第十章 多处理机操作系统

10.1 多处理机系统类型

类型	耦合度	通信延迟	特点
紧密耦合	共享存储器	10~50ns	SMP/ASMP
松散耦合	各自OS，通过通信链路连接	10~50ms	分布式

UMA结构（4种）

结构	CPU数	特点
单总线	4~20	可加高速缓存
多总线	16~32	私有存储器
单级交叉开关	8~16	N²交叉点
多级交换网络	<100	分散流量

NUMA

• 多节点,3层存储：本地→群内共享→全局共享
• CC-NUMA：高速缓存+目录表保证一致性
• 主要问题：远程访问时延

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10.2 多处理机OS类型

类型	特点	优缺点
主从式	一个主处理机负责管理	简单但资源利用率低/主机瓶颈
独立监督式	每个处理机有自己的OS	自主可靠但复杂/负载不均
浮动监督式	管理功能可在处理机间浮动	最灵活/最可靠/负载均衡,实现复杂

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10.3 多处理机调度（2025新增重点⭐）

多处理机调度策略（2025新增）⭐

策略	描述	优点	缺点
全局队列调度	OS维护一个公共就绪队列	负载均衡最好	随着CPU增多,临界区锁竞争加剧
私有队列调度	每个CPU维护私有就绪队列	亲和性(Affinity) 好,Cache命中率高	可能导致负载不均,需迁移机制

调度对应关系

• 单处理机调度：解决“何时执行”
• 多处理机调度：解决“何时执行” + “在哪执行”

调度策略算法

1. 负载分配（Load Sharing）：通过推/拉机制在私有队列间平衡负载。
2. 群组调度（Gang Scheduling）：将一个进程的所有相关线程同时调度到一组CPU上并行运行。
   • 目的：减少同步阻塞（避免“互相等的线程没在运行”）。
3. 专用处理器分配：某个应用长期独占一组CPU（适用于科学计算）。

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10.4 多处理机上的进程同步

自旋锁⭐

• 适用于多处理机的互斥机制
• 循环测试锁变量（忙等），不阻塞不切换
• vs 信号量：自旋锁避免了阻塞和进程切换开销,适用于短临界区
• 实现：总线设锁变量，循环Test-and-Set

🎯 本章真题锚点与最短模板

• 高频题号（2009-2025）：近年独立命题少；与新增考纲“多处理机调度”强相关（2025起新增）
• 优质例题：对比SMP中“公共就绪队列”与“私有就绪队列”的优缺点，判断何时需要负载均衡迁移。
• 最短解题模板：
  1. 先判系统模型：ASMP 还是 SMP。
  2. 再判调度策略：亲和性优先还是吞吐优先。
  3. 结论用三词：可扩展性、均衡性、迁移开销。

⚡ 秒杀版口令卡（10秒回忆）

• 口令：SMP看均衡，ASMP看主控。
• 口令：自旋锁短临界区，信号量长临界区。
• 口令：亲和性提局部性，迁移有代价。

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