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《电子科技大学》 2007年
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普适分布式互斥算法及应用

李美安  
【摘要】: 在分布式系统中,很多进程能够在微观上并行执行。但由于共享资源的有限性,以及全局数据要求的一致性,一些临界资源的访问需要以互斥的方式实现同步。实现分布式互斥的算法一般分为基于令牌的分布式互斥算法和基于竞争的分布式互斥算法。基于令牌的分布式互斥算法具有较小的消息复杂度,但其同步时间较长,基于竞争的分布式互斥算法具有较大的消息复杂度,但其同步时间较短。同时,基于竞争的分布式互斥算法由于具有良好的对称性在全分布系统中得到了广泛的应用。本文着重研究了基于竞争的分布式互斥算法。特别是基于请求集的适用于任意规模分布式系统的普适分布式互斥算法。 基于竞争的分布式互斥算法主要分为两类:全局互斥和局部互斥。全局互斥以Lamport和RA算法为代表;局部互斥以Makawa算法为代表。虽然全局互斥具有十分优良的对称性和极高的避免死锁的能力,但其极大的消息复杂度(O(N))使得系统的规模受到了较大的限制。局部互斥虽然对称性不如全局互斥,同步延迟也较大(一般为2T),但Makawa算法提出了请求集(Quorum)的概念,使得局部互斥的消息复杂度降为O(N~(1/2))。因此,局部互斥在系统规模的限制方面的性能比全局互斥要好得多。局部互斥在打破全局互斥对系统规模的限制的同时,由于请求集的生成需要时间和存储空间,以及同步延迟的增加,因此使得互斥算法的实际性能受到很大影响。 局部互斥算法的运行过程分为两部分。一部分是请求集生成算法;另一部分是基于请求集的互斥算法。请求集生成算法决定了整个互斥算法的消息复杂度和对称性,并对算法运行的实际时间消耗具有重要影响。互斥算法对请求集的组织及通信容错处理形式决定了分布式互斥算法的对称性,同步延迟,死锁避免能力,节点与通信的失效容错能力,并对消息复杂度具有重要影响。因此,寻求对任意规模系统都能生成对称请求集的请求集生成算法(普适请求集生成算法),降低请求集算法的时间复杂度和空间复杂度以降低由于生成请求集所耗费的时间与空间给互斥算法性能带来的额外影响的问题是本文研究的一个重要内容。在此基础上提出消息复杂度低,同步延迟短,失效容错能力强的没有死锁的适用于任意规模分布式系统的普适对称分布式互斥算法也是本文研究的主要内容之一。 首先本文对适用于任意规模分布式系统的普适分布式互斥请求集生成算法进行了研究。其目的在于寻找请求集长度、时间复杂度与空间复杂度都较低的对称请求集生成算法。为降低算法的复杂性,同时根据循环请求集的优良特性,本文提出的对称请求集生成算法都是循环请求集生成算法。本文提出了基于循环编码的对称循环请求集生成算法,基于循环松弛差集的对称请求集生成算法以及基于循环请求集性质的对称请求集生成算法。 其次本文对普适分布式互斥算法进行了研究。以往的互斥算法多数是对Makawa算法的某一方面性能进行改进。它们多数需要牺牲互斥算法的一方面性能以提高其另一方面性能。如对容错能力,死锁检测能力或者同步时间的改进一般会以提高分布式互斥算法的消息复杂度为代价。本文将基于竞争的互斥算法的低同步延迟与基于令牌的互斥算法的低消息复杂度结合起来提出了新的互斥算法,这种算法能同时具有令牌算法和竞争算法的优点,克服上述二种算法的缺点。另一方面本文基于网络系统的自组织特性,将分布式网络划分成一定数量的子网,在子网内采用令牌算法,在由子网组成的上层采用竞争算法以确定各节点的请求时序与权限转移,提出了分层结构的分布式互斥算法,对降低分布式互斥算法的消息复杂度具有很大作用。 本文还对非稳定环境下互斥算法的平均消息复杂度进行研究并提出了相应的复合算法。实际上,以前的所有分布式互斥算法,都是以假设系统的节点与通信都可靠作为算法运行的前提的。但实际系统中,节点与通信并不总是可靠的。因此,在实际应用中,对节点与通信容错的处理对分布式互斥的平均消息复杂度影响很大。通过对互斥算法的容错处理方式进行研究,并对不同容错处理方式下,互斥算法的平均消息复杂度进行分析,提出了在实际应用中采取有效的容错处理方式以提高互斥算法的性能的复合容错算法。 本文还对分布式互斥算法的应用范围进行了扩展,对其在现场总线控制和数据交换机的性能改进领域的应用进行了研究。提高了算法的理论层次和应用范围。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP301.6

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 申二威;分布式互斥请求集生成算法的研究[D];内蒙古农业大学;2010年
2 武鹏;分布式互斥算法研究[D];内蒙古农业大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 李美安,刘心松,王征;一种基于循环编码的高性能分布式互斥算法[J];电子学报;2005年08期
2 李美安;刘心松;王征;;一种基于松弛循环差集的高性能分布式互斥算法[J];电子学报;2007年01期
3 李美安;刘心松;王征;;多副本访问控制的分层结构分布式互斥算法[J];计算机工程;2006年09期
4 李美安;刘心松;王征;;基于请求集与动态令牌的一种对称分布式互斥算法[J];通信学报;2006年04期
5 李美安;刘心松;王征;;非稳定环境下基于竞争消息复杂度的分布式互斥节点容错算法[J];微计算机信息;2005年26期
6 王征;刘心松;李美安;;自适应Ad hoc分布式互斥算法[J];小型微型计算机系统;2007年08期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 武鹏;李美安;裴喜春;周根宝;;改进的分布式互斥请求集生成算法[J];计算机应用;2010年S1期
2 李美安;林岚;陈志党;;基于局部递归的动态多点初始化请求集生成算法[J];计算机应用;2012年03期
3 李美安;陈志党;王春申;林岚;;基于贪心策略的高效能分布式请求集生成算法[J];计算机应用研究;2011年07期
4 李美安;林岚;陈志党;;基于折半加一的分布式循环请求集生成算法[J];计算机工程;2012年14期
5 武鹏;李美安;;具有O(n)时间复杂度的分布式请求集生成算法[J];计算机应用;2013年02期
6 郭玉波;王春申;陈志党;;基于和数列的分布式互斥请求集生成算法[J];内蒙古农业大学学报(自然科学版);2012年03期
7 鱼先锋;王辉;;并发系统互斥约束的形式化验证[J];商洛学院学报;2011年06期
8 吴小惠;洪龙;杨扬;;一种改进的双令牌互斥算法[J];计算机技术与发展;2011年04期
9 赖周建;刘心松;邱元杰;牟力;;多机系统中互斥算法的研究与实现[J];微计算机信息;2006年12期
10 姜志玲;;基于LabVIEW的虚拟电力谐波测试仪[J];微计算机信息;2006年13期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王征;分布式互斥算法的研究与实现[D];电子科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 毕伟;分布式互斥算法的研究与改进[D];河海大学;2006年
2 蒋涛;数字有机体系统中容错机制的研究与实现[D];电子科技大学;2007年
3 龙榜;共享存储器异构多处理器片上系统中互斥机制研究与实现[D];湖南大学;2009年
4 申二威;分布式互斥请求集生成算法的研究[D];内蒙古农业大学;2010年
5 武鹏;分布式互斥算法研究[D];内蒙古农业大学;2010年
6 战俊伟;分布式互斥算法最优请求集生成算法时间复杂度优化[D];内蒙古农业大学;2010年
7 杨奔全;基于位置预测的Ad hoc网络路由协议研究[D];湖南大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李美安,刘心松,王征;一种基于循环编码的高性能分布式互斥算法[J];电子学报;2005年08期
2 李美安;刘心松;王征;;一种基于松弛循环差集的高性能分布式互斥算法[J];电子学报;2007年01期
3 王征;刘心松;;基于网格网络的十字仲裁集互斥算法[J];计算机科学;2008年05期
4 王征;刘心松;;基于半环仲裁集的环网分布式互斥算法[J];计算机科学;2008年07期
5 武鹏;李美安;裴喜春;周根宝;;改进的分布式互斥请求集生成算法[J];计算机应用;2010年S1期
6 李美安,刘心松,王征;一种基于松弛循环差集的对称分布式互斥算法[J];四川大学学报(工程科学版);2005年04期
7 吴建军;王征;;基于总线网络的分布式一致性算法[J];计算机工程与设计;2008年23期
8 李美安;刘心松;王征;;基于请求集与动态令牌的一种对称分布式互斥算法[J];通信学报;2006年04期
9 陈志党;李美安;战俊伟;申二威;;一种新的分布式互斥请求集生成算法[J];微计算机信息;2010年09期
10 王征;刘心松;李美安;;自适应Ad hoc分布式互斥算法[J];小型微型计算机系统;2007年08期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王征;分布式互斥算法的研究与实现[D];电子科技大学;2007年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 刘丹,刘心松,丘志杰,邱元杰;基于读写特征的分布式互斥算法[J];电子学报;2004年02期
2 张远,刘洛琨,卢欣;无线自组网MAODV路由协议算法[J];微计算机信息;2005年03期
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10 王艳红;任茂明;孙津生;;趋磁性细菌的培养及其在污水处理方面应用的研究[A];第二届全国传递过程学术研讨会论文集[C];2003年
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2 本报记者 周蓉蓉;重新认识Linux[N];计算机世界;2002年
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