分布式计算的基本原理

作者：笔触狂放9 | 2024-06-07 18:17:10

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分布式计算原理

分布式计算的基本原理

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从最近几次MMI设计会议讨论的结果来看，嵌入式程序员对于分布式计算知之甚少。他们对分布式计算有种恐惧，所以对分布式架构极力排斥。而他们的人数又占绝对优势，讨论N次，MMI的架构还是没有确定下来。分布式计算已经进入桌面环境，不是企业应用的专利了，像GNOME(GNU Network Object Model Environment)的名字本身就暗示着分布式计算了。本文介绍一下分布式的基本原理，揭开分布式神秘的面纱，让嵌入式程序员熟悉一下。

分布式计算可以分为以下几类：

传统的C/S模型。如HTTP/FTP/SMTP/POP/DBMS等服务器。客户端向服务器发送请求，服务器处理请求，并把结果返回给客户端。客户端处于主动，服务器处于被动。这种调用是显式的，远程调用就是远程调用，本地调用就是本地调用，每个细节你都要清楚，一点都含糊不得。

集群技术。近年来PC机的计算能力飞速发展，而服务器的计算能力，远远跟不上客户端的要求。这种多对一的关系本来就不公平，人们已经认识到靠提高单台服务器的计算能力，永远满足性能上的要求。一种称集群的技术出现了，它把多台服务器连接起来，当成一台服务器来用。这种技术的好处就是，不但对客户来说是透明的，对服务器软件来说也是透明的，软件不用做任何修改就可以在集群上运行。集群技术的应用范围也仅限于此，只能提高同一个软件的计算能力，而对于多个不同的软件协同工作无能为力。

通用型分布式计算环境。如CORBA/DCOM/ RMI/ DBUS等，这些技术(规范)差不多都有具有网络透明性，被调用的方法可能在另外一个进程中，也可能在另外一台机器上。调用者基本上不用关心是本地调用还是远程调用。当然正是这种透明性，造成了分布式计算的滥用，分布式计算用起来方便，大家以为它免费的。实际上，分布式计算的代价是可观的，据说跨进程的调用，速度可能会降低一个数量级，跨机器的调用，速度可能降低两个数量级。一些专家都建议减少使用分布式计算，即使要使用，也要使用粗粒度的调用，以减少调用的次数。

还其一些混合形式(SOAP?)，这里不再多说。我们主要介绍第三种分布式模型，这类分布式模型即适用于企业级应用，也适用于桌面应用。有的专注于企业级应用（如CORBA），有的专注于桌面环境（如DBUS）。它们的实现原理都差不多，基本上都基于传统的RPC或者仿RPC实现的，下面介绍一下它们的基本原理。

我们先看一下分布式的最简模型：

model

在传统的方法中，调用一个对象的函数很简单：创建这个对象，然后调用它的函数就行了。而在分布式的环境中，对象在另外一个进程中，完全在不同的地址空间里，要调用它的函数可能有点困难了。

看看传统的C/S模型的请求方式，客户端把参数通过网络发给服务器，服务器根据参数要求完成相应的服务，然后把结果返回给客户端，客户端拿到结果了，一次请求算完成。由此看来，调用远程对象似乎并不难，问题在于这种方式不是网络透明的，每一个细节你都要自己处理，非常复杂。

要简化软件的设计，当然是网络操作透明化，调用者和实现者都无需关心网络操作。要做到这一点，我们可以按下列方法：

在客户端要引入一个代理(Proxy)对象。它全权代理实际对象，调用者甚至都不知道它是一个代理，可以像调用本地对象一样调用这个对象。当调用者调用Proxy的函数时，Proxy并不做实际的操作，而是把这些参数打包成一个网络数据包，并把这个数据包通过网络发送给服务器。

在服务器引入一个桩(Stub)对象，Stub收到Proxy发送的数据包之后，把数据包解开，重新组织为参数列表，并用这些参数就调用实际对象的函数。实际对象执行相关操作，把结果返回给Stub，Stub再把结果打包成一个网络数据包，并把这个数据包通过网络发送给客户端的Proxy。

Proxy收到结果数据包后，把数据包解开为返回值，返回给调用者。至此，整个操作完成了。怎么样，简化吧。

Proxy隐藏了客户端的网络操作，Stub隐藏了服务器端的网络操作，这就实现了网络透明化。你也许会说，根本没有简化，只是把网络操作隔离开了，仍然要去实现Proxy和Stub两个对象，一样的麻烦。

没错。不过仔细研究一下Proxy和Stub的功能，我们会发现，对于不同对象，这些操作都差不多，无非就是打包和解包而已，单调重复。单调重复的东西必然有规律可循，有规律可循就可以用代码产生器自动产生代码。

像DCOM和CORBA等也确实是这样做的，先用IDL语言描述出对象的接口，然后用IDL编译器自动产生Proxy和Stub代码，整个过程完全不需要开发人员操心。

打包和解包的专业术语叫做marshal和unmarshal，中文常用翻译为列集和散集。不过这两个词太专业了，翻译成中文之后更加让人不知所云。我想还是用打包和解包两个词更通俗一点。

在以上模型中，调用对象的方法，确实做到了网络透明化。读者可以会问，我要访问对象的属性怎么办呢？对象的属性就是变量，变量就一块内存区域，内存区域在不同的进程里完全是独立的，这看起来确实是一个问题。还记得很多关于软件设计书籍里面讲过的吗：不要暴露对象属性，调用者若要访问对象的属性，通过get/set方法去访问。这样不行了吗，对属性的访问转换为对对象方法的调用。

OK，调用对象的方法和访问对象的属性都解决了。还有重要的一点，如何创建对象呢。因为实际的对象并不固定在某台机器上，它的位置可能是动态的。甚至Proxy本身也不知道Stub运行在哪里。如果要让调用者来指定，创建对象的过程仍未达到网络透明化。通常的做法是引入一个第三方中介，这个第三方中介是固定的，可以通过一定的方法找到它。第三方中介负责在客户端的Proxy和服务器的Stub之间穿针引线。第三方中介通常有两种：一种是只负责帮客户端找到服务器，之后客户端与服务器直接通信。另外一种就是不但负责找到服务器，而且负责转发所有的请求。

以上的模型仍然不完整，因为现实中的对象并不是一直处理于被动的地位。而是在一定的条件下，会主动触发一些事件，并把这些事件上报给调用者。也就是说这是一个双向的动作，单纯的C/S模型无法满足要求，而要采用P2P的方式。原先的客户端同时作为一个服务器存，接受来自己服务器的请求。像COM里就是这样做的，客户端要注册对象的事件，就要实现一个IDispatch接口，给对象反过来调用。

自己实现时还要考虑以下几点：

l 传输抽象层。分布可能是跨进程也可能是跨机器。在不同的情况下，采用不同的通信方式，性能会有所不同。做一个传输抽象层，在不同的情况下，可选用不同的传输方式，是一种好的设计。

l 文本还是二进制。把数据打包成文本还是二进制？打包成文本的好处是，可移植性好，由于人也可以看懂，调试方便。坏处是速度稍慢，打包后的数据大小会明显变大。采用二进制的好处是，速度快，打包后的数据大小与打包前相差不大。坏处是不易调试，可移植性较差。

l 字节顺序和字节对齐。若采用二进制方式传输，可移植性是个问题。因为不同的机器上，字节顺序和字节对齐的方式都有些差异，在数据包中要加入这些说明，以提高可移植性。

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