- •1. Понятие ос
- •2. Функции ос
- •3. Классификация ос
- •4. Загрузка программ
- •5. Управление оперативной памятью
- •6. Открытая память
- •7. Алгоритмы динамического управления памятью
- •8. Системы с базовой виртуальной адресацией
- •9. Сегментная и страничная виртуальная память
- •10. Страничный обмен
- •11. Параллельное и псевдопараллельное исполнение (планировщик)
- •12. Методы синхронизации при параллельной работе
- •13. Прерывания, сигналы и семафоры
- •14. Блокировка участков файлов
- •15. Гармонически взаимодействующие последовательные процессы
- •16. Межзадачное взаимодействие
- •17. Средства для гармонического межпроцессного взаимодействия
- •18. Трубы. Линки
- •19. Системы управляемые событиями
- •20. Многопроцессность на однопроцессных компьютерах
- •21. Кооперативная многопроцессность и вытесняющая многопроцессность
- •22. Планировщики с приоритетом
- •23. Монолитные системы и системы с микроядром
- •24. Драйверы внешних устройств и функции драйверов
- •25. Синхронный ввод/вывод в однозадачных и многозадачных системах
- •26. Асинхронный ввод/вывод
- •27. Дисковый кэш и спулинг
- •28. Файловые системы
- •29. Структуры файловых систем
- •30. Устойчивость фс к сбоям
- •31. Безопасность. Идентификация пользователя. Права доступа
- •32. Защита оперативной памяти. Кольца защиты
- •33. Взаимно недоверяющие подсистемы
- •34. Пользовательский интерфейс
- •35. Определение операционной системы
- •37. Структура сетевой ос (одноранговые, с выделенными серверами, для рабочих групп и ос для сетей масштаба предприятия)
- •38. Управление процессами (состояние, контекст и дескриптор процесса)
- •39. Алгоритмы планирования процессов (вытесняющие и невытесняющие)
- •40. Средства синхронизации и взаимодействия процессов. Нити исполнения
- •41. Управление памятью. Типы адресов
- •42. Методы распределения памяти без использования дискового пространства (разделы фиксированные, переменной величины и перемещаемые)
- •43. Методы распределения памяти с использованием дискового пространства (виртуальная память, страничное, сегметное, странично-сегментное распределение)
- •44. Иерархия запоминающих устройств (может быть исключён). Принцип кэширования данных
- •45. Аппаратная поддержка управления памятью и многозадачной среды
- •46. Средства поддержки сегментации памяти
- •47. Управление вводом-выводом. Физическая организация устройств ввода-вывода
- •48. Обработка прерываний. Драйверы устройств
- •49. Управление вводом-выводом. Независимый от устройств слой операционной системы
- •50. Пользовательский слой программного обеспечения
- •51. Фс. Имена файлов. Типы файлов.
- •52. Фс. Логическая и физическая организация файлов
- •53. Современные архитектуры фс (Олифер)
- •54. Фс. Отображаемые в память файлы
- •55. Управление распределёнными ресурсами. Способы адресации
- •56. Базовые примитивы передачи сообщений в распределённых системах
- •57. Синхронизация в распределённых системах. Логические часы. Взаимные исключения. Неделимые транзакции
- •58. Процессы и нити в распределённых системах. Понятие нити. Вопросы реализации нитей.
- •59. Распределённые фс. Интерфейсы файлового сервиса и сервиса каталогов
- •60. Распределённые фс. Семантика разделения файлов. Вопросы разработки структуры фс.
- •61. Распределённые фс. Кэширование. Репликация
- •1. Сквозная запись.
- •62. Основные подходы к реализации взаимодействия в гетерогенных сетях
- •63. Шлюзы. Мультиплексирование стеков протоколов в гетерогенных сетях
- •66. Расширяемость, переносимость, совместимость и безопасность современных ос
- •67. Структура ос: монолитные системы, многоуровневые системы
- •68. Структура ос: модели клиент-сервер и микроядра
- •69. Структура ос: объектно-ориентированный подход
- •70. Структура ос: множественные прикладные среды
57. Синхронизация в распределённых системах. Логические часы. Взаимные исключения. Неделимые транзакции
Синхронизация необходима процессам для организации совместного использования ресурсов (файлы, устройства), а также для обмена данными.
Общие методы (семафоры, мониторы) не совсем подходят для распределённых систем, т.к. они основываются на использовании разделяемой оперативной памяти.
Алгоритм синхронизации логических часов
В распределенной системе каждый процессор имеет собственные часы со своей точностью хода. Поэтому программы, использующие время, становятся зависимыми от того, часами какого компьютера они пользуются. В распределенных системах синхронизация физических часов (показывающих реальное время) является сложной проблемой, но с другой стороны очень часто в этом нет никакой необходимости: то есть процессам не нужно, чтобы во всех машинах было правильное время, для них важно, чтобы оно было везде одинаковое, более того, для некоторых процессов важен только правильный порядок событий. В этом случае мы имеем дело с логическими часами.
Если два произвольных события происходят в разных процессах на разных машинах, и эти процессы не имеют между собой никакой связи, то нельзя сказать с полной определенностью, какое из событий произошло раньше, а какое позже.
Алгоритм Лэмпорта:
На (а) – реальное время, (б) – алгоритм синхронизации. Каждое сообщение несёт время своего отправления по часам машины-отправителя.
Взаимные исключения
Системы, состоящие из нескольких процессов, часто легче программировать, используя так называемые критические секции. Когда процессу нужно читать или модифицировать некоторые разделяемые структуры данных, он входит в критическую секцию, чтобы обеспечить себе исключительное право использования этих данных, при этом он уверен, что никакой процесс не будет иметь доступа к этому ресурсу одновременно с ним. Это называется взаимным исключением. В однопроцессорных системах критические секции защищаются семафорами, мониторами и другими аналогичными конструкциями.
В распределённых системах используются такие алгоритмы как централизованный, распределённый, Token Ring.
Неделимые транзакции
Один процесс объявляет, что он хочет начать транзакцию с одним или более процессами. Они могут некоторое время создавать и уничтожать разные объекты, выполнять какие-либо операции. Затем инициатор объявляет, что он хочет завершить транзакцию. Если все с ним соглашаются, то результат фиксируется. Если один или более процессов отказываются (или они потерпели крах еще до выработки согласия), тогда выполняется полный откат.
Транзакции обладают следующими свойствами:
1) Упорядочиваемость гарантирует, что если две или более транзакции выполняются в одно и то же время, то конечный результат выглядит так, как если бы все транзакции выполнялись последовательно в некотором (в зависимости от системы) порядке.
2) Неделимость означает, что когда транзакция находится в процессе выполнения, то никакой другой процесс не видит ее промежуточные результаты.
3) Постоянство означает, что после фиксации транзакции никакой сбой не может отменить результатов ее выполнения.
***
Рассмотрим некоторые подходы к реализации механизма транзакций.
В соответствии с первым подходом, когда процесс начинает транзакцию, то он работает в индивидуальном рабочем пространстве, содержащем все файлы и другие объекты, к которым он имеет доступ. Пока транзакция не зафиксируется или не прервется, все изменения данных происходят в этом рабочем пространстве, а не в "реальном", под которым мы понимаем обычную файловую систему. Главная проблема этого подхода состоит в больших накладных расходах по копированию большого объема данных в индивидуальное рабочее пространство, хотя и имеются несколько приемов уменьшения этих расходов.
Второй общий подход к реализации механизма транзакций называется списком намерений. Этот метод заключается в том, что модифицируются сами файлы, а не их копии, но перед изменением любого блока производится запись в специальный файл - журнал регистрации, где отмечается, какая транзакция делает изменения, какой файл и блок изменяется и каковы старое и новое значения изменяемого блока. Только после успешной записи в журнал регистрации делаются изменения в исходном файле. Если транзакция фиксируется, то и об этом делается запись в журнал регистрации, но старые значения измененных данных сохраняются. Если транзакция прерывается, то информация журнала регистрации используется для приведения файла в исходное состояние, и это действие называется откатом.
В распределенных системах фиксация транзакций может потребовать взаимодействия нескольких процессов на разных машинах, каждая из которых хранит некоторые переменные, файлы, базы данных. Для достижения свойства неделимости транзакций в распределенных системах используется специальный протокол, называемый протоколом двухфазной фиксации транзакций. Хотя он и не является единственным протоколом такого рода, но он наиболее широко используется.
Суть этого протокола состоит в следующем. Один из процессов выполняет функции координатора (рисунок 3.8). Координатор начинает транзакцию, делая запись об этом в своем журнале регистрации, затем он посылает всем подчиненным процессам, также выполняющим эту транзакцию, сообщение "подготовиться к фиксации". Когда подчиненные процессы получают это сообщение, то они проверяют, готовы ли они к фиксации, делают запись в своем журнале и посылают координатору сообщение-ответ "готов к фиксации". После этого подчиненные процессы остаются в состоянии готовности и ждут от координатора команду фиксации. Если хотя бы один из подчиненных процессов не откликнулся, то координатор откатывает подчиненные транзакции, включая и те, которые подготовились к фиксации.
Выполнение второй фазы заключается в том, что координатор посылает команду "фиксировать" (commit) всем подчиненным процессам. Выполняя эту команду, последние фиксируют изменения и завершают подчиненные транзакции. В результате гарантируется одновременное синхронное завершение (удачное или неудачное) распределенной транзакции.