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分布式系统论文分布式操作系统论文摘要：分布式操作系统中多任务的分配以及任务调度、负载均衡是实现的难点，其中进程和线程是实现任务执行和分配最重要的概念之一。如何在分布式系统中实现进程与线程的创建以及信息之间的交互是分布式系统设计至关重要的部分。通过对传统操作系统中进程和线程的实现机理以及比较，进一步论述在分布式操作系统中，如何实现多任务分配，如何在不同主机的进程间进行分配以及进行负载均衡。关键词：分布式系统；多任务调度；进程；线程；负载均衡multi-task assignment and process/thread adjustment in distribution systemyao dong(beijing university of posts and telecommunications,beijing100083,china)abstract:distributed multi-task operating system distribution and task scheduling,load balancing is difficult to achieve,which processes and threads to achieve the task execution and distribution of one of the most important concepts.how to implement a distributed system processes and threads created,and the interaction between the information is a vital part of distributed system design.on the traditional operating system processes and threads and to compare the realization of the mechanism,further discussed in the distributed operating system,how to multi-task allocation,how the different distribution among the host of the process as well as load balancing.keywords:distributed system;multi-task scheduling;process;thread;load balancing一、引言分布式系统是计算机发展的一个大趋势，目前云计算、云存储的概念已经逐渐落地，实际上云计算就是分布式系统的一种实现。在分布式系统中，进程（在很多操作系统中也称为任务）是十分重要的概念，是实现任务调度与执行的关键，而线程是轻量级的进程，在响应速度与执行效率上相比进程有很大的改进。在分布式系统中如何实现多任务执行，如何在分布的主机以及cpu上进行创建和分配，涉及到调度策略。另外，如何实现分布式系统中进程间以及线程间的通信，也是需要重点考虑的问题。并且关乎分布式系统执行的效率和效果。我在对分布式操作系统的研究和学习中发现，许多传统单机操作系统的概念实际上是可以沿用的，但是由于分布式系统自身的特性决定了，这些概念的复用是需要根据分布式系统进行调整和完善的。希望通过本文对传统进程与线程的简单分析和比较，从而探讨如何在分布式环境中进行进程与线程的创建与调度，如何在分布式环境中对多任务进行负载均衡。二、进程与线程现代操作系统最基本的构件就是进程。进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小独立运行单位，操作系统的各种活动都与进程有关。每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它系统资源组成。进程在运行时创建的资源随着进程的终止而死亡。传统的unix进程概念在开发分布式系统应用时已力不从心，这些问题的最好解决之道就是线程，线程推广了进程的概念使一个进程可以包含多个活动。如今，由于线程概念的普及，在unix系统中已经普遍实现了线程机制，开发并发应用的程序员现在也可以广泛接触到线程的函数库了。在传统的unix模型中，当一个进程需要由另一个实体来执行某件事情时，它就fork一个子进程，让子进程去进行处理。尽管这种模式已经成功使用了很多年，但是仍然暴露出以下问题：fork开销很大。内存映像需要从父进程拷贝到子进程，所有描述字要在子进程中复制一份，等等。当前的系统实现使用一种称为写时拷贝（copy-on-write）的技术，可以避免父进程数据一开始就向子进程拷贝，直到子进程确实需要自己的拷贝为止。尽管有这种优化技术，但fork的开销仍然很大。fork子进程后，需要用进程间通信（ipc）在父子进程间传递信息。fork之前由父进程准备好的数据很容易传递，因为子进程是从父进程的数据空间及所有描述字的一个拷贝开始的，但是从子进程返回信息给父进程却颇费周折。线程有助于解决这两个问题。线程有时称为轻权进程，因为线程比进程“权轻”。也就是说，创建线程可能比创建进程快10-100倍：在一个已存在的进程中创建一个线程比创建一个新进程开销更小。创建新的进程需要进行内存的拷贝操作，这就额外的增加了系统负担，而线程则不需要这个拷贝过程。不过由于现在的操作系统的实现是仅仅当内存需要改变的时候才拷贝改动的部分，所以这里的影响相对还是比较小的。线程通常用在需要比较好的同步操作的场合。例如，某个问题可以分解为多个几乎对等同步处理的任务的话，则是用线程是很好的选择。进程则适合应用在不需要严格的同步的场合。线程之间共享数据很方便，因为不同的线程本来就是共享同样的存储空间。而不同进程之间共享数据则需要使用一些ipc机制，例如管道、共享内存、套接字等等。三、分布式操作系统中进程与线程的创建与调度事实上，当前使用的操作系统都是把任务分割为进程和线程，分时运行在一个处理器中。这种类似的任务处理方式也可以在很多高性能的应用程序中可以看到，例如数据库引擎、科学计算程序、工作站的工程工具和多媒体程序等。为了增加处理能力，多数操作系统、应用程序都设计为可以在双处理器和多处理器环境中运行，这样可以利用对称多处理器（smp）结构将进程和线程放到处理器池中进行运算。通过在一个单芯片中执行两个逻辑cpu，超级线程技术在当前的操作系统和高性能应用中进行进程和线程级的并行处理。多cpu之间进行进程分配的思路与分布式操作系统中进程与线程的创建和调度类似。在分布式操作系统中，一个新进程的创建分为三个步骤：1.选择一个目标主机。2.创建一个执行环境。3.在执行环境中创建线程。这三个步骤，除选择目标主机以外，其他两项都与传统的操作系统实现机制相同。需要注意的是，不论分布式操作系统的控制权是如何实现的，作为服务器的主机，必须存放各主机中进程的信息，或者在每个主机上有备份。各目标主机间的通信，以进程级的通信为基础，不同进程间的线程通信，也是通过其主线程进行的。 四、分布式操作系统中进程、线程与多任务分配一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用该进程的全局变量和系统资源。操作系统给每个线程分配不同的cpu时间片，在某一个时刻，cpu只执行一个时间片内的线程，多个时间片中的相应线程在cpu内轮流执行，由于每个时间片时间很短，所以仿佛各个线程在计算机中是并行处理的。操作系统是根据线程的优先级来安排cpu的时间，优先级高的线程优先运行，优先级低的线程则继续等待。在分布式操作系统中，多个应用程序同时运行可以采用两种方式进行：1.协作式多任务方式。协作这个用语意味着多个应用程序之间必须相互协调，依次实现对操作系统的控制。它们并不是真正的多任务执行，因为其中还有多任务共享系统资源的问题。为了让操作系统把控制权从一个程序转换到另一个程序，当前活动的程序就必须周期地检查一个消息队列。2.带优先权的多任务方式，称为抢先式多任务。在这种方式下，操作系统可以在需要时中断当前的任务，再按照任务队列中各个任务的优先级别来进行任务的调度。抢先式多任务执行实际上就是抢先式多线程执行，每个线程有一个优先级值。优先级最低的保留给系统使用。其余的分成四类：空闲、正常、高、和实时。注意这些范围是有重叠的。这样做可使调度更灵活，例如，允许某些后台任务比某些前台任务更重要，尽管在通常情况下，前台任务的优先级应该更高。使用实时优先级时要非常当心。如果你把一个任务的优先级设得太高，也可能无法实现多任务执行功能。这是因为一个任务的优先级太高了，它就完全不允许系统中有其他任务运行。vmm（虚拟机管理程序）负责在分时抢先的环境里调度各个进程和线程，具体包括以下服务：生成线程、管理线程、撤消线程和线程调度。vmm中有两个调度程序：主调度程序和时间片调度程序。主调度程序负责确定最高优先级的线程。只有最高优先级的线程才会运行，其他优先级较低的都被封锁；时间片调度程序负责为所有具有最高优先级的可运行任务分配时间片。系统运行过程中，线程的优先级可由系统或设备驱动程序改变。例如，一旦中断产生，则处理这个中断的线程优先级临时提高，以便它立即得到时间来处理该中断。完成后，优先级可以再降低。五、结束语在分布式操作系统中，实现多任务分配与传统操作系统的实现机制类似，不同的是，需要在不同主机的进程间进行分配，同时还涉及到多线程的情况。但是，基本的思路是以进程为基础，进程的负荷平衡就能够保证线程负荷均衡。具体进程内部的任务分担可以由进程自己实现，机制可以参考传统操作系统的实现。参考文献：1w.richard stevens.stephen a.rago.unix环境高级编程m.北京:人民邮电出版社,2006:242-5042w.richard stevens.unix网络编程：第2卷，进程间通信m.北京:人民邮电出版社,2010:141-2413w.ric