现代操作系统读书笔记--第8章 多处理系统

获得高速度的方法：1.使时钟走得更快（散热问题） 2.大规模使用并行计算机
电子部件之间的通信归根到底是在它们之间传送信息
三种模型

8.1 多处理机
两个或更多的CPU全部共享访问一个公用的RAM，运行在任何一个CPU上的程序都看到一个普通的虚拟地址空间。
通信基础：一个CPU向存储器写入数据而另一个读取这些数据
8.1.1 多处理机硬件
UMA每个处理机读出每个存储字的速度是一样的， NUMA不一样
1.基于总线的UMA多处理机体系结构

高速缓存一致性协议
2. 使用交叉开关的UMA多处理机（非阻塞）

3.使用多级交换网络的UMA多处理机（阻塞）

多级交换网络：omega网络
有几个比特位就有几级开关

4. NUMA多处理机
访问本地存储器模块快于访问远程存储器模块。
主要特性：

NC-NUMA（无高速缓存的）、CC-NUMA（有高速缓存的）
基于目录的多处理机（CC-NUMA）

5.多核芯片
摩尔定律
CPU可能不共享高速缓存但是都共享内存。
窥探：保持高速缓存一致
多核芯片时常被称为片级多处理机（CMP）与总线多处理机的区别：（1）CMP使用共享高速缓存 （2） 容错
片上系统：除了多个主CPU，还有若干个专用核。
6.众核芯片
CPU数目更多的
保持缓存一致性的问题：一致性堡垒
适用于众核编程的模型：消息传递和分布式内存。
图形处理单元（GPU）最常见的众核：擅长大量并行小规模计算，而不擅长串行任务，很难对其进行编程。
7.异构多核
在一块芯片上封装了不同类型的处理器
8.在多核上编程
当前的编程语言不适合高度并行的程序，大规模服务器集群下，需要大量处理器核的任务的。

8.1.2 多处理机操作系统类型
静态地把存储器划分成和CPU一样多地各个部分，共享操作系统代码

有四个潜在的问题
所以该模型很少使用
2.主从多处理机
操作系统的一个副本在CPU1上，其他从属CPU运行用户进程

问题：主CPU容易过载
3.对称多处理机
SMP：在存储器中有操作系统的一个副本，任何CPU都可以运行它。

问题：多个CPU同时运行操作系统 大内核锁：任一时刻只有一个CPU可运行操作系统。
操作系统容易过载 把操作系统分割成互不影响的临界区。

8.1.3 多处理机同步
任何实用的互斥信号量协议的核心都是一条特殊指令，如TSL，该指令允许检测一个存储字并以一种不可见的操作设置

TSL必须首先锁住总线，防止其他CPU访问它，然后进行存储器的读写访问，再解锁总线
TSL使用了自旋锁，高速缓存也不能很好地消除总线竞争问题。
减少总线流量方法：消除在请求一侧的所有由TSL引起的写操作、以太网二进制回退算法、让每个打算获得互斥信号量的CPU都拥有各自用于测试的私有锁变量

自旋和切换
自旋：CPU保持等待直到能够访问就绪链表
切换：CPU切换至另一线程而不是等待
使用哪种视情况而定。

8.1.4 多处理机调度
对于调度，线程是内核线程还是用户线程至关重要，若线程对内核不可见，用户线程的调度还是基于进程，而内核线程是基于线程的。
其他问题：接下来运行的线程是哪一个、线程的相关性（独立的和分组的）
1.分时
处理独立线程的算法：为就绪线程维护一个系统级的数据结构，对应不同优先级的链表集合。

智能调度、亲和调度、两级调度算法

2.空间共享
在多个CPU上同时调度多个线程称为空间共享
在任意时刻，全部CPU被静态地划分成若干个分区，每个分区都运行一个进程中地线程。

3.群调度
既可以调度时间又可以调度空间地算法
协同调度

8.2 多计算机
耦合计算机，不共享存储器，每台计算机有自己地存储器。
获得高性能的秘密是巧妙地设计互连网络以及接口卡。

8.2.1 多计算机硬件
1.互连技术
直径：任意两个节点之间的最长路路径
超立方体直径较小但是牺牲了扇出数量和大量连接数量
两种交换机制：（1） 存储转发包交换

（2）电路交换
2.网络接口

网络处理器

8.2.2 低层通信软件
1. 节点至网络接口通信
使用板上的DMA芯片直接将它们从RAM复制到板上，采用一类将页面钉住和释放的系统调用。

2.远程直接内存访问
降低延迟，一些网络接口支持远程直接内存访问技术（RMDA）

8.2.3 用户层通信软件
CPU实现通信的两种：消息传送暴露给用户进程和对用户隐藏
1.发送和接受
send和receive函数
2.阻塞调用和非阻塞调用

非同步的缺点：直到信息被送出发送者才能修改信息缓冲区，进程在传输过程中重写信息后果很可怕
解决方案：（1） 让内核复制这个信息到内部的内核缓冲区，然后让进程继续 （2）让消息发送之后中断发送者，告知缓冲区又可以使用了 （3）让缓冲区

发送端的选择：
（1）阻塞发送
（2）带有复制操作的非阻塞发送
（3）带有中断操作的非阻塞发送
（4）写时复制

弹出式线程、主动消息

8.2.4 远程过程调用
消息传递模型的缺陷：构造所有通信的范式都是输入输出
远程过程调用（RPC）：允许程序调用位于其他CPU中的过程，发出调用的过程为客户机，被调用的过程为服务器。
客户端存根、服务器端存根

实现相关的问题
1.指针参数问题
2.矢量对存根不可见
3.参数类型不是总能够推导出来
4.全局矢量

8.2.5 分布式共享存储器

DSM

1.复制
（1）复制只读页面
（2）不仅复制只读页面，而且复制所有的页面
2.伪共享
DSM页面较大
优点：减少了传输次数
缺点：阻塞其他进程、伪共享

3. 实现顺序一致性
可写页面的复制是关键

8.2.6 多计算机调度
多处理机所有进程在同一个存储器中，多计算机每个节点有其自己的存储器和进程集合
多处理机调度与多计算机的算法有所不同

8.2.7 负载平衡
处理器分配算法：怎样以最有效的方式把进程分配到各个节点。

1.图论确定算法
以最小的网络流量完成分配工作
在特定的限制条件下，寻找一个将图分割为k个互不相连的子图的方法，寻找紧耦合的蔟，并且与其他的蔟有较少的交互

2.发送者发起的分布式启发算法
负载较重的节点试图甩掉超额的工作

3.接收者发起的分布式启发算法
只要一个进程结束，系统就检查是否有足够的工作可做。

或者两种算法结合起来。

8.3 分布式系统
每个节点都有自己的私有存储器，整个系统中都有自己的私有存储器。
对比

中间件:面对不同硬件和操作系统实现统一性。

8.3.1 网络硬件
网络类型：LAN（局域网）、WAN（广域网）
1.以太网
最早使用插入式分接头，许多计算机连接到同一根电缆上。冲突问题用二进制指数回退算法解决
利用桥连解决最大电缆
用交换机避免碰撞问题

2.因特网
Internet包括了两类主机：主机和路由器

8.3.2 网络服务和协议
1.网络服务
面向连接和不面向连接两种服务
服务质量
面向连接的服务两种变种：消息序列和字节流
不可靠的无连接服务：数据报服务
请求应答服务

1. 网络协议
   用于特定计算机通信的规则集合称为协议
   协议栈
   分布式系统关键协议：TCP、IP
   利用DNS代替复杂的IP地址
   

8.3.3 基于文件的中间件
使一个分布式系统看起来像一个巨大的、超链接的集合
web页面、超链接、web浏览器、URL

8.3.4 基于文件系统的中间件
使一个分布式系统看起来像是一个大型文件系统
1.传输模式
上传/下载模式VS远程访问模式

2.目录层次
问题：是否所有的用户都拥有该目录层次的相同视图。

3.命名透明性
位置透明性：路径名没有隐含文件所在的位置的信息。
位置独立性：文件移动时文件的名称不会随之改变。
文件和目录命名的方式：

4.文件共享的语义
顺序一致性：系统强调所有的系统调用有序，而且所有的处理器都看到相同的顺序。

会话语义：在一个打开文件上所进行的修改，最初仅对进行这些操作的进程是可见的，只有在该文件关闭之后，这些修改才对其他进程可见。

8.3.5 基于对象的中间件
指的是基于运行时刻的对象而不是语言级的对象
CORBA
ORB、IDL、对象适配器

8.3.6 基于协作的中间件
1.Linda
元组空间
四种操作：out、in、read、eval

2.发布/订阅
每个进程可以是一个信息生产者、消费者或两者都是

8.4 有关多处理机系统的研究
8.5 小结

最后

以上就是大方台灯为你收集整理的现代操作系统读书笔记--第8章 多处理系统的全部内容，希望文章能够帮你解决现代操作系统读书笔记--第8章 多处理系统所遇到的程序开发问题。

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