獨具慧眼下出資91 000美元下 共組APPLE公司 開始生產 此一車庫沒多久成為他們賺錢的金庫 後來成了頂頂大名的 蘋果電腦 SteveJobs與SteveWoznlak Apple APPLEI外形 APPLEI主機板 APPLEII外形 奠定標準的IBM個人電腦 當人提到 IBM 就我們想到電腦 但是在個人電腦上它卻遲至1981年8月12日 才正式推出了IBMPC XT機種 這台PC採用Intel8088處理器 含有256KB記憶體 後來再陸續推出80286 80386 80486 80586等機種 與 蘋果牌電腦 成為個人電腦市場中的兩大主流 IBMPC IBMPC XT IBM286 IBM386 IBM486 IBMPC IBM586 IBMPC 2003年 笔记本电脑和个人数字助理 掌上型電腦 PDA 笔记本电脑 单道批处理操作系统SimpleBatchSystem 单道作业 内存中始终只保持一道作业 批处理方式 脱机操作 单道批处理系统的处理流程 单道批处理系统的特征 自动性顺序性单道性 多道程序设计 multiprogramming 多道程序设计是指 把一个以上的作业放在内存中 并且同时处于运行状态 这些作业共享处理机 CPU 和外部设备等资源 多道程序设计的目的是提高CPU 内存和I O的利用率 充分发挥并行性 增加系统吞吐率 多道程序设计 多道程序设计 多道批处理操作系统 多道作业批处理方式 脱机操作 多道批处理操作系统的特征 多道性无序性调度性作业调度进程调度 多道批处理操作系统的优缺点 主要优点资源利用率高系统吞吐量大缺点平均周转时间长无交互能力 分时系统 TimeSharing 分时是指多个用户分享使用同一台计算机 也就是说把计算机的系统资源 特别是CPU 进行时间上的分割 即将整个工作时间分成若干时间段 每个时间段称为一个时间片 每个用户依次轮流使用时间片 分时系统的特征 多路性 一台计算机连接多台终端 每个用户通过终端可以同时使用计算机 交互性 用户通过终端可以和其进程进行会话 即交互作用 独占性 每个用户感觉自己独占着计算机系统 实时系统 实时是指对随机发生的外部事件作出及时的响应并对其进行处理 外部事件是指来自与计算机系统相连的设备所提出的服务要求和采集数据实时系统就是以这种方式工作的控制和管理系统实时系统通常包括实时过程控制和实时信息处理系统 网络操作系统 网络操作系统 NetworkOperatingSystem简称NOS 是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源 为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关协议的集合 网络操作系统的功能 网络操作系统除了通常操作系统管理功能外 还应具有以下两大功能 提供高效可靠的网络通信功能提供多种网络服务功能 如 远程登录 文件传输 电子邮件 远程打印等 计算系统 虚机 磁盘 网络接口 I O 物理设备 CPU 时钟 微程序设计 软件和硬件 ROM 机器语言 指令集 操作系统 程序语言和编译 编辑器 命令解释器 Shell CASE 金融系统 航空定票 科学与工程 游戏 裸机 系统程序 应用程序 用户 用户 用户 电源 键盘等 UNIX核心框图 现代UNIX内核 单用户系统 批系统 分时系统 Dijkstra的T H E 层次结构 实时系统 多处理机系统 局部网系统 单机计算 在互联网出现以前 计算机的使用都属于单机计算 像我们现在 在一台电脑上用已装入的应用软件 在不与其他计算机交流的情况下 完成一个操作 那么 这就是一个单机计算 单机计算速度快 安全性强 操作简单 发展到现在仍然是人们使用计算资源的一种重要方式 单机计算 现在也出现了多核计算机 用多核计算机进行的单机运算称为多核单机运算 多核单机运算的效率比单核单机计算速度快许多 但是利用率却不稳定 并行计算 并行计算这个称呼是相对于串行计算来说的 串行计算是指在具有中央处理器的单个计算机上执行一些操作 并行计算就是在多台计算机上对同一问题在同一时间进行分块操作 这样就达到了时间与空间上的并行 并行计算 并行计算是指同时使用多种计算机资源解决计算问题的过程 为了更快速地解决问题 更充分地利用计算机资源而出现的一种计算方法 并行计算在理想状态下的运行原理是 将一个即将被求解的问题分成N份 分别将分好的问题交付给N台计算机 那么 问题解决的时间就缩短为原来的l N 分布式计算 分布式计算的基本原理与并行计算是一致的 分布式计算是将世界各地成千成万的志愿者的限制计算能力综合在一起 来计算一些大型计算问题 比如 计算基因数值 计算超过1000万位的梅森质数 甚至可以用它来探索外星人是否存在 分布式计算 分布式计算是利用互联网上众多的闲置计算机能力 将其联合起来解决某些大型计算问题的一门学科 与并行计算同理 也是把一个巨大的计算机能力才能解决的问题分成很多部分 再分配给多个计算机进行处理 最终将这些结果综合起来 分布计算在两个或多个软件之间互相分享信息 这些软件可以在一台计算机上运行 也可以通过互联网在多个计算机之间运行 分布式计算 与并行计算不同的是 分布式计算所划分的任务包相互之间是独立的 某一个小任务的计算失误是不会影响其他任务包的 它将一个任务包同时交给好几个计算机同时运行 上传到服务器之后再进行比较 这样对结果进行验证 从算法的角度来看 分布式的编写一般用的是C 当然也有用Java的 不过比较偏向娱乐性质 基本不用MPI接口 并行计算用MPI或者OpenMP 分布式计算实现了稀有资源的共享 可以在多台计算机上平衡负载 也可以为程序找到最适合它的计算机 分布式计算与并行计算的异同 并行计算与分布式计算的思想都是大任务化为小任务 再交由多个计算机或者服务器执行 区别在于分布式计算的小任务块都是相互独立的 在运行的时候 一个任务块的计算错误或者未返回结果都不会影响到其他任务块 正因为分布式计算允许任务块存在计算错误 所以 每一个任务块都会交给多台计算机计算 最后比较得出准确答案 如果最后上传到服务器的结果差异太大 就对这些结果进行验证 这样做有助于任务发起者获得较为精确的结果 分布式计算与并行计算的异同 而并行计算任务块和任务块之间的关系很紧密 任务块的计算结果相互影响 所以要求每个任务块都必须绝对正确 在时间上也要求尽量同步 每一个并行计算的任务块都是必要的 没有任何浪费的分割 这对计算的准确性以及同步性要求就很高了 这一点和分布式计算也不同 因为允许存在计算错误 分布式计算就存在很多无用的数据块 网格计算 对于网格计算的定义 至今还没有一个标准的说法 欧洲核子研究组织曾对网格计算进行定义 网格计算就是通过互联网来共享强大的计算能力和数据存储能力 2000年IanFoster在 网格剖析 中写道 网格计算的本质是在动态的 多机构的虚拟组织中协调资源共享和协同解决问题 综合上面两个说法 网格计算就涉及两个方面 第一是资源共享 第二是网格本身是灵活多变的 网格计算 网格计算是专门针对复杂科学计算的新型计算模式 顾名思义 网格计算就是说它是像网格子一样的体系结构 网格是把互联网上的众多计算资源整合成一台虚拟的超级计算机 再将以CPU为主的各种资源联系在一起 从而达到资源共享的目的 网格计算就是将一个计算量庞大的 一台或几台计算机无法在短时间内完成的工作 分解成若干个小的可以在一台计算机上短时间内完成的工作 通过网络发送到联网的计算机中 让联网的计算机都帮着进行计算 最后汇总得到结果与并行与分布计算同理 只要机器间联网 就可以使用该计算方法 网格计算 并行计算 分布式计算 网格计算都有一个共同之处 就是他们都将大任务化为小任务来进行处理 网格计算的优势就在于它在你不知情的情况下就能偷偷借用一点点你的计算机的处理资源 可以说 分布式计算就是你和其他人一起组成的一个超级处理器 但是这些资源都是透明的 而网格计算则是将网内所有人的计算机组成的一个供你个人使用的超级处理器 网格计算 网格计算或网格集群是一种与集群计算非常相关的技术 网格与传统集群的主要差别是网格是连接一组相关并不信任的计算机 它的运作更像一个计算公共设施而不是一个独立的计算机 还有 网格通常比集群支持更多不同类型的计算机集合 网格计算是针对有许多独立作业的工作任务作优化 在计算过程中作业间无需共享数据 网格主要服务于管理在独立执行工作的计算机间的作业分配 资源如存储可以被所有结点共享 但作业的中间结果不会影响在其他网格结点上作业的进展