分布式共享存储.pptx
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1、1主要内容主要内容6.1 共享内存6.2 一致性模型6.3 基于页面的DSM6.4 其它的分布式共享内存2主要内容主要内容6.1 共享内存共享内存6.2 一致性模型6.3 基于页面的DSM6.4 其它的分布式共享内存3多处理机和多计算机回顾多处理机和多计算机回顾l对硬件的影响 设计一种使多个处理机同时使用同一存储器的机器是非常困难的 大的多计算机系统更易于建立 l对软件的影响 用于多处理机编程的技术很多,可以使用临界区(critical region),信号量或管程(monitor)提供必要的互斥。对多计算机系统,通信一般使用消息传递,这使输入/输出更为抽象。消息传递带来了许多复杂的问题,4分
2、布式共享存储器分布式共享存储器(DSM)lLi 和Hudak提出让一组由局域网互连的工作站共享一个分页的虚拟地址空间。l不共享整个地址空间,而只共享其中所选择的一部分,即那些由多个进程引用的变量和数据结构。l在多台计算机上复制共享变量,通过共享复制的变量而不是整个页,模拟处理机的问题可简化为保证一组数据结构的多个拷贝一致性的问题。5lDSM的很多研究工作都受到了多处理机结构发展的启发!l首先比较几种共享存储器(内存)的多处理机 6芯片存储器芯片存储器 CPU与存储器连接模型l单片机l理想的共享存储器多处理机7Pentium D with 975X ChipsetInter-Core Bus I
3、nterfaceMemory ControllerHubI/O Controller HubDDR2 MemoryPCI Express x166 PCI4 Serial ATA Ports6 PCI Express x1High-Definition Audio2 PCI Express x8orDMI(2 GB/s)1066/800 MHz FSBCore 1L2 Cache(for Core 1)Core 0L2 Cache(for Core 0)6 USB 2.0Intel Matrix StorageBIOS SupportIntel Pro 1000 LAN81.多处理器结构2.带
4、缓存的多处理器结构总线仲裁机制:集中式和非集中式基于总线的多处理机基于总线的多处理机CPU内存总线(a)总线(b)缓存CPUCPUCPU内存缓存CPU缓存CPU9通写缓冲通写缓冲(write-though)一致性协议一致性协议事件对本地CPU操作响应对远程CPU响应读失败(miss)从内存中取得数据并存储到缓存中(MC)(无动作)读命中(hit)从本地缓存中取得数据(无动作)写失败更新内存中的数据并存储到缓存中(C M)(无动作)写命中更新存储器和缓存(MC M)置为无效10缓存拥有权(缓存拥有权(ownership)协议)协议lCache分成若干个cache块l每个Cache块处于三种状态:
5、1.Invalid数据无效2.Clean与存储器数据一致3.Dirty数据被更新,与存储器数据不一致l各CPU监听(snoopy)其它CPU在总线的操作11缓存拥有权(缓存拥有权(ownership)协议)协议l多个CPU可有读拥有权l只有一个CPU有写拥有权l当一个CPU写一个数据取得对该数据的拥有权其它CPU将该数据的缓存块置为“invalid”在本地缓存块中,写数据,并置为“dirty”适当时候,刷新存储区,或提供给其它CPU12缓存拥有权(缓存拥有权(ownership)协议)协议l特点1.通过各CPU对总线的监听保持缓存一致性2.该协议实现在存储器管理单元中3.整个算法在一个存储器周
6、期中完成召回(callback)协议如果用软件实现13缓存拥有权协议操作过程缓存拥有权协议操作过程14缓存拥有权协议操作过程缓存拥有权协议操作过程15重要属性重要属性l缓存对总线的监听保证了一致性。l协议建立在存储器管理单元中。l整个算法在一个存储器周期中完成。16基于环的多处理机基于环的多处理机没有集中式全局存储器耦合得较松一些(a)Memnet环 (b)单一主机 (c)块表 17交换式多处理机交换式多处理机lCPU增加到一定数量时,总线或环的带宽达到饱和,再增加额外的CPU也不会提高系统性能减少通信流量l采用两种方法解决带宽不足的问题l减少通信流量改善缓冲协议,优化块大小,重组程序,以提高
7、存储器访问的本地命中率。l增加通信容量改变拓扑结构 为系统建立层次结构 18(a)三个簇由簇间总线连接组成一个超级簇三个簇由簇间总线连接组成一个超级簇(b)由超级簇总线相连的两个超级簇由超级簇总线相连的两个超级簇分级层次结构分级层次结构19DASH示例示例l目录目录每一簇都以目录来记录哪些簇现在拥有哪些块的拷贝 l缓存(缓存(caching)缓存分为两级:第一级缓存和更大的第二级缓存 l协议(协议(protocul)DASH协议是基于拥有权和置无效的 20NUMA多处理机多处理机l和传统UMA(Uniform Memory Access)多处理机一样,NUMA机的虚拟地址空间对所有CPU都可见
8、。任何CPU在地址A写入值,接下来别的处理机对A的读操作将读取刚刚写入的值。lUMA与NUMA的区别不是在语义上,而是在性能上。在NUMA机上,访问远程存储器要比访问本地存储器慢得多,而硬件缓存并不试图掩盖这个问题。21NUMA示例示例22NUMA多处理机的属性多处理机的属性 l可以访问远程存储器。l访问远程存储器比访问本地存储器慢。l没有缓冲机制隐藏访问远程存储器的时间。23分布式共享系统的比较分布式共享系统的比较 24六种共享处理器系统的比较六种共享处理器系统的比较 项多处理机DSM单总线交换NUMA基于页式共享变量基于对象线性、共享虚拟地址空间吗?是是是是否否可能的操作读/写读/写读/写
9、读/写读/写常规有封装及方法?否否否否否是是否由硬件执行远程访问?是是是否否否有独立存储器?是是是否否否谁将远程存储器的访问转化为消息?MMUMMUMMU操作系统运行期系统运行期系统传输介质总线总线总线网络网络网络谁执行数据迁移硬件硬件软件软件软件软件传输单元块块页页共享变量对象25主要内容主要内容6.1 共享内存6.2 一致性模型一致性模型6.3 基于页面的DSM6.4 其它的分布式共享内存266.2 一致性模型一致性模型 只允许有一个拷贝可能会带来严重的性能瓶颈。允许多重拷贝可以就简化性能问题。但这又引起了新的问题:即如何保证所有拷贝的一致性。l缓存一致性(coherency)数据在各个缓
10、存中的值保持一致l一致性模型软件与存储器间的约定(contract)如果软件遵守约定的规则,存储器就能工作正常。如果软件违反了这些规定,存储器就不再保证操作的正确性 27严格一致性严格一致性l从存储器地址X处读出的值为最近写入X的值 l非严格一致性P1:W(x)1P2:R(x)1P1:W(x)1P2:R(x)0 R(x)128顺序一致性顺序一致性l如果所有进程以一定的顺序执行操作,每一进程的操作都以程序规定的顺序出现,则任何操作的结果都是一样的。l每一进程的操作都按程序规定的顺序执行。l所有进程看到相同的内存访问操作次序l运行同一个程序得到的两个可能的结果P1:W(x)1P2:R(x)0 R(
11、x)1P1:W(x)1P2:R(x)1 R(x)129l3个并行执行的进程l4种正确的执行顺序顺序一致性举例顺序一致性举例print(b,c);(a)a=1;print(a,c);(b)b=1;print(a,b);(c)c=1;a=1;a=1;b=1;b=1;print(b,c);b=1;c=1;a=1;b=1;print(a,c);print(a,b);c=1;print(a,c);print(b,c);print(a,c);print(a,c);c=1;c=1;a=1;print(b,c);print(a,c);print(a,b);print(b,c);print(a,b);(a)(b
12、)(c)(d)30因果一致性因果一致性l按有无可能的因果联系区分各事件,对于因果相关的写操作,所有进程看到的执行顺序应相同。l可能因果相关的写操作应对所有进程可见,且顺序一致。并发写操作在不同机器看来顺序可能是不同的 P1:W(x)1 W(x)3P2:R(x)1 W(x)2P3:R(x)1 R(x)3 R(x)2P4:R(x)1 R(x)2 R(x)3因果一致性存储器允许的序列,但是顺序一致性 存储器和严格一致性存储器不允许 31因果一致性举例因果一致性举例(1)违反因果一致性(2)符合因果一致性P1:W(x)1P2:R(x)1 W(x)2P3:R(x)2 R(x)1P4:R(x)1 R(x)
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