分布式操作系统中多任务分配与进程线程调度

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

中图分类号：TP316.4文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 06-0000-02

Multi-task Assignment and Process/Thread Adjustment in Distribution System

Yao 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。