分布式 系统 存储 数据库 云计算 (2)
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分布式操作系统
Logical Time and Multicast Communication
分布式操作系统中进程同步
• 在单机条件下，诸进程运行于同一个处理机和内 存环境中，进程通信十分简单。进程之间可以借 助于“共享存储器”进行直接通信。而在多机条 件下，相互合作的进程可能在不同的处理机上运 行，进程间的通信涉及处理机的通信问题。在松 散耦合系统中，进程间通信还可能要通过较长的 通信信道，甚至网络。因此，在多机条件下，广 泛采用间接通信方式，即进程间是通过消息进行 通信的。在分布式操作系统中，为了实现进程的 同步，首先要对系统中发生的事件进行排序，还 要有良好的分布式同步算法。
逻辑时钟
• 逻辑时钟（又叫timestamping时间戳）， 它指能为系统中的所有活动赋予一个编 号机制，它可以利用一个本地计数器来 实现。 • 逻辑时钟的实质：把一个系统中的事件 映射到一个正整数集合上的一个函数C， 并满足：若事件a先发生与事件b, 则C(a)小于C(b)。 C(a)和C(b)分别是a和 b所对应的逻辑时钟函数值。系统中每个 进程都拥有自己的逻辑时钟。
• (4):如果两个事件x和y发生在不同进程中，而且 这两个进程也不交换信息，那么x→y和 y→x都不成立，这两个事件就称为并发事件， 简单的说，无法确定这两个事件谁先谁后。
• 例如：有三个进程p1,p2和p3,它们分别发生以 下事件： • 事件a:p1发送消息给p2; • 事件b:p2接收来自p1的消息； • 事件c:p2接收到p1的消息后发消息给p3; • 事件d:p3接收来自p2的消息； 显然，我们有：a→b→c→d; 然而，如果假设p2在事件b之前发生过某事件f， 例如，打印输出，尽管可以确定： f→b,f→c,f→d这些关系，但a和f之间的先后 关系是无法确定的。
分布式同步算法
• 采用完全分布式管理方式时，每个资源由位于 不用结点上的资源管理共同来管，每个资源管 理在决定分配它管理的资源以前，必须和其他 资源管理者协商，对于由各计算机共享和互斥 使用的各种资源，都要采用这种管理模式。因 此，采用这种管理方式时必须设计一个算法， 各资源管理者按此算法共同协商资源的分配。
• 先定义一个关系称作“先发生”，表达为 “a→b”读作“a在b之前发生”，意思是指 系统中所有进程认为事件a先于事件b发生， 有两三种情况会产生“先发生”关系： (1):如果a和b是同一进程中的两个事件，且a 发生在b之前，则a→b为真。 (2)：如果a是一个进程发送消息事件，b为 另一个进程接受该消息事件，则a→b为真。 (3):存在某个事件c，若有则a→c并且 • 则 c→b,则a→b为真.
事件排序
• 进程同步的实质是对多个进程在执行顺序上的 规定，为此，应对系统中所发生的事件进行排 序。1978年Lamport提出不使用物理时钟，而 对分布式系统中所发生的事件进行排序的方法。 Lamport指出时钟同步不需要绝对同步。如果 两个进程是无关的，那么，它们的时钟根本无 需同步。而且对于相交进程来说，通常没有必 要让进程在绝对时间上完全一致，而只要限定 它们执行的先后次序一致就行了。
• 这个算法应满足：资源分配的互斥性、 不产生饿死现象、且各资源管理者处于 平等地位而无主控者。通常把这种资源 分配算法称分布式同步算法，由同步算 法构成的机制称分布式同步机制。
• 垂直方向代表空间，水平方向代表时间， 带标志的水平线代表进程（process），带 标志的点代表事件，带箭头的线代表消息 (message)。
令牌传送法
• 为实现进程互斥，在系统中可设置令牌 （token），表示存取权力。令牌本身是一种 特殊格式的报文，通常只有一个字节的长度， 它不断地在由进程组成的逻辑环（logical ring） 中循环。环中的每一个进程只有唯一的前驱者 （prodecessor）和唯一的后记者 （successor）。当环路中的令牌循环到某个 进程并被接收时，如果该进程希望进入临界区， 它便保持该令牌，进入临界区。一旦它退出临 界区，再把令牌传送给后继进程。如果接收到 令牌的进程并不要求进入临界区，便直接将令 牌传送给后继进程。由于逻辑环中只有一个令 牌，因此也就实现了进程的互斥。
事件排序问题
• 在单处理机系统及紧密耦合的多处理机系统中， 由于共有一种时钟又共享存储器，确定两个事 件的先后次序比较容易。 • 而在分布式系统中，既无共用时钟，又无共享 存储器，自然也就难于确定两个事件发生的先 后次序了。进程之间通过网络通信联系，时间 消息通过网络传递后也会有延迟，可能资源管 理程序接到不同机器上的进程同时发来的资源 申请，可是先接到的申请的提出时间，很可能 晚于后接到的申请的提出时间。所以，必须先 要解决对不同计算机中发生的事件进行排序问 题，然后，在设计出性能优越的分布式同步算 法。
• 使用令牌时，必须满足以下两点要求： （1）逻辑环应该具有及时发现环路中某进程失效或退出， 以及通信链路故障的能力。一旦发现上述情况，应立即 撤消该进程，或重构逻辑环。 （2）必须保证逻辑环中，在任何时候都有一个令牌在循 环，一旦发现令牌丢失，应立即选定一个进程产生新令 牌。利用令牌传送法实现互斥，所需要的消息数目是不 定的。因为，不管是否有进程要求进入其临界区，令牌 总是在逻辑环中循环，当逻辑环中所有进程都要求进入 临界区时，平均每个进程访问临界区只需要一个消息。 但如果在令牌循环一周的时间内，只有一个进程要求进 入临界区，则等效地需要N个消息（N是逻辑环中进程 数）。即使无任何进程要进入临界区，仍需不断的传输 令牌。另一方面，在令牌传送法中，存在着自然的优先 级关系，即上游站具有更高的优先级，它能够优先进入 临界区。就好象FCFS队列一样，环路中的进程可依次进 入自己的临界区，因而不会出现饥饿现象。
逻辑时钟
• 上述定义反之不成立，因为两个并发事 件的逻辑时钟的大小没有定义，所以， 逻辑时钟小的不见得先发生。。
来自百度文库
• 形式(m,V ,i)(其中，m为消息内容，V为 该消息的向量时钟，i为结点编号)。
• 基于传送的假定，通道可以分为： F I F O （先进先出）、因果顺序传送和随机顺序传送。 • FIFO:如果一个通道保持通过它发送的消息的 顺序 • 因果顺序传送：假设进程P1和P2分别在事件e1 和e2中给进程P3发送消息m1和m2。如果e1在 e2之前发生，则进程P3在接收m2之前接收m1。 • 随机顺序传送的通道没有限制。 • 在没有明确说明给定通道的类型时，我们都假 设它是F I F O通道。
Logical Time and Multicast Communication
分布式操作系统中进程同步
• 在单机条件下，诸进程运行于同一个处理机和内 存环境中，进程通信十分简单。进程之间可以借 助于“共享存储器”进行直接通信。而在多机条 件下，相互合作的进程可能在不同的处理机上运 行，进程间的通信涉及处理机的通信问题。在松 散耦合系统中，进程间通信还可能要通过较长的 通信信道，甚至网络。因此，在多机条件下，广 泛采用间接通信方式，即进程间是通过消息进行 通信的。在分布式操作系统中，为了实现进程的 同步，首先要对系统中发生的事件进行排序，还 要有良好的分布式同步算法。
逻辑时钟
• 逻辑时钟（又叫timestamping时间戳）， 它指能为系统中的所有活动赋予一个编 号机制，它可以利用一个本地计数器来 实现。 • 逻辑时钟的实质：把一个系统中的事件 映射到一个正整数集合上的一个函数C， 并满足：若事件a先发生与事件b, 则C(a)小于C(b)。 C(a)和C(b)分别是a和 b所对应的逻辑时钟函数值。系统中每个 进程都拥有自己的逻辑时钟。
• (4):如果两个事件x和y发生在不同进程中，而且 这两个进程也不交换信息，那么x→y和 y→x都不成立，这两个事件就称为并发事件， 简单的说，无法确定这两个事件谁先谁后。
• 例如：有三个进程p1,p2和p3,它们分别发生以 下事件： • 事件a:p1发送消息给p2; • 事件b:p2接收来自p1的消息； • 事件c:p2接收到p1的消息后发消息给p3; • 事件d:p3接收来自p2的消息； 显然，我们有：a→b→c→d; 然而，如果假设p2在事件b之前发生过某事件f， 例如，打印输出，尽管可以确定： f→b,f→c,f→d这些关系，但a和f之间的先后 关系是无法确定的。
分布式同步算法
• 采用完全分布式管理方式时，每个资源由位于 不用结点上的资源管理共同来管，每个资源管 理在决定分配它管理的资源以前，必须和其他 资源管理者协商，对于由各计算机共享和互斥 使用的各种资源，都要采用这种管理模式。因 此，采用这种管理方式时必须设计一个算法， 各资源管理者按此算法共同协商资源的分配。
• 先定义一个关系称作“先发生”，表达为 “a→b”读作“a在b之前发生”，意思是指 系统中所有进程认为事件a先于事件b发生， 有两三种情况会产生“先发生”关系： (1):如果a和b是同一进程中的两个事件，且a 发生在b之前，则a→b为真。 (2)：如果a是一个进程发送消息事件，b为 另一个进程接受该消息事件，则a→b为真。 (3):存在某个事件c，若有则a→c并且 • 则 c→b,则a→b为真.
事件排序
• 进程同步的实质是对多个进程在执行顺序上的 规定，为此，应对系统中所发生的事件进行排 序。1978年Lamport提出不使用物理时钟，而 对分布式系统中所发生的事件进行排序的方法。 Lamport指出时钟同步不需要绝对同步。如果 两个进程是无关的，那么，它们的时钟根本无 需同步。而且对于相交进程来说，通常没有必 要让进程在绝对时间上完全一致，而只要限定 它们执行的先后次序一致就行了。
• 这个算法应满足：资源分配的互斥性、 不产生饿死现象、且各资源管理者处于 平等地位而无主控者。通常把这种资源 分配算法称分布式同步算法，由同步算 法构成的机制称分布式同步机制。
• 垂直方向代表空间，水平方向代表时间， 带标志的水平线代表进程（process），带 标志的点代表事件，带箭头的线代表消息 (message)。
令牌传送法
• 为实现进程互斥，在系统中可设置令牌 （token），表示存取权力。令牌本身是一种 特殊格式的报文，通常只有一个字节的长度， 它不断地在由进程组成的逻辑环（logical ring） 中循环。环中的每一个进程只有唯一的前驱者 （prodecessor）和唯一的后记者 （successor）。当环路中的令牌循环到某个 进程并被接收时，如果该进程希望进入临界区， 它便保持该令牌，进入临界区。一旦它退出临 界区，再把令牌传送给后继进程。如果接收到 令牌的进程并不要求进入临界区，便直接将令 牌传送给后继进程。由于逻辑环中只有一个令 牌，因此也就实现了进程的互斥。
事件排序问题
• 在单处理机系统及紧密耦合的多处理机系统中， 由于共有一种时钟又共享存储器，确定两个事 件的先后次序比较容易。 • 而在分布式系统中，既无共用时钟，又无共享 存储器，自然也就难于确定两个事件发生的先 后次序了。进程之间通过网络通信联系，时间 消息通过网络传递后也会有延迟，可能资源管 理程序接到不同机器上的进程同时发来的资源 申请，可是先接到的申请的提出时间，很可能 晚于后接到的申请的提出时间。所以，必须先 要解决对不同计算机中发生的事件进行排序问 题，然后，在设计出性能优越的分布式同步算 法。
• 使用令牌时，必须满足以下两点要求： （1）逻辑环应该具有及时发现环路中某进程失效或退出， 以及通信链路故障的能力。一旦发现上述情况，应立即 撤消该进程，或重构逻辑环。 （2）必须保证逻辑环中，在任何时候都有一个令牌在循 环，一旦发现令牌丢失，应立即选定一个进程产生新令 牌。利用令牌传送法实现互斥，所需要的消息数目是不 定的。因为，不管是否有进程要求进入其临界区，令牌 总是在逻辑环中循环，当逻辑环中所有进程都要求进入 临界区时，平均每个进程访问临界区只需要一个消息。 但如果在令牌循环一周的时间内，只有一个进程要求进 入临界区，则等效地需要N个消息（N是逻辑环中进程 数）。即使无任何进程要进入临界区，仍需不断的传输 令牌。另一方面，在令牌传送法中，存在着自然的优先 级关系，即上游站具有更高的优先级，它能够优先进入 临界区。就好象FCFS队列一样，环路中的进程可依次进 入自己的临界区，因而不会出现饥饿现象。
逻辑时钟
• 上述定义反之不成立，因为两个并发事 件的逻辑时钟的大小没有定义，所以， 逻辑时钟小的不见得先发生。。
来自百度文库
• 形式(m,V ,i)(其中，m为消息内容，V为 该消息的向量时钟，i为结点编号)。
• 基于传送的假定，通道可以分为： F I F O （先进先出）、因果顺序传送和随机顺序传送。 • FIFO:如果一个通道保持通过它发送的消息的 顺序 • 因果顺序传送：假设进程P1和P2分别在事件e1 和e2中给进程P3发送消息m1和m2。如果e1在 e2之前发生，则进程P3在接收m2之前接收m1。 • 随机顺序传送的通道没有限制。 • 在没有明确说明给定通道的类型时，我们都假 设它是F I F O通道。