1 Einführung 1. 2 Programmausführung und Hardware 25

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1 ix 1 Einführung Zweck Definitionen Einordnung im Computersystem Betriebssystemarten Klassische Einteilungen Moderne Einteilungen Geschichte Betriebssystemarchitekturen Architekturformen Benutzer-/Kernmodus Monolithische Systeme Geschichtete Systeme Mikrokernsysteme (Client/Server-Modell) Multiprozessorsysteme Verteilte Betriebssysteme Beispiele von Systemarchitekturen Zukünftige Systemarchitekturen aus Sicht der Forschung Programmausführung und Hardware Rechner- und Prozessorgrundlagen Grundmodell eines Rechners Befehlsverarbeitung in der CPU Prozessoraufbau Allgemeine Prozessorregister (general purpose registers) Steuerregister (control registers)

2 x 2.2 Grundlagen des Adressraums Adressraumtypen Bytereihenfolge (byte ordering) Adressraumbelegungsplan (memory map) Ausrichtungsregeln im Adressraum Adressraumbelegung durch Programme Adressraumnutzung durch C-Programme Grundlagen der Programmausführung Quell- und Binärcode Programmausführung und Programmzähler (PC) Funktionsweise des Stapels und Stapelzeigers (SP) Funktion des Programmstatusworts (PSW) Programmunterbrechungen (interrupts) Privilegierte Programmausführung (Benutzer-/Kernmodus) Unterprogrammmechanismen Unterprogrammaufruf und Komplettierung Formen des Unterprogrammaufrufs Parameterübergabe beim Unterprogrammaufruf Realisierung der Parameterübergabe und lokale Variablen Systemprogrammierung Wahl der Systemprogrammiersprache Mischsprachenprogrammierung Programmiersprache C Java Native Interface (JNI) Microsoft.NET-Sprachen Laufzeitsystem der Programmiersprache C Unterprogrammtechniken Formale und aktuelle Parameter Idempotente Unterprogramme Grundlagen der Systemprogrammierung Dienstanforderung und Erbringung Dienstparameter und Resultate Umgebungsvariablenliste (environment list) Dateideskriptoren & Handles Systemdatentypen Anfangsparameter für Prozesse Beendigungsstatus von Programmen Fehlerbehandlung Programmierung für 32- und 64-Bit-Systeme

3 xi 3.5 Systemprogrammierschnittstellen Aufrufverfahren Unix-Programmierschnittstelle Windows-Programmierschnittstelle Prozesse und Threads Parallelverarbeitung Darstellung paralleler Abläufe Hardware-Parallelität Software-Parallelität Begriffe Prozessmodell Grundprinzip Prozesserzeugung und Terminierung Prozesse unter Unix Funktionsweise der Unix-Shell Prozesse & Jobs unter Windows Vererbung unter Prozessen Systemstart und Prozesshierarchie Ausführungsmodelle für Betriebssysteme Threads Thread-Modell Vergleich Prozesse zu Threads Implementierung des Multithreading Threads & Fibers unter Windows Threads unter Unix Anwendungsprobleme Task-Konzept Prozessorzuteilungsstrategien Quasiparallelität im Einprozessorsystem Prozess- und Thread-Zustände Konzeptionelle Prozessverwaltung Zuteilungsstrategien Multiprozessor-Scheduling POSIX-Thread-Scheduling Java-Thread-Scheduling Scheduling unter Windows Scheduling unter Unix

4 xii 5 Synchronisation von Prozessen und Threads Synchronisationsbedarfe und Lösungsansätze Problem der Ressourcenteilung Verlorene Aktualisierung (lost update problem) Inkonsistente Abfrage (inconsistent read) Absicherung mit Selbstverwaltung naiver Ansatz Absicherung mit Selbstverwaltung korrekter Ansatz Absicherung mit Systemmitteln Semaphore Semaphortypen Implementierungsfragen Anwendung der Semaphore Absicherung kritischer Bereiche (mutual exclusion) Synchronisation von Abläufen (barrier synchronization) Produzenten & Konsumenten (producer and consumer) Leser & Schreiber (readers and writers) Problem der Prioritätsumkehrung (priority inversion) Weitere Anwendungsprobleme Implementierungen von Semaphoren Semaphore unter Unix Semaphore unter Windows Unix-Signale Idee & Grundprinzip der Unix-Signale Programmierung der Signale Signale im Multithreading Realtime-Signale Verklemmungsproblematik (deadlocks) Ursache Deadlock-Bedingungen Lösungsansätze und ihre Beurteilung Vermeidung von Synchronisationsengpässen Granularität der Absicherung Replikation der abgesicherten Ressource

5 xiii 6 Kommunikation von Prozessen und Threads Überblick über Synchronisation und Kommunikation Nachrichtenbasierte Verfahren Allgemeine Aspekte Unix-Pipes Windows-Pipes Unix Message Queues Windows-Messages Windows-Mailslots Speicherbasierte Verfahren Gemeinsamer Speicher unter Windows Gemeinsamer Speicher unter Unix Monitor Grundprinzip Java-Monitor Monitornachbildung mit Bedingungsvariablen Rendezvous Grundprinzip Synchronisation in Client/Server-Systemen (barber shop) Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation Netzwerksoftware Berkeley-Sockets Remote Procedure Call (RPC) Überblick über Middleware Ein- und Ausgabe Peripherie Einordnung im Rechnermodell Begriffsdefinitionen Ein-/Ausgabeabläufe Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen Ein-/Ausgabe mittels DMA Ein-/Ausgabearten im Vergleich Ein-/Ausgabesystem Treiber Geräteverwaltung

6 xiv Treiberschnittstelle Ein-/Ausgabeschnittstelle Ein-/Ausgabepufferung Treibermodell in Linux Treibermodelle in Windows (WDM & WDF) Massenspeicher Wichtigste Massenspeicher Eigenschaften von Festplattenlaufwerken Eigenschaften von Festkörperlaufwerken (SSD) Zugriffsplanung für Plattenspeicher (disk I/O scheduling) Pufferung von Plattendaten (disk cache) Benutzerinteraktion aus Systemsicht (Benutzeroberflächen) Allgemeines Systemarchitekturen Programmiermodelle Die Unix-Shell als Kommandointerpreter Funktionsweise und Programmierung des X-Window-Systems Funktionsweise und Programmierung des Windows-GUI Speicherverwaltung Speichersystem Einordnung im Rechnermodell Grundlegende Speicherprinzipien Speicherhierarchie & Lokalitätsprinzip Cache-Funktionsweise Dynamische Speicherbereitstellung (Heap) Verwaltungsalgorithmen Grundprinzip der Speicherzuordnung Übersicht Implementierungsvarianten Variante A: Variable Zuordnungsgröße Variante B: Feste Blockgrößen bzw. Größenklassen Variante C: Mehrfache einer festen Blockgröße Variante D: Buddy-System Heap-Erweiterung Heap-Management in Windows Verwaltung von Prozessadressräumen Adressraumnutzung durch Programme Adressraumverwaltung durch das Betriebssystem

7 xv 8.4 Realer Speicher Monoprogrammierung Multiprogrammierung mit Partitionen Verfahren für knappen Speicher Virtueller Speicher Adressumsetzung Seitenwechselverfahren (demand paging) Speicherabgebildete Dateien Gemeinsamer Speicher (shared memory) Dateisysteme Dateisystemkonzepte Logische Organisation Dateisystemfunktionen Gemeinsame Dateinutzung Speicherabgebildete Dateien Realisierung von Dateisystemen Konzeptionelles Modell Blockspeicher als Grundlage Organisationsprinzipien UFS traditionelles Unix-Dateisystem Datenträgeraufteilung Dateihaltung und Verzeichnisorganisation Index Nodes (Inodes) FAT traditionelles Windows-Dateisystem Datenträgeraufteilung Aufbau der Belegungstabelle (FAT) Verzeichnisdaten NTFS modernes Windows-Dateisystem Entstehung und Eigenschaften Logische Struktur und Inhalt einer NTFS-Partition NTFS-Streams Dateispeicherung Dateiverzeichnisse ZFS zukunftweisendes Dateisystem Datenträgerverwaltung Datenintegrität Pufferung und Deduplizierung Interoperabilität

8 xvi 9.7 Netzwerkdateisysteme Logische Sicht Implementierung NFS Network File System in Unix SMB Netzwerkdateisystem in Windows Spezielle Dateisystemtechnologien Protokollierende Dateisysteme Schattenkopie Disk Scheduling Datenträgerpartitionierung Anwendungsbereiche Master Boot Record (MBR) GUID Partition Table (GPT) Programmentwicklung Software-Entwicklungswerkzeuge Ablauf der Programmübersetzung Darstellung von Übersetzungsvorgängen mittels T-Notation Automatisierte Übersetzung Versionsverwaltung Adressraumbelegung und Relokation Storage Class Programmorganisation in Sektionen Relokation von Programmen Programmbibliotheken Grundlagen und Begriffe Anwendungsbereiche Programmbibliotheken unter Unix Programmbibliotheken unter Windows Skriptprogrammierung unter Unix Anwendungsbereiche Die Shell als Programminterpreter Portabilität und Kompatibilität Erstellung von Skriptprogrammen Ausführung von Skriptprogrammen Elemente der Skriptsprache Shell-Befehle Shell-Variablen

9 xvii Stringoperatoren für Shell-Variable Metazeichen Synonyme und Funktionen Bedingte Tests (conditional tests) Arithmetik Kontrollstrukturen für Skripte Sicherheit Schutzziele Autorisierung und Zugriffskontrolle Grundlagen und Begriffe Schutzdomänenkonzept Schutzstrategien Hochsichere Betriebssysteme Sicherheit unter Unix Sicherheit unter Windows Virtualisierung Anwendungsbereiche Virtualisierungstypen Virtuelle Prozessoren Virtuelle Prozessumgebungen Virtuelles Betriebssystem Virtueller Desktop Virtuelle Ressourcen Sandboxing (virtuelles Laufzeitsystem) Virtuelle Computer (Stufe Computerhardware) Virtual Machine Monitor bzw. Hypervisor Anforderungen VMM-Funktionsweise VMM-Typen Einsatzgebiete

10 xviii 13 Mobile Betriebssysteme Gemeinsame Eigenschaften Anforderungen durch die Plattform Middleware als Betriebssystem Google Android Überblick Architektur System- und Applikationsstart Lebenszyklus von Applikationen Nachrichtensystem Apple ios Microsoft Windows Phone Mozilla Firefox OS A Anhang 667 A.1 Maßeinheiten und Darstellungen A.1.1 Maßeinheiten in der Informatik A.1.2 Darstellung von Bitmustern A.1.3 Oktal- und Hexadezimalzahlen A.1.4 Kennzeichnung der Zahlensysteme A.1.5 Rechnerinterne Zahlendarstellungen A.1.6 Textzeichensätze A.2 Instruktionssatz der Intel x86-prozessoren Literaturhinweise 683 Index 689