第三章分布式协同处理

P0
P1
P2
请求 OK
C
协调器 a)
P0
P1
P2
请求 无回应
C
2
P0
P1
P2
释放 OK
C
b)
c)
集中式算法
3.2.3 分布式算法(Lamport算法)
第一个分布式方法是由Lamport[1978]提出 的。 算法的工作过程如下。
进程要进入临界区时，建立一个包含临界区名， 进程号和当前时间的消息。然后将该消息发送给 其他所有进程，概念上说也包括发送消息的进程 本身。每个进程管理一个请求队列。
第3章 分布式协同处理
3.1 时间定序与时戳 3.2 分布式互斥算法 3.3 选择算法
3.1 时间定序与时戳
3.1.1分布式算法的基本特征
在集中式方案中，一个场点被指定为中央控制场 点，由它来控制对共享资源的存取。每当一个场点希 望存取一共享对象时，它就向该中央场点发一请求消 息。当所指共享对象可供某场点使用时，控制场点就 回送一个“可以访问”的消息给它。这种方案的弱点 是中央控制场点可能变成瓶颈，而且一旦它故障，整 个系统就崩溃了。可见，一个集中式算法具有两个明 显的特点：
若下面两个条件满足，则时钟条件成立：
条件1：对于进程pi中的两个事件a和b，若a b则有 Ci(a) < Ci(b)；
条件2：若a是进程pi发送消息的事件，b是进程pj接收 同一消息的事件，则有Ci(a) < Cj(b)
若按下面方法实现这种逻辑时钟，则上述两条件 可以满足：
⑴进程pi在其任何两个相继的事件之间使Ci增值； ⑵若事件a表示进程pi中发送消息m的事件，则发 送消息m的事件就附有时间戳Tm＝Ci(a)； ⑶若事件b是进程pj(i j)中接收消息m的事件，pj 就置Cj(b)之值为Cj(b) = max(Cj,Tm)+1
发送进入临界区的请求消息后，进程就坐等其他 进程的许可消息。一但它得到所有进程的许可， 就可以进入临界区了。进程退出临界区时，向在 该进程的队列中的所有进程发送OK消息，并从队 列中删除这些进程。
3.1.2 分布式系统中的事件定序方法
由于没有公共的时钟如何定序分布式系统中的 事件呢？因为进程本身具有顺序性，所以在单个进 程中的事件是按时间完全定序的。此外，根据因果 法则我们可以假定”发送”一个消息的事件发生在 “接收”同一消息的事件之前。
以上两点自然给系统中的事件提供了一个偏序，称之为 HappenedBefore关系（筒称HB），并用“”表示， 其定义如下：
个关系，从而实现整个系统中的事件定序。
现假定，对每个进程pi，有一个与其相关的逻辑时钟 Ci，赋给进程pi中事件a的逻辑时钟之值即Ci(a)。这种逻 辑时钟可用一个计数器实现。若用C表示系统的逻辑时钟， 则为使系统的逻辑时钟C能正确的计值，下面的条件应成 立：
时钟（clock）条件：对系统中的任何事件a和b，若a b，则C(a)<C(b)。
⑴a b
①若a和b是同一进程中的两个事件，且a在b前发生；或 者，
②若a是一进程中发送消息的事件，且b是另一进程中接 收同一消息的事件。
⑵该关系是转移的，即若a b且b c，则有a c。
⑶该关系是非自反的。
⑷若两个不同的事件之间不存在这种关系，即(a b) 且(b a)，则a和b称为并发事件。因而，它们可以并 发执行。
分布式系统中实现互斥最直接的方法 就是Байду номын сангаас拟单处理器系统的互斥方法。选择一 个进程作为协调者（即运行在最高网址的机 器上的某个进程）。某个进程要进入临界区 时，向协调者发请求信息，指出它要进入临 界区，然后等待协调者的许可。如果当前没 有其他进程在该临界区中，协调者就返回一 个许可消息，请求信息的进程接收到许可响 应后，就进入临界区，否则就要等待。如下 图所示
⑴只有一个中央控制场点在进行决策； ⑵所有必要的信息都集中在该中央控制场点上。
与之相反，一个分布式算法的基本特征是： ⑴所有的场点都有差不多同等数量的信息； ⑵所有的场点都是根据本地信息来进行决策的； ⑶所有的场点对最终的决策都负有同等的责任； ⑷所有的场点在影响最终决策时都付出了同等的努力； ⑸算法具有强健性，系统的局部故障不影响算法的有 效性。 实际上，不管分布的程度和方式如何，对所有的分布 式算法都有如下两种基本的假定。 假定1每个场点只是整个系统的一部分，且决策都是 根据本地信息进行的； 假定2不存在全系统范围内的公共时钟。
可以证明下列结果： ⑴若a b，则一定不成立b a。 ⑵若a b，则a b。 ⑶若a b，b c则a c。
3.2 分布式互斥算法
分布式互斥的几点要求： （1）安全性 （2）可用性 （3）定序
3.2.1 分布式互斥算法的基本假定
分布式算法有如下的基本假定： ⑴一个分布式系统由n个场点组成，它们从1到n唯
我们称进程pi中的事件a先于进程pj中的事 件b（以a b表示）当且仅当 ⑴Ci(a) < Cj(b)；或 ⑵Ci(a) = Cj(b)，且pi pj，其中关系“” 是进程的一个任意偏序。
实现关系“”的一个简单方法是给系统中 每个进程赋以一个唯一的进程号，且规定： 若i < j，则pi pj。
假定2是一个主要的制约，因为能确定 出事件发生的先后次序是极其重要的，它 是计算系统中的一个基本概念。例如，在 进行资源分配时，通常规定仅当某资源已 经释放之后才可再次使用它。在分布式系 统中，由于没有公共时钟，所以直接说某 事件在另一事件之前或之后发生是不严格 的。为了确定设计分布式算法的牢固基础， 我们必须寻求一种在全分布式系统范围内 进行事件定序的方法。
并发和HB关系可用图示加以说明，如图3.1所示，
例如，图中某些事件的HB 关系是：
p1 q2
r0 q4
q3 r1 p1 q4（因为p1 q2且q2 q4） 图中的某些并发事件是： q0和p2 r0和q3 r0和p3 q3和p3
图3.1 三个并发进程的相对时间
因此，引进一个系统的逻辑时钟，用它的值来反映这
一地编号，每个场点含有一个进程，而且进程和场点 间存在一一对应的关系。
⑵流水线（pipeline）特性成立，即从一个进程发 送给另一进程的消息是按它们发送的次序接收的。
⑶每条消息在有穷时间间隔内都能正确地转移到它 的目的地。
⑷系统是全互连的，因而每个进程都可直接给其它 的进程发送消息。
3.2.2集中式算法