分布式系统基础知识（一）

ゝ一纸荒年。 2021-12-14 13:59 248阅读 0赞

一、什么是分布式系统

1、**分布式系统是：若干独立计算机的组合，这些计算机对于用户来说就像单个相关系统**。

意思就是说硬件独立、软件统一。

硬件独立：

计算机机器本身是独立的，一个大型的分布式系统，会由若干台计算机来组成系统的基础设施。

软件统一：

对于用户来说就像是和单个系统打交道。

2、**分布式系统设计需要注意的问题**：

如何将系统拆分为子系统？

如何规划子系统间的通信？

如何考虑通信过程中的安全？

如何让子系统可以扩展？

如何保证子系统的可靠性？

如何实现数据的一致性？

3、**分布式系统面临的挑战**：

异构性：分布式系统由不同的网络、不同的操作系统、不同的编程语言、所以需要一种通用的通信协议来屏蔽差异性。

缺乏全球时钟：程序之间相互协作，对于时间会产生依赖，但是各个计算机之间没有全局时间的概念由于网络通信所导致的。

一致性：数据被分散或者复制到各个计算机上，如何保证一致性是个问题。

故障的独立性：任何计算机都可能产生故障，原因也很多，出现时机也随机，分布式系统要求允许部分故障但不影响整个系统的使用。

并发：分布式系统是为了更好地共享资源而设计的，那么系统中的每个资源都必须被设计成在并发环境中是安全的。

透明性：分布式系统中的任何故障对用户来讲都应该是透明不可见的。

开放性：分布式系统多人编写，最终集成为系统，对外发布的接口必须遵守一定的规范。

安全性: 加密用于给共享资源提供适当的保护。

可扩展性：系统要设计成随着业务量的增加、相应的系统也必须能扩展来提供对应的服务。

4、线程

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5、通信：

OSI分层模型分为七层、TCP/IP 模型分为四层（应用层、网络层、传输层、链路层）。

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OSI和TCP/IP模型的对比：

相同点：都有应用、传输、网络层；都是下层服务上层。

不同点：层数不同，模型与协议出现的次序不同，TCP/IP先有协议，后有模型（出现早），OSI先有模型后有协议（出现晚）。

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6、网络I/O

同步和异步：描述的是用户线程与内核的交互方式。

同步：

指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行。

异步：

指用户发起IO请求后扔继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞：指的是用户线程调用内核IO操作的方式。

阻塞：

指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间。

非阻塞：

IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等待IO操作彻底完成。

一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作。

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO。

UNIX/IO模型类型：

阻塞IO；非阻塞IO；IO复用（select和poll）；信号驱动IO（SIGIO）；异步IO

前四种IO模型都是同步的IO。

阻塞IO模型：请求无法立即完成则保持阻塞。

阶段一：等待数据就绪。网络IO的情况就是等待远端数据陆续到达；磁盘IO的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中。

阶段二：数据复制。考虑到系统安全，用户态的程序没有权限直接读取内核态内存，因此内核负责把内核态内存中的数据复制一份到用户态内存中。

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非阻塞IO模型：

socket设置为NONBLOCK（非阻塞）就是告诉内核，当所请求的IO操作无法完成时，不要将进程休眠，而是立刻返回一个错误码，这样请求就不会阻塞。

IO操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好继续测试，直到数据准备好为止，整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后立即返回，但是为了等到数据扔需要不断的轮询、重复请求，这是对CPU时间的极大浪费。

数据准备好了，从内核复制到用户空间。这种模型很少使用。

IO复用模型：

使用select或者poll函数他们可以同时阻塞多个IO操作，而且可以同时对多个读操作、多个写操作的IO函数进行检测，直到有数据可读或者可写时才真正调用IO操作函数。使用他们的好处是：用户可以再一个线程内同时处理多个socket的IO请求，用户可以注册多个socket然后不断地的调用select来读取被激活的socket，也就是可以做到在一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才可以达到这个目的。

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7、Java常见IO模型：

阻塞IO模式：

就是常见的ServerSocket serverSocket = new ServerSocket（port）；

Socket socket = serverSocket.accept();

这样的会阻塞住，我们需要使用多线程的方式让其支持多个客户端访问，但是每次收到新的连接都要新建一个线程，处理问候销毁线程，代价开销太大。我们可以使用线程池再次进行改进，这个在大量短连接的场景中性能会有提升，但是在大量长连接的场景中，并没有什么优势。该方法适用于小到中等规模的客户端的并发数，连接数超过100000或者更多，性能则不理想。

对于上面的方式我们可以再次改进为非阻塞IO模式，上面的模式在读写操作时都是同步阻塞的，面对大并发（持续大量连接请求）的场景，需要消耗大量的线程来维持连接，CPU在大量的线程之间频繁切换，性能损耗很大，一旦单机的连接达到1万，甚至达到几万，服务器性能急剧下降。

而NIO的selector可以解决这个问题，用主线程（一个线程或者是CPU个数的线程）保持住所有连接，管理和读取客户端连接的数据，将读取的数据交给后面的线程池处理，线程池处理完业务逻辑后，将结果交给主线程发送响应给客户端，少量的线程就可以处理大量连接的请求。

NIO组成：Channel、Buffer、Selector。

要使用Selector需要向Selector注册Channel然后调用他的select方法，这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件。

可以改为异步IO模式。

8、RPC

RPC是指：计算机A上的进程，调用另外一台计算机B上的进程，其中A上的调用进程被挂起，而B上的被调用进程开始执行，当值返回给A时，A进程继续执行。RPC背后的思想就是：尽量使远程过程调用具有与本地调用相同的形式。

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