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Sistemas Operativos Distribuidos
Presentación
Referencias Básicas
• Distributed Operating Systems
A. S. Tanenbaum
Prentice-Hall, 1995
• Distributed Systems: Concepts and Design
G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg
Addison-Wesley, 2001
• Pattern-Oriented Software Architecture: Patterns for
Concurrent and Networked Objects (Vol 2).
D. Schmidt, M. Stal, H. Rohnert, F. Bruschmann
Wiley, 2000
Sistemas Operativos Distribuidos
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Fernando Pérez Costoya
José María Peña Sánchez
Referencias Básicas
• Distributed Operating Systems: Concepts & Practice
D. L. Galli
Prentice-Hall, 2000
• Distributed Operating Systems & Algorithms
R. Chow, T. Johnson
Addison-Wesley, 1997
Traducción al Castellano
• Sistemas Operativos Distribuidos
A. S. Tanenbaum
Prentice-Hall, 1996
Sistemas Operativos Distribuidos
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Fernando Pérez Costoya
José María Peña Sánchez
Índice del Curso
• Introducción y conceptos
• Comunicación en sistemas
distribuidos
• Sistemas de ficheros distribuidos
y servicios de directorio.
• Sincronización y coordinación
• Sistemas de memoria distribuida
• Gestión de procesos
• Seguridad en sistemas
distribuidos
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Entornos Distribuidos
y
Casos de Estudio
Índice de Temas
Tecnologías
•CORBA
•DCOM
•DCE
•Java:
•Jini
•RMI
•EJB
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José María Peña Sánchez
Objetivos
• Conceptos (Objetivo Principal)
– Diseño de sistemas distribuidos (No sólo sistemas operativos).
– Problemática de sistemas distribuidos:
•
•
•
•
Transacciones y concurrencia.
Nombrado y organización.
Seguridad.
Configuración y optimización.
• Técnicas (Objetivo Secundario)
– Tecnologías y entornos de desarrollo distribuidos.
– Herramientas de desarrollo.
– “Guía de referencias”.
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Fernando Pérez Costoya
José María Peña Sánchez
Direcciones de Contacto
Información Actualizada:
• Página de la asignatura:
– http://laurel.datsi.fi.upm.es/~ssoo/SOD/
Profesores Responsables:
• Fernando Pérez Costoya
– <[email protected]>
• José María Peña Sánchez
– <[email protected]>
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Fernando Pérez Costoya
José María Peña Sánchez
Sistemas Operativos Distribuidos
Introducción y
Conceptos
Contenidos del Tema
• Evolución de los sistemas operativos:
– Definición de sistema centralizado.
– Definición de sistema distribuido.
•
•
•
•
•
•
•
Ventajas y desventajas de los sistemas distribuidos.
Sistemas operativos distribuidos.
Sistemas operativos de red.
Middlewares.
Objetivos de un sistema distribuido.
Componentes de un sistema distribuido.
Notación y formalismos.
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José María Peña Sánchez
Arquitectura de Sistemas Centralizados
• Único computador (caro y de gran potencia) con terminales
alfanuméricos directamente conectados.
• Entornos de empresa:
– Soporte multiusuario
– Uso de mainframes o minicomputadores
• Entornos científicos:
– Ejecución eficiente de aplicaciones
– Uso de supercomputadores
• Uso ocasional de la red:
– Transferir ficheros o logins remotos
• Interfaz de usuario poco amigable
– Interfaces gráficas gastan muchos recursos
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Arquitectura de Sistemas Distribuidos
• Conjunto de procesadores conectados por una red
• Cada usuario tiene capacidad de procesamiento local que
permite interfaces de usuario sofisticadas.
• Uso intensivo de la red para compartir recursos:
– dispositivos
– datos
– procesadores (migración de procesos)
• Capacidad global de procesamiento disponible para:
– Servicio a múltiples usuarios
– Ejecución paralela de una aplicación
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Nacimiento de los Sistemas Distribuidos
Causas:
• Tecnología de microprocesadores: relación potencia/coste.
• Tecnologías de comunicaciones:
– Protocolos de comunicaciones.
– Redes de área local (LAN): Coste y prestaciones.
– Internet
• Factores comerciales:
– Comercio electrónico: e-comerce.
– Información distribuida (WWW).
– Reducción de costes.
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Características de un Sistema Distribuido
Definición: [Tan95]
Un sistema distribuido es una colección de computadoras
independientes que aparece ante los usuarios del sistema como
una única computadora.
 Recursos distribuidos para un trabajo común.
 N computadoras  Un “servicio” único a los usuarios.
Tradicionalmente (1972):
– Clasificación de Flynn: SISD, SIMD, MISD, MIMD
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Características de un Sistema Distribuido
Un sistema distribuido implica las siguientes consecuencias:
• No existe un reloj común: Afecta a cualquier aspecto de
coordinación y mensajes.
• Concurrencia global: Los elementos del sistema se ejecutan
realmente en paralelo.
• Fallos independientes: Los modos de fallo del sistema
pueden ser locales a un subconjunto de sus componentes.
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Evolución de los Sistemas Operativos
• Sistemas Operativos
Centralizados.
• Sistemas Operativos
en Red
• Sistemas Operativos
Distribuidos
• Sistemas
Cooperativos
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Sistema
Objetivos
Gestión de recursos,
Sistema Operativo
“Máquina extendida”,
Centralizado
(Virtualidad)
Sistema Operativo Compartición de recursos,
en Red
(Interoperabilidad)
Vista única de varias
Sistema Operativo
computadoras
Distribuido
(Transparencia)
Sistema
Cooperativa
Trabajo cooperativo,
(Autonomía)
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José María Peña Sánchez
Capas de un Sistema Operativo
La visión esquemática de un sistema operativo comprende los
siguientes niveles:
•
•
•
•
•
Hardware.
Núcleo (kernel).
Servicios del sistema.
Programas de aplicación.
Usuarios.
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Usuarios
Aplicaciones
Servicios
Kernel
Hardware
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Responsabilidades del Kernel
Kernels Monolíticos:
Muchas funcionalidades dentro del kernel:
planificador, gestión de memoria, drivers,...
Servicios
Kernel
Computadora
m-Kernels:
Se sacan funcionalidades del kernel. Sólo quedan:
(i) comunicación entre procesos, (ii) administración
de memoria, (iii) administración y planificación de
bajo nivel y (iv) entrada/salida de bajo nivel
Servicios
m-Kernel
m-Kernel
m-Kernel
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Servicios
m-Kernel
Computadora
Servicios Distribuidos:
Estructura de sistema distribuido. Dependiendo
del nivel se habla de: Sistema Operativo
Distribuido, Sistema en Red o (Cooperativo).
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Heterogeneidad de un Sistema
Distribuido
Un sistema distribuido puede estar formado por multitud de
elementos conectados por redes LAN o WAN:
–
–
–
–
–
–
–
–
Terminales X y Estaciones Java (Network Computer).
PCs y estaciones de trabajo.
Sistemas portátiles (redes móviles: GSM, WAP y ...)
Minicomputadores.
Supercomputadores.
Multiprocesadores con memoria compartida o no.
Servidores especializados (de almacenamiento, de impresión, ...).
Sistemas empotrados.
Fomentada por los siguientes factores:
– Extensibilidad de los sistemas distribuidos.
– Especialización de los servidores.
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Ventajas de los Sistemas Distribuidos
• Economía: Buena relación rendimiento/coste
– Ley de Grosch (obsoleta):
Prestaciones = cte x (Precio)2
• Alto rendimiento: Procesamiento paralelo.
• Soporte de aplicaciones inherentemente distribuidas.
– Por ejemplo: empresa distribuida geográficamente
• Capacidad de crecimiento: Escalabilidad.
• Fiabilidad y disponibilidad: Tolerancia a (ciertos) fallos.
• Carácter abierto y heterogéneo:
– Estándares de interoperabilidad.
• Compartir recursos y datos.
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Desventajas de los Sistemas Distribuidos
• Necesidad de un nuevo tipo de software:
– Más complejo.
– No hay todavía un acuerdo sobre cómo debe ser.
• Red de interconexión introduce nuevos problemas:
– Pérdida de mensajes y saturación.
– Latencia puede provocar que al recibir un dato ya esté obsoleto.
– La red es un elemento crítico.
• Seguridad y confidencialidad
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Aplicaciones de los Sistemas Distribuidos
• Servicios Internet: correo, noticias, Web, ... nuevos servicios.
• Redes corporativas e intranets.
• Procesamiento paralelo:
– Procesamiento masivo (solución a la eficiencia).
– Topología distribuida (problemas de naturaleza distribuida)
• Sistemas distribuidos de gestión de bases de datos y
explotación de los mismos: e.g. Data Warehousing.
• Aplicaciones multimedia.
• Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de control.
• Sistemas distribuidos de tiempo real.
• ..... < y muchos más >
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José María Peña Sánchez
Distribución de los Sistemas Operativos
• Sistemas operativos para multiprocesadores con memoria
compartida (SMP):
– Software fuertemente acoplado
– sobre Hardware fuertemente acoplado
• Sistema operativo distribuido (SOD):
– Software fuertemente acoplado
– sobre Hardware débilmente acoplado
• Sistema operativo en red:
– Software débilmente acoplado
– sobre Hardware débilmente acoplado
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Sistemas Operativos para SMPs
Arquitecturas de varios procesadores (2 a 8) con memoria
compartida de acceso uniforme (SMP: Simetric Multiprocesors)
Características:
–
–
–
–
–
“Ligeras” variaciones sobre versiones tradicionales.
Sólo hay una copia del sistema operativo.
Concurrencia se traduce en paralelismo real ( tiempo compartido).
Comercialmente aceptados (Linux, WinNT, Solaris, AIX, ...).
Plantea retos para: la ejecución del núcleo en varios procesadores
(llamadas al sistema concurrentes) , los mecanismos de
sincronización (spin-locks), optimización y planificación (afinidad al
procesador), ...
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Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)
Definición: [Gal00]
Un sistema operativo distribuido es un conjunto de procesadores
interconectados por redes que ocultan dicha característica
mostrando una visión al usuario de “uniprocesador virtual”.
Características:
– Ejecuta sobre un sistema distribuido haciendo creer a los usuarios
que se trata de un sistema centralizado.
– Trasparencia: Debe ocultar factores derivados de la distribución.
– Es fácil de decir pero no de hacer.
– Cada sistema alcanza hasta cierto punto esta meta.
– Los fracasos pueden generar frustraciones en los usuarios.
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Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)
Problemática:
– Cada nodo tiene su copia del sistema operativo: ¿Qué tareas se
realizan localmente y cuáles son globales?
– ¿Cómo lograr exclusión mutua sin memoria compartida?
– ¿Cómo tratar los interbloqueos sin un estado global?
– Planificación de procesos: Cada copia del sistema operativo tiene su
cola de planificación (migración de procesos).
– ¿Cómo crear un árbol de ficheros único?
– Implicaciones de la falta de reloj único, la presencia de fallos o la
heterogeneidad.
Principal aportación:
– Se han desarrollado nuevos conceptos y planteamientos que se han
podido trasladar a los otros modelos de sistemas distribuidos.
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Fernando Pérez Costoya
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Evolución de los SOD
• Primeros SO de red:
– Incluir servicios de red en SO convencional
– Ejemplo: UNIX 4BSD (1980)
• Paulatina incorporación de más funcionalidad:
– ONC de Sun (1985): incluye NFS, RPC, NIS
• Primeros SOD:
– Nuevos SO pero basados en arquitecturas convencionales
(monolíticas)
– Ejemplo: Sprite de la Universidad de Berkeley (1988)
• SOD basados en m-kernel. Ejemplos:
– Mach de CMU (1986)
– Amoeba diseñado por Tanenbaum (1984)
– Chorus de INRIA en Francia (1988)
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Sistemas Operativos en Red
Definición: [Cho97]
Red de computadoras débilmente acopladas en las que no existe
un control externo directo sobre el hardware/software de cada
computadora para la compartición de recursos.
Características:
–
–
–
–
No dan la visión de uniprocesador virtual (máquinas independientes).
Cada una ejecuta una copia de sistema operativo (distinto).
Sistema operativo convencional + utilidades de red.
Protocolos de comunicación para intercambio de recursos y acceso a
servicios de alto nivel.
– Desde rcp/rlogin hasta Open Network Computing (ONC) de Sun.
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Sistemas Cooperativos
Definición: [Cho97]
Sistemas software orientados a servicios de alto nivel que
requieren el soporte de mecanismos de comunicación en base a
los cuales los protocolos de comunicaciones de alto nivel se
construyen.
Características:
– Se mantiene el grado de trasparencia sacrificando la visión de único
sistema. Son sistemas autónomos independientes.
– Se construyen en base a middlewares (CORBA, DCE, DCOM, ...)
– Los sistemas resultan de la integración de múltiples servicios
proporcionados por diferentes elementos de la red.
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Middleware
Middleware:
– Capa de software que ejecuta sobre el sistema operativo local
ofreciendo unos servicios distribuidos estandarizados.
– Sistema abierto independiente del fabricante.
– No depende del hardware y sistema operativo subyacente.
Ejemplos:
– DCE (Open Group).
– CORBA (OMG).
– ...
Middleware
SO
SO
SO
Hardware
Hardware
Hardware
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José María Peña Sánchez
Objetivos de un Sistema Distribuido
En general el desarrollo de sistemas distribuidos intenta poner
solución a los siguientes objetivos:
–
–
–
–
–
–
Transparencia.
Fiabilidad.
Rendimiento.
Capacidad de crecimiento.
Flexibilidad.
Seguridad.
Sistemas operativos distribuidos, sistemas en red y sistemas
cooperativos requieren diferentes facetas de estos objetivos.
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Transparencia
Existen varios perfiles de trasparencia:
–
–
–
–
–
–
–
–
Acceso: Manera de acceder a recurso local igual que a remoto.
Posición: Se accede a los recursos sin conocer su localización.
Migración: Recursos pueden migrar sin afectar a los usuarios.
Concurrencia: Acceso concurrente no afecta a los usuarios.
Replicación: La existencia de réplicas no afecta a los usuarios.
Fallos: La ocurrencia de fallos no afecta a los usuarios.
Crecimiento: El crecimiento del sistema no afecta a los usuarios.
Heterogeneidad:Carácter heterogéneo no afecta a los usuarios.
¿Es buena tanta transparencia?
– A veces el usuario precisa conocer cómo es el sistema subyacente
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Fiabilidad
Fiabilidad como disponibilidad:
–
–
–
–
Teóricamente: OR-lógico de sus componentes.
En ciertos casos: AND-lógico de varios componentes.
Mecanismos: redundancia y evitar componentes críticos.
Tolerancia a fallos: Los componuentes pueden no caerse pero
funcionan de forma errónea.
Fiabilidad como coherencia:
– Se dificulta con la redundancia: inconsistencias
La fiabilidad está relacionada con la seguridad (otro objetivo).
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Fernando Pérez Costoya
José María Peña Sánchez
Rendimiento
Rendimiento para un servicio multiusuario:
– Objetivo: Rendimiento no peor que un sistema centralizado
Rendimiento para la ejecución paralela de aplicaciones:
– Objetivo: Rendimiento proporcional a procesadores empleados
Factores:
– Mayor número de procesadores
– Elementos críticos:
• Especialmente la red: Latencia de la comunicación, uso de caches, ...
– Grano de paralelismo (relación proceso/comunicación).
– Replicación de elementos/tareas.
– Equilibrado de carga.
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José María Peña Sánchez
Capacidad de Crecimiento
Diseño de un sistema distribuido debe evitar “cuellos de botella”:
– Componentes centralizados
– Tablas centralizadas
– Algoritmos centralizados
Problemática agravada por el número de elementos:
–
–
–
–
Ninguna máquina tiene información completa del estado del sistema
Las decisiones se basan sólo en información disponible localmente
El fallo de una máquina no debe invalidar el algoritmo
No debe asumir la existencia de un reloj global
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Flexibilidad
Capacidad para ampliarlo o extenderlo con nuevas
funcionalidades de forma sencilla.
Definición de responsabilidades:
– Sistemas con m-kernel:
•
•
•
•
Comunicación entre procesos.
Cierta administración de memoria.
Administración y planificación de procesos (limitada y de bajo nivel).
Entrada/salida de bajo nivel.
– El resto, servicios a nivel de usuario.
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José María Peña Sánchez
Flexibilidad
Un elemento fundamental de la flexibilidad son los sistemas
abiertos.
El desarrollo de estos sistemas requiere:
–
–
–
–
–
Sus interfaces y protocolos deberían ser públicos.
Contrario a ”tecnología propietaria”.
Uso de estándares siempre que sea posible.
Disponibilidad de su código fuente (libremente o no).
Regulación por parte de un colectivo (usuarios u organizaciones) y
no por particulares (fabricantes).
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Componentes de un Sistema Distribuido
El desarrollo de un sistema distribuido complejo requiere el uso
de las siguientes funciones y servicios:
–
–
–
–
–
–
Servicios de comunicación.
Sistemas de ficheros y nombrado distribuido.
Servicios de sincronización y coordinación.
Memoria compartida distribuida.
Gestión de procesos.
Servicio de seguridad.
Estas funcionalidades se plasman en elementos concretos del
sistema: componentes, protocolos, algoritmos, soporte
hardware/software, ...
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Servicios de Comunicación
• Modelos de interacción:
–
–
–
–
–
–
Cliente/servidor: (2-niveles, 3-niveles o n-niveles)
Peer-to-peer: Equilibrio de roles.
Intermediarios: Proxy, Dispacher, Caches, ...
Unicast vs Multicast
Fiabilidad.
Síncronos vs Asíncronos
• Tecnologías de comunicación:
–
–
–
–
Paso de mensajes: Berkeley sockets.
Llamada a procedimientos remotos: RPC.
Tecnologías de objetos distribuidos: CORBA, DCOM, EJB
Código móvil: Entornos de agentes.
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Sistemas de Ficheros Distribuidos
Identificación, localización y acceso a elementos del entorno
distribuido.
Comprende:
– Sistemas de ficheros distribuidos (SFD): NFS, AFS.
– Servicios de nombres: DNS, COS-Naming (CORBA).
– Servicios de directorio: X.500, LDAP, JNDI.
Cuestiones:
– Arquitectura de los servicios.
– Almacenamiento intermedio: caching.
– Replicación y coherencia.
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Servicios de Sincronización y
Coordinación
Comprende los conceptos de:
– Tiempo en entornos distribuidos: Sincronización de relojes y relojes
lógicos.
– Concurrencia y Paralelismo: Exclusión mutua e interbloqueos.
– Algoritmos distribuidos: Elección de líder, coordinación, ...
– Transacciones: Propiedades ACID, modelos de commit/rollback.
Afecta a otros servicios:
–
–
–
–
Nombrado e identificación.
Seguridad y fiabilidad.
Comunicaciones.
...
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Memoria Compartida Distribuida (DSM)
Hardware:
– Memoria físicamente compartida.
– Memoria distribuida (lógicamente compartida).
– Acceso uniforme vs acceso no uniforme.
Distributed Shared Memory:
– Basada en páginas.
– Basada en variables compartidas.
– Basada en objetos.
Modelos de consistencia
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Gestión de Procesos
• Taxonomía de los procesos:
– Niveles de granularidad.
– Congelación de procesos (persistencia).
– Migración de procesos (estado/código).
• Planificación de procesos:
–
–
–
–
Planificación interna: Procesos y threads.
Planificación global.
Migración y equilibrado de carga.
Aprovechamiento de máquinas inactivas.
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Servicio de Seguridad
Tipología de los ataques:
– Privacidad y confidencialidad.
– Autenticación (spoofing).
– Denegación de servicio.
Modelos y herramientas de seguridad:
–
–
–
–
Cifrado: clave pública (RSA) y privada (DES).
Protocolos de seguridad: IPsec, SSL.
Certificados y firmas digitales: X.509.
Elementos de seguridad: Firewalls.
Entornos seguros: e.g. Kerberos.
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José María Peña Sánchez
Notación
La asignatura tiene dos partes:
– Parte de la asignatura dependiente de “ciertas“ tecnologías:
•
•
•
•
•
API de sockets.
RPCs.
CORBA.
DCOM.
Java: RMI, EJB y Jini.
– Parte de la asignatura independiente de tecnologías:
•
•
•
•
Conceptos.
Técnicas.
Algoritmos.
Estrategias de diseño.
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José María Peña Sánchez
Notación y Formalismos
• Objetivo de la notación: No atar ninguna solución a una
tecnología concreta.
• Notaciones y formalismos usados:
–
–
–
–
Pseudocódigo: Algoritmos y ejemplos.
Objetos: Escenarios de interacción, patrones distribuidos.
Formalismos matemáticos: Seguridad, sincronización.
Metodologías y arquitecturas: Nomenclatura y semántica.
• Se optará por el más apropiado en cada caso.
• No debe ser un impedimento para entender el concepto.
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Wrapper Facade
Patrón de diseño que encapsula los factores y características
dependientes de las APIs de desarrollo del sistema operativo o
tecnología usada. [SSR00]
Escenario:
Aplicación
Wrapper Facade
llamadas Datos
método1(){
funciónA();
funciónB();
}
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método1()
...
metodoN()
llamadas
API FunciónA
llamadas
API FunciónB
llamadas
API FunciónC
métodoN(){
funciónC();
}
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José María Peña Sánchez
Wrapper Facade
Ejemplo:
– Semáforo genérico.
Protege un región de
exclusión mútua
– acquire(): entrada
en la región.
– release(): salida
de la región.
– Implementación:
Depende del SO.
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class Thread_Mutex
{
public:
Thread_Mutex();
Thread_Mutex();
void acquire();
void release();
};
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