分布式的操作system中的共享存储器.ppt

多处理机系统的共享存储; 多处理机系统的概念 多处理机的分类 集中式共享存储器结构 分布式共享存储器结构; 使用多个处理机组成一个并行计算机(parallel computer)是提高系统性能的有效方法。一个并行计算机是多个处理部件(processing element)的集合，所有的处理部件通过相互通信，协同解决复杂的问题。处理部件之间由互联网络连接，这种并行的优点是可以利用现有的高性能处理机，加上快速互联网络构成高性能并行系统。 多个处理机及存储器模块构成的并行处理机被称为多处理机系统(multiprocessor system)，简称多处理机。处理机之间的通信通过共享存储器(shared memory)进行。;多处理机系统概念;多处理机的分类;集中式共享存储器(Centralized Shared-memory Architecture) ;图1 基于总线带缓存的多处理器;这种体系结构支持对共享数据和私有数据的Cache缓存。私有数据供一个单独的处理器使用，而共享数据供多个处理器使用。共享数据主要是用来供处理器之间通过读写它们进行通信。私有数据缓冲在Cache中降低了平均访存时间和对存储器带宽的要求，使程序的行为类似于单机。共享数据可能会在多个Cache中被复制，这样做除了可降低访存时间和对存储器带宽的要求外，还可减少多个处理器同时读共享数据所产生的冲突。但共享数据进入Cache也产生了一个新的问题，即Cache的一致性问题。 ;多处理机的一致性（Coherence）;由两个处理器(A和B)读写引起的Cache一致性问题;存储器一致性满足条件;注释;实现一致性的基本方案; 对多个处理器维护一致性的协议称为Cache一致性协议(Cache-coherent protocol)。实现Cache一致性协议的关键是跟踪共享数据块的状态。目前有两类协议，它们采用了不同的共享数据状态跟踪技术：(1) 目录(Directory)　　物理存储器中共享数据块的状态及相关信息均被保存在一个称为目录的地方。(2) 监听(Snooping)　　每个Cache除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外，也保存着各个块的共享状态信　　息。Cache通常连在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。 　在使用多个处理器，每个Cache都与单个共享存储器相连组成的多处理机中，一般都采用监听协议，因为这种协议可利用已有的物理连接(总线到存储器)来修改Cache中的状态信息。 可用以下两种方法（协议）来维持上面所讲的一致性要求。;两种协议;写更新协议(write update) 当一个处理器写某数据项时，通过广播使其它Cache中所有对应的 该数据项拷贝进行更新。为减少协议所需的带宽，应知道Cache该 数据项是否为共享状态，也就是别的Cache中是否存在该数据项拷 贝。如果不是共享的，则写时无需进行广播 ; 分布式共享存储器;图2 分布式共享存储结构;1. 如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求； 2. 对局部存储器的访问延迟低。　 分布式存储器体系结构最主要的缺点是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟较大。　 通常情况下，I/O和存储器一样也分布于多处理机的各结点当中。每个结点内还可能包含较小数目(2～8)的处理器，这些处理器之间可采用另一种技术（例如通过总线）互连形成簇(cluster)，这样形成的结点叫做超结点。采用超结点对机器的基本运行原理没有影响。由于采用分布式存储器结构的机器之间的主要差别在于通信方法和分布式存储器的逻辑结构方面，所以讨论中我们设每个结点只有一个处理器的机器。;处理器之间的通信;两种方案; 分布式共享一致性;将Cache一致性共享存储器模式拓展到大规模多处理机面临着新的挑战。尽管可以用缩放性更好的网络来取代总线，将存储器分布开来，从而使存储器的带宽具有缩放性，但是监听一致性协议机制本身的可缩放性较差。所以，在支持Cache一致性的可缩放的共享存储器体系结构中，关键是寻找替代监听协议的一致性协议。一种可供选择的协议是目录协议，目录是用一种专用的存储器所记录的数据结构，它记录着可以进入Cache的每个数据块的访问状态、该块在各个处理器的共享状态以及是否修改过等信息。目前目录协议的实现是对每个存储器块分配一个目录项，目录的信息量与存储器块的数量和处理器数量的乘积成比例。对于少于100个处理器的机器这不成问题，因为由目录操作引起的延迟开销可以忍受。而对于较大规模的机器，由于目录内容较多，就需要寻找更有效的目录结构。例如只保