什么是分布式编程

什么是分布式编程,第1张

分布式应用程序就是指应用程序分布在不同计算机上,通过网络来共同完成一项任务,通常为服务器/客户端模式。更广义上理解“分布”,不只是应用程序,还包括数据库等,分布在不同计算机,完成同一个任务。之所以要把一个应用程序分布在不同的计算机上,主要有两个目的:

1)分散服务器的压力

大型系统中,模块众多,并发量大,仅用一个服务器承载往往会发生压力过大而导致系统瘫痪的情况。可以在横向和纵向两方面来进行拆分,把这些模块部署到不同的服务器上。这样整个系统的压力就分布到了不同的服务器上。

l横向:按功能划分。

l纵向:N层架构,其中的一些层分布到不同的服务器上(分层的概念会在后文进行介绍)。

2)提供服务,功能重用

使用服务进行功能重用比使用组件进行代码重用更进一层。举例来说,如果在一个系统中的三个模块都需要用到报表功能,一种方法是把报表功能做成一个单独的组件,然后让三个模块都引用这个组件,计算 *** 作由三个模块各自进行;另一种方法是把报表功能做成单独的服务,让这三个模块直接使用这个服务来获取数据,所有的计算 *** 作都在一处进行,很明显后者的方案会比前者好得多。

服务不仅能对内提供还能对外提供,如果其他合作伙伴需要使用我们的报表服务,我们又不想直接把所有的信息都公开给它们。在这种情况下组件方式就不是很合理了,通过公开服务并对服务的使用方做授权和验证,那么我们既能保证合作伙伴能得到他们需要的数据,又能保证核心的数据不公开。

一、固定分区存储管理

其基本思想是将内存划分成若干固定大小的分区,每个分区中最多只能装入一个作业。当作业申请内存时,系统按一定的算法为其选择一个适当的分区,并装入内存运行。由于分区大小是事先固定的,因而可容纳作业的大小受到限制,而且当用户作业的地址空间小于分区的存储空间时,造成存储空间浪费。

1、空间的分配与回收

系统设置一张“分区分配表”来描述各分区的使用情况,登记的内容应包括:分区号、起始地址、长度和占用标志。其中占用标志为“0”时,表示目前该分区空闲;否则登记占用作业名(或作业号)。有了“分区分配表”,空间分配与回收工作是比较简单的。

2、地址转换和存储保护

固定分区管理可以采用静态重定位方式进行地址映射。

为了实现存储保护,处理器设置了一对“下限寄存器”和“上限寄存器”。当一个已经被装入主存储器的作业能够得到处理器运行时,进程调度应记录当前运行作业所在的分区号,且把该分区的下限地址和上限地址分别送入下限寄存器和上限寄存器中。处理器执行该作业的指令时必须核对其要访问的绝对地址是否越界。

3、多作业队列的固定分区管理

为避免小作业被分配到大的分区中造成空间的浪费,可采用多作业队列的方法。即系统按分区数设置多个作业队列,将作业按其大小排到不同的队列中,一个队列对应某一个分区,以提高内存利用率。

二、可变分区存储管理

可变分区存储管理不是预先将内存划分分区,而是在作业装入内存时建立分区,使分区的大小正好与作业要求的存储空间相等。这种处理方式使内存分配有较大的灵活性,也提高了内存利用率。但是随着对内存不断地分配、释放 *** 作会引起存储碎片的产生。

1、空间的分配与回收

采用可变分区存储管理,系统中的分区个数与分区的大小都在不断地变化,系统利用“空闲区表”来管理内存中的空闲分区,其中登记空闲区的起始地址、长度和状态。当有作业要进入内存时,在“空闲区表”中查找状态为“未分配”且长度大于或等于作业的空闲分区分配给作业,并做适当调整;当一个作业运行完成时,应将该作业占用的空间作为空闲区归还给系统。

可以采用首先适应算法、最佳(优)适应算法和最坏适应算法三种分配策略之一进行内存分配。

2、地址转换和存储保护

可变分区存储管理一般采用动态重定位的方式,为实现地址重定位和存储保护,系统设置相应的硬件:基址/限长寄存器(或上界/下界寄存器)、加法器、比较线路等。

基址寄存器用来存放程序在内存的起始地址,限长寄存器用来存放程序的长度。处理机在执行时,用程序中的相对地址加上基址寄存器中的基地址,形成一个绝对地址,并将相对地址与限长寄存器进行计算比较,检查是否发生地址越界。

3、存储碎片与程序的移动

所谓碎片是指内存中出现的一些零散的小空闲区域。由于碎片都很小,无法再利用。如果内存中碎片很多,将会造成严重的存储资源浪费。解决碎片的方法是移动所有的占用区域,使所有的空闲区合并成一片连续区域,这一技术称为移动技术(紧凑技术)。移动技术除了可解决碎片问题还使内存中的作业进行扩充。显然,移动带来系统开销加大,并且当一个作业如果正与外设进行I/O时,该作业是无法移动的。

存储器是个宝贵但却有限的资源。一流的 *** 作系统,需要能够有效地管理及利用存储器。

内存为程序分配空间有四种分配方式:

1、连续分配方式

2、基本分页存储管理方式

3、基本分段存储管理方式

4、段页式存储管理方式

首先讲连续分配方式。 连续分配方式 出现的时间比较早,曾广泛应用于20世纪60~70年代的OS中,但是它至今仍然在内存管理方式中占有一席之地,原因在于它 实现起来比较方便,所需的硬件支持最少 。连续分配方式又可细分为四种: 单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配和动态重定位分区分配

其中固定分区的分配方式,因为分区固定,所以缺乏灵活性,即 当程序太小时,会造成内存空间的浪费( 内部碎片 ) 程序太大时,一个分区又不足以容纳,致使程序无法运行( 外部碎片 ) 。但尽管如此,当一台计算机去控制多个相同对象的时候,由于这些对象内存大小相同,所以完全可以采用这种内存管理方式,而且是最高效的。这里我们可以看出存储器管理机制的多面性:没有那种存储器管理机制是完全没有用的,在适合的场合下,一种被认为最不合理的分配方案却可能称为最高效的分配方案。 一切都要从实际问题出发,进行设计。

为了解决固定分区分配方式的缺乏灵活性,出现了 动态分配方式 。动态分配方式采用一些 寻表(Eg: 空闲链表 ) 的方式,查找能符合程序需要的空闲内存分区。但代价是增加了系统运行的开销,而且内存空闲表本身是一个文件,必然会占用一部分宝贵的内存资源,而且有些算法还会增加内存碎片。

可重定位分区分配通过对程序实现成定位,从而可以将内存块进行搬移,将小块拼成大块,将小空闲“紧凑”成大空闲,腾出较大的内存以容纳新的程序进程。

连续分配方式 会形成许多“碎片”,虽然可以通过“紧凑”方式将许多碎片拼接成可用的大块空间,但须为之付出很大开销。所以提出了“ 离散分配方式 ”的想法。如果 离散分配的基本单位是页 ,则称为 分页管理方式 ;如果离散分配的基本单位是段,则称为 分段管理方式

分页存储管理是将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页,并为各页加以编号,从0开始,如第0页、第1页等。相应地,也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块,称为(物理)块或页框(frame),也同样为它们加以编号,如0#块、1#块等等。在为进程分配内存时,以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。由于进程的最后一页经常装不满一块而形成了不可利用的碎片,称之为“ 页内碎片 ”。

在分页系统中,允许将进程的各个页离散地存储在内存不同的物理块中(所以能实现离散分配方式) ,但系统应能保证进程的正确运行,即能在内存中找到每个页面所对应的物理块。为此,系统又为每个进程建立了一张页面映像表,简称 页表 。在进程地址空间内的所有页,依次在页表中有一页表项,其中记录了相应页在内存中对应的物理块号。在配置了页表后,进程执行时,通过查找该表,即可找到每页在内存中的物理块号。可见, 页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射

为了能够将用户地址空间中的 逻辑地址,变换为内存空间中的物理地址 ,在系统中必须设置 地址变换机构 。地址变换任务是借助于页表来完成的。

页表 的功能可由一组专门的寄存器来实现。由于寄存器成本较高,且大多数现代计算机的页表又很大,使页表项总数可达几千甚至几十万个,显然这些页表项不可能都用寄存器来实现,因此,页表大多驻留在内存中。因为一个进程可以通过它的PCB来时时保存自己的状态,等到CPU要处理它的时候才将PCB交给寄存器,所以,系统中虽然可以运行多个进程,但也只需要一个页表寄存器就可以了。

由于 页表是存放在内存中 的,这使得 CPU在每存取一个数据时,都要两次访问内存 。为了提高地址变换速度,在地址变化机构中增设了一个 具有并行查询能力的高速缓冲寄存器 ,又称为“联想寄存器”(Associative Lookaside Buffer)。

在单级页表的基础上,为了适应非常大的逻辑空间,出现了两级和多级页表,但是,他们的原理和单级页表是一样的,只不过为了适应地址变换层次的增加,需要在地址变换机构中增设外层的页表寄存器。

分段存储管理方式 的目的,主要是为了满足用户(程序员)在编程和使用上多方面的要求,其中有些要求是其他几种存储管理方式所难以满足的。因此,这种存储管理方式已成为当今所有存储管理方式的基础。

分段管理方式和分页管理方式在实现思路上是很相似的,只不过他们的基本单位不同。分段有 段表 ,也有 地址变换机构 ,为了提高检索速度,同样增设 联想寄存器(具有并行查询能力的高速缓冲寄存器) 。所以有些具体细节在这个不再赘述。

分页和分段的主要区别:

1、两者相似之处:两者 都采用离散分配方式,且都要通过地址映射机构来实现地址变换

2、两者的不同之处:

(1)页是信息的 物理单位 ,分页是为实现离散分配方式,以消减内存的外零头,提高内存的利用率。或者说,分页仅仅是由于 系统管理的需要 而不是用户的需要。段则是信息的 逻辑单位 ,它含有一组其意义相对完整的信息。 分段的目的是为了能更好地满足用户的需要

(2) 页的大小固定 且由系统决定,而 段的长度却不固定

(3)分页的作业地址空间是 一维 的,即单一的线性地址空间;而分段的作业地址空间则是 二维 的。

前面所介绍的分页和分段存储管理方式都各有优缺点。 分页系统能有效地 提高内存利用率 ,而分段系统则能很好地 满足用户需求 。 我们希望能够把两者的优点结合,于是出现了段页式存储管理方式。

段页式系统的基本原理,是分段和分页原理的结合,即 先将用户程序分成若干个段,再把每个段分成若干个页 ,并为每一个段赋予一个段名。在段页式系统中,地址结构由段号、段内页号和页内地址三部分组成。

和前两种存储管理方式相同,段页式存储管理方式同样需要增设联想寄存器。

离散分配方式 基于将一个进程直接分散地分配到许多不相邻的分区中的思想,分为分页式存储管理,分段式存储管理和段页式存储管理. 分页式存储管理旨在提高内存利用率,满足系统管理的需要,分段式存储管理则旨在满足用户(程序员)的需要,在实现共享和保护方面优于分页式存储管理,而段页式存储管理则是将两者结合起来,取长补短,即具有分段系统便于实现,可共享,易于保护,可动态链接等优点,又能像分页系统那样很好的解决外部碎片的问题,以及为各个分段可离散分配内存等问题,显然是一种比较有效的存储管理方式。

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