Тимур Машнин - Введение в облачные и распределенные информационные системы

© Тимур Машнин, 2020

ISBN 978-5-0053-0311-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Облачные и распределенные вычислительные системы – это быстро развивающаяся IT-область хранения и обработки данных.

И здесь мы попробуем сделать введение в эту большую тему облачных технологий и систем распределенных вычислений.

Сначала мы рассмотрим общие понятия, которые пригодятся при изучении этой темы.

Давайте обсудим две разные структуры данных.

Первая структура данных – это очередь.

Очередь, это структура данных, где первый зашел, первый вышел.

Когда вы удаляете элемент из очереди вы удаляете его из головы очереди.

Когда вы вставляете новый элемент, вы вставляете его в хвост очереди.

Другая структура данных, это стек, который является структурой данных, где первый зашел, последний вышел.

Представьте себе стопку тарелок на столе.

Тарелка, которую вы ставите сверху, вы добавляете последней, и она будет первой, которую вы можете удалить.

Эти две структуры данных, очередь и стек, используются очень широко в информатике, и мы будем использовать понятие стека, когда мы будем обсуждать процессы.

Говоря о процессах, давайте обсудим следующий процесс.

Процесс по существу, это программа в действии.

Этот примерный код состоит из основной функции, которая вызывает функцию f1.

А затем f1 вызывает другую функцию f2.

Это код вы должны скомпилировать и затем выполнить его.

И когда вы его выполняете, когда ваша программа находится в действии, это процесс.

После того, как вы напишете код, он не меняется, и мы не рассматриваем значения переменных как часть кода.

Сам код статичен.

Но существует программный счетчик, который обычно создается компьютером, на котором вы запускаете процесс, который указывает на номер строки кода, где выполняется программа в настоящее время, или скорее, где, процесс в настоящее время выполняется.

Далее, когда функции вызывают друг друга, или в объектно-ориентированной программе методы вызывают друг друга, они используют стек, который содержит аргументы и возвращаемые функциями значения.

Поэтому каждый процесс содержит стек.

Более конкретно, процесс может содержать несколько потоков.

И каждый поток будет содержать собственный стек.

В этом процессе есть только один поток.

Поэтому процесс содержит один стек, и этот стек используется этими функциями или методами, чтобы передать аргументы и вернуть значения.

Так, например, когда main вызывает f1, main внесет аргументы для f1, поверх стека.

И когда f1 начнет выполнение, она вытолкнет или удалит элементы из верхней части стека и будет использовать их для выполнения.

Точно так же, когда f1 вызовет f2, f1 разместит аргументы на вершине стека для f2, а затем f2 вытолкнет их из стека, выполнится, а затем поместит значения результата поверх стека.

f1 затем вытолкнет результат из стека.

И, наконец, когда f1 нужно вернуть значение, она внесет его в верхнюю часть стека.

И когда выполнение вернется к main, она удалит значение из верхней части стека.

Таким образом, стек является важной частью состояния процесса, потому что он сообщает вам, в каком месте исполнения программы вы находитесь, в отношении функций, вызывающих друг друга.

И наконец, функции могут иметь локальные переменные, такие как x.

Там могут быть и глобальные переменные, и, конечно, в объектно-ориентированных программах, у вас есть объекты, которые хранят много полей.

Эти данные хранятся в том, что называется кучей.

Куча – это, по существу, данные, которые были созданы методами, или объектами.

И эти данные также появляются в куче и удаляются из нее в процессе выполнения программы.

Также есть регистры, которые содержат недавние значения, к которым был получен доступ процессом.

Давайте посмотрим упрощенную версию компьютерной архитектуры.

Здесь есть процессор, который выполняет инструкции, которые присутствуют в вашем коде.

Также есть регистры, которые расположены вместе с процессором.

Это небольшие части памяти, к которым CPU можно быстро получить доступ.

И как правило, существует только небольшое количество регистров, не более нескольких десятков регистров.

Также есть кеш, который является немного большей памятью, чем набор регистров.

И чем больше память, тем медленнее доступ к ней.

Таким образом, доступ к кешу медленнее доступу к регистрам.

Но доступ к кешу все еще довольно быстрый.

Помимо кэша также есть основная память, или Random Access Memory, или RAM, которая еще больше, чем кеш, а, следовательно, медленнее, чем кеш.

И, наконец, есть жесткий диск, у которого намного больше памяти, чем у основной памяти, и доступ к ней еще медленнее.

Таким образом, по мере того, как вы поднимаетесь от диска, к основной памяти, кешу, регистрам, увеличивается скорость и уменьшается память.

И когда вы пишете программу и компилируете ее, она компилируется в машинные инструкции низкого уровня.

Эти машинные инструкции могут быть специфическими для архитектуры машины, на которой вы работаете, или они могут быть кодом для виртуальной машины, как, например, виртуальной машины JVM.

В любом случае, эти низкоуровневые машинные инструкции являются исполняемой версией вашей программы, и они сохраняются в файловой системе на вашем диске.

Когда ваша программа начинает выполняться, когда она становится процессом, тогда CPU загружает инструкции их в основную память, а затем в кеш и в регистры.

И как правило, кэш и регистры содержат последние несколько обработанных инструкций.

Теперь, выполняя каждую команду, процессор, выполняющий этот процесс, загружает данные, необходимые для инструкции, в память, а затем, если необходимо, в кэш и регистры.