Peter Mandl. Grundkurs Betriebssysteme

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1 Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme

2 Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 164 Abbildungen und 6 Tabellen STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgend - einer Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säure freiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Ver brennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage , überarbeitete und aktualisierte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Christel Roß Walburga Himmel Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Betriebssysteme stellen Dienste für Anwendungssysteme bereit und werden auch nur für diese entwickelt. Ohne Anwendung bräuchte man nämlich auch kein Betriebssystem. Heutige Betriebssysteme wie Unix, Linux, Windows oder Großrechnerbetriebssysteme sind sehr komplexe Programmsysteme, in denen viele Jahre Entwicklungsleistung stecken und die auch ständig weiterentwickelt werden müssen. Sie nutzen viele Techniken und Strategien zur Gewährleistung einer hohen Leistungsfähigkeit und zur Bereitstellung von optimalen Services für die Anwendungen. Das vorliegende Lehrbuch befasst sich mit den Grundlagen von Betriebssystemen. In kompakter Form werden wichtige Grundkonzepte, Verfahren und Algorithmen dargestellt, die in modernen Betriebssystemen eingesetzt werden. Das Buch behandelt die folgenden Themenkomplexe: 1. Einführung 2. Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten 3. Interruptverarbeitung 4. Prozesse und Threads 5. CPU-Scheduling 6. Synchronisation und Kommunikation 7. Hauptspeicherverwaltung 8. Geräte- und Dateiverwaltung Der Schwerpunkt liegt bei sog. Mehrzweckbetriebssystemen oder Universalbetriebssystemen, die überwiegend für betriebliche Informationssysteme eingesetzt werden, weniger bei Realzeit- bzw. Embedded Systemen, die mehr in technischen Fragestellungen relevant sind. Einige grundlegende Konzepte gelten aber für alle Typen von Betriebssystemen. Kapitel 1 enthält eine Einführung in grundlegende Konzepte und Aufgaben von Betriebssystemen sowie eine historische Betrachtung. Kapitel 2 stellt wichtige Architekturvarianten und Betriebsarten von Betriebssystemen vor. In Kapitel 3 werden die Konzepte zur Interruptbearbeitung und zur Behandlung von Systemaufrufen diskutiert. V

5 Vorwort Im Kapitel 4 wird erläutert, wie heutige Betriebssysteme die Ressourcen Prozess und Thread verwalten. Was Threads sind und wie sie in höheren Programmiersprachen wie Java und C# verwendet werden können, wird ebenfalls dargestellt. Kapitel 5 beschreibt verschiedene Strategien zur Verwaltung von Prozessen und Threads (CPU-Scheduling = Ablaufplanung) und erläutert, wie ein Betriebssystem einen Prozess-/Threadwechsel durchführt (Dispatching = Arbeitsvorbereitung, Disposition). Verschiedene Scheduling-Strategien werden vorgestellt und mit Fallbeispielen unterlegt. Das Thema Synchronisation und Kommunikation wird in Kapitel 6 behandelt, wobei die grundlegenden Prinzipien paralleler bzw. nebenläufiger Bearbeitung von Objekten durch Prozesse und Threads erläutert werden. Als Mechanismen zur Synchronisation nebenläufiger Prozesse und Threads werden Locks, Semaphore, Mutexe und Monitore behandelt. Es wird gezeigt, wie man diese Mechanismen in höheren Sprachen wie Java und C# einsetzen kann. Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Prozessen oder Threads werden ebenfalls vorgestellt, wobei z.b. auf das Pipe-Konzept eingegangen wird. In Kapitel 7 werden schließlich die Konzepte der Hauptspeicherverwaltung ausführlich erläutert, wobei die virtuelle Speichertechnik im Mittelpunkt steht. Seitenersetzungsstrategien werden vorgestellt und Ansätze für die Verwaltung großer Adressräume skizziert. Ein grundlegender Einblick in einige Konzepte der Geräte- und Dateiverwaltung innerhalb von Betriebssystemen folgt schließlich in Kapitel 8. Es wird erläutert, wie die Geräteverwaltung ins Betriebssystem eingebettet ist und wie Dateisysteme prinzipiell funktionieren. Im Anhang sind einige Ergänzungen enthalten. Insbesondere werden einige Datenstrukturen, die in Betriebssystemen häufig verwendet werden, im Anhang einführend erläutert. In diesem Buch wird ein praxisnaher Ansatz gewählt. Der Stoff wird mit vielen Beispielen aus aktuell relevanten Betriebssystemen und Programmiersprachen angereichert. Als Beispiel-Betriebssysteme werden vorwiegend Windows, Unix und Linux herangezogen. Zu jedem Kapitel sind Übungsaufgaben beigefügt. Für das Verständnis einiger Programmbeispiele sind grundlegende Kenntnisse von Programmiersprachen (C, C++, Java und C#) nützlich, jedoch können die wesentlichen Konzepte auch ohne tiefere Programmierkenntnisse verstanden werden. Vom Leser werden ansonsten keine weiteren Grundkenntnisse vorausgesetzt. VI

6 Vorwort Der Inhalt des Buches entstand aus mehreren Vorlesungen über Betriebssysteme an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften FH München. Bedanken möchte ich mich sehr herzlich bei meinen KollegInnen Kerstin Schmidt und Georg Lackermair sowie bei meinem Tutor David Fehr für die tatkräftige Unterstützung und für die Diskussionen im Rahmen der Vorlesungen und Übungen. Auch bei meinen Studentinnen und Studenten, die mir Feedback zum Vorlesungsstoff gaben, möchte ich mich herzlich bedanken. Dem Verlag, insbesondere Frau Sybille Thelen, danke ich für die Unterstützung im Projekt und für die allzeit problemlose Zusammenarbeit. In der vorliegenden 2. Auflage wurden textliche Überarbeitungen sowie einige Aktualisierungen vorgenommen und es wurden zahlreiche Fehler behoben. Der Aufbau des Buches blieb bis auf die Aufteilung von Kapitel 1 in drei Einzelkapitel unverändert. Die Einführung in wichtige Datenstrukturen wurde in den Anhang verlegt. Für die zahlreichen textlichen Hinweise und die inhaltlichen Verbesserungsvorschläge möchte ich meinem Kollegen Herrn Prof. Dr. Christian Vogt recht herzlich danken. Fragen und Korrekturvorschläge richten Sie bitte an mandl@cs.hm.edu. Für begleitende Informationen zur Vorlesung siehe München, im Juli 2009 Peter Mandl VII

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Computersysteme Einführung Aufgabe von Betriebssystemen Hardwaremodelle CPU-Registersatz Beispiele für Microprozessor-Architekturen Multicore-Prozessoren und Hyperthreading-CPUs Unser einfaches Modell der Hardware Betriebssystem-Geschichte Historische Entwicklung Geschichte von Microsoft Windows und Unix Übungsaufgaben Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Betriebssystemarchitekturen Klassische Architekturen Mikrokern-Architektur Verteilte Systeme und Middleware Betriebssystem-Virtualisierung Architektur von Unix und Windows Betriebsarten Parallelisierung der Verarbeitung Teilhaber- versus Teilnehmerbetrieb Application-Server-Betrieb Terminalserver-Betrieb Handheld-Computing IX

8 Inhaltsverzeichnis 2.3 Übungsaufgaben Interruptverarbeitung Interrupts Überblick Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren Interrupt-Bearbeitung unter Windows Interruptverarbeitung unter Linux Systemaufrufe Übungsaufgaben Prozesse und Threads Prozesse Prozessmodell Prozessverwaltung Prozesslebenszyklus Threads Threadmodell Implementierung von Threads Vor-/Nachteile und Einsatzgebiete von Threads Programmierkonzepte für Threads Threads in Java Threads in C# Prozesse und Threads in konkreten Betriebssystemen Prozesse und Threads unter Windows Prozesse und Threads unter Unix und Linux Übungsaufgaben CPU-Scheduling Scheduling-Kriterien Scheduling-Verfahren Verdrängende und nicht verdrängende Verfahren X

9 Inhaltsverzeichnis Überblick über Scheduling-Verfahren Multi-Level-Scheduling mit Prioritäten Round-Robin-Scheduling mit Prioritäten Vergleich ausgewählter Scheduling-Verfahren CPU-Scheduling im ursprünglichen Unix CPU-Scheduling unter Linux CPU-Scheduling unter Windows Scheduling von Threads in Java Zusammenfassung Übungsaufgaben Synchronisation und Kommunikation Grundlegendes zur Synchronisation Nebenläufigkeit, atomare Aktionen und Race Conditions Kritische Abschnitte und wechselseitiger Ausschluss Eigenschaften nebenläufiger Programme Synchronisationskonzepte Sperren Semaphore Monitore Synchronisationstechniken moderner Betriebssysteme Synchronisationstechniken unter Unix Synchronisationstechniken unter Windows POSIX-Synchronisationstechniken Synchronisationsmechanismen in Programmiersprachen Die Java-Synchronisationsprimitive synchronized Warten auf Bedingungen in Java Weitere Synchronisationsmechanismen in Java C#-Monitore Die C#-Synchronisationsprimitive lock C#-Mutex-Objekte XI

10 Inhaltsverzeichnis C#-Lese- und Schreibsperren C#-Interlocked-Klasse Warten auf Bedingungen in C# Kommunikation von Prozessen und Threads Grundbegriffe der Kommunikation Möglichkeiten für eine rechnerinterne Kommunikation Fallbeispiel: Pipes Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation Übungsaufgaben Hauptspeicherverwaltung Grundlegende Betrachtungen Speicherhierarchien Lokalität Adressen und Adressräume Techniken der Speicherverwaltung Virtueller Speicher Grundbegriffe und Funktionsweise Optimierung der Speicherverwaltung Seitenersetzung und Verdrängung (Replacement) Vergleich von Seitenersetzungsverfahren Speicherbelegungs- und Vergabestrategien (Placement) Entladestrategie (Cleaning) Eine weitere Technik: Segmentadressierung Shared Memory Speicherverwaltung in ausgewählten Systemen Linux-Speicherverwaltung Windows-Speicherverwaltung Übungsaufgaben Geräte- und Dateiverwaltung Aufgaben und Überblick XII

11 Inhaltsverzeichnis Grundlegendes Gerätearten Geräteanbindung unter Unix Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA Dateiverwaltung Allgemeines Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows Storage-Systeme RAID-Plattensysteme NAS und SAN Übungsaufgaben Schlussbemerkung Lösungen zu den Übungsaufgaben Einführung Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung Prozesse und Threads CPU-Scheduling Synchronisation und Kommunikation Hauptspeicherverwaltung Geräte- und Dateiverwaltung Anhang A1 Zahlennamen A2 Metrische Grundeinheiten A3 Wichtige Datenstrukturen für Betriebssysteme Zeiger- und Referenztypen Sequenzen, Listen Stapelspeicher, Stack Warteschlangen, Queues XIII

12 Inhaltsverzeichnis Hashtabellen A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems A5 C#-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems Literaturhinweise Sachwortverzeichnis XIV