代码实现高性能异构分布式并行网络文件系统

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wx5f184b1820e35 2024-08-10 23:19:38 ©著作权

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C++ 代码实现高性能异构分布式并行网络文件系统

元数据管理模块（Metadata Management Module）

负责管理文件系统的元数据，包括文件和目录的层次结构、文件的属性、权限等。包括元数据服务器（MDS）和客户端交互的API。

// metadata_manager.h
#pragma once
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <mutex>

class MetadataManager {
public:
    struct FileInfo {
        std::string name;
        size_t size;
        std::string owner;
        time_t creation_time;
        time_t modification_time;
        std::vector<std::string> storage_nodes; // 节点存储信息
    };

    MetadataManager() = default;

    bool CreateFile(const std::string& file_name, const std::string& owner);
    bool DeleteFile(const std::string& file_name);
    FileInfo GetFileInfo(const std::string& file_name);

private:
    std::unordered_map<std::string, FileInfo> file_table_;
    std::mutex mutex_;
};

// metadata_manager.cpp
#include "metadata_manager.h"

bool MetadataManager::CreateFile(const std::string& file_name, const std::string& owner) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    if (file_table_.find(file_name) != file_table_.end()) {
        return false; // 文件已存在
    }
    FileInfo file_info = {file_name, 0, owner, time(nullptr), time(nullptr), {}};
    file_table_[file_name] = file_info;
    return true;
}

bool MetadataManager::DeleteFile(const std::string& file_name) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    return file_table_.erase(file_name) > 0;
}

MetadataManager::FileInfo MetadataManager::GetFileInfo(const std::string& file_name) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    return file_table_.at(file_name);
}

数据存储模块（Data Storage Module）

负责将实际的数据存储在不同的存储节点上，支持数据的分片和复制。提供数据的写入、读取和删除操作。

// data_storage.h
#pragma once
#include <string>
#include <vector>

class DataStorage {
public:
    DataStorage() = default;

    bool WriteData(const std::string& file_name, const std::vector<char>& data);
    std::vector<char> ReadData(const std::string& file_name);
    bool DeleteData(const std::string& file_name);

private:
    std::unordered_map<std::string, std::vector<char>> storage_;
};

// data_storage.cpp
#include "data_storage.h"

bool DataStorage::WriteData(const std::string& file_name, const std::vector<char>& data) {
    storage_[file_name] = data;
    return true;
}

std::vector<char> DataStorage::ReadData(const std::string& file_name) {
    return storage_.at(file_name);
}

bool DataStorage::DeleteData(const std::string& file_name) {
    return storage_.erase(file_name) > 0;
}

数据传输模块（Data Transfer Module）

负责在存储节点之间以及客户端与存储节点之间传输数据。包括高效的数据传输协议，支持异构网络环境。

// data_transfer.h
#pragma once
#include <string>
#include <vector>

class DataTransfer {
public:
    DataTransfer() = default;

    bool SendData(const std::string& node_address, const std::vector<char>& data);
    std::vector<char> ReceiveData(const std::string& node_address);
};

// data_transfer.cpp
#include "data_transfer.h"

bool DataTransfer::SendData(const std::string& node_address, const std::vector<char>& data) {
    // 在实际实现中，使用socket或其他传输协议发送数据
    // 这里简化为一个模拟操作
    return true;
}

std::vector<char> DataTransfer::ReceiveData(const std::string& node_address) {
    // 模拟接收数据
    return std::vector<char>();
}

负载均衡与容错模块（Load Balancing and Fault Tolerance Module）

负责在不同的存储节点之间均衡负载，避免某些节点过载。提供容错机制，如数据的冗余存储和节点故障恢复。

// load_balancer.h
#pragma once
#include <string>
#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <mutex>

class LoadBalancer {
public:
    LoadBalancer() = default;

    std::string GetBestNode();
    void ReportNodeStatus(const std::string& node_address, bool is_overloaded);

private:
    std::unordered_map<std::string, bool> node_status_;
    std::mutex mutex_;
};

// load_balancer.cpp
#include "load_balancer.h"

std::string LoadBalancer::GetBestNode() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    for (const auto& node : node_status_) {
        if (!node.second) {
            return node.first;
        }
    }
    return ""; // 所有节点均过载
}

void LoadBalancer::ReportNodeStatus(const std::string& node_address, bool is_overloaded) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    node_status_[node_address] = is_overloaded;
}

并行处理模块（Parallel Processing Module）

提供并行数据处理的支持，利用多线程和多节点进行并行计算和文件操作。

// parallel_processing.h
#pragma once
#include <thread>
#include <vector>
#include <functional>

class ParallelProcessing {
public:
    ParallelProcessing() = default;

    void ExecuteInParallel(const std::vector<std::function<void()>>& tasks);

private:
    void WorkerThread(const std::function<void()>& task);
};

// parallel_processing.cpp
#include "parallel_processing.h"

void ParallelProcessing::ExecuteInParallel(const std::vector<std::function<void()>>& tasks) {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (const auto& task : tasks) {
        threads.emplace_back(&ParallelProcessing::WorkerThread, this, task);
    }
    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }
}

void ParallelProcessing::WorkerThread(const std::function<void()>& task) {
    task();
}

安全与认证模块（Security and Authentication Module）

负责用户身份认证、访问控制以及数据传输的加密，保证文件系统的安全性。

// security.h
#pragma once
#include <string>

class Security {
public:
    Security() = default;

    bool AuthenticateUser(const std::string& username, const std::string& password);
    std::string EncryptData(const std::string& data);
    std::string DecryptData(const std::string& data);
};

// security.cpp
#include "security.h"

bool Security::AuthenticateUser(const std::string& username, const std::string& password) {
    // 简化的用户认证实现
    return username == "admin" && password == "password";
}

std::string Security::EncryptData(const std::string& data) {
    // 简化的加密实现
    return data; // 实际实现应进行加密
}

std::string Security::DecryptData(const std::string& data) {
    // 简化的解密实现
    return data; // 实际实现应进行解密
}

Python 代码实现高性能异构分布式并行网络文件系统