Fallbeispiel Unix. Betriebssysteme. Hermann Härtig TU Dresden

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1 Fallbeispiel Unix Betriebssysteme Hermann Härtig TU Dresden

2 Wegweiser Unix-Grundkonzepte Adressraum Systemaufrufe Prozesserzeugung Prozess-Kommunikation Signale Pipes Sockets Betriebssysteme WS 2018, UNIX!2

3 Prozesse Unix-Prozess is a program execution e Programm e Thread e Adressraum Besitzer" aller Betriebsmittel (Speicher, Dateien,...) repräsentiert Przipale (durch User-ID/Group-ID) Viele Prozesse pro Rechner Benutzerprozesse Htergrund-Systemprozesse ( daemons ) Betriebssysteme WS 2018, UNIX!3

4 Prozesse Name User-Mode Daten dem Prozess zugeordnete Kern-Strukturen werden nur im Kern manipuliert Betriebssysteme WS 2018, UNIX!4

5 3G stack poter 20K 8K 0 Prozess A BS Stack BSS Data Text Adressraum Daten-Segment: globale Daten Data: itialisierte Daten BSS: per Konvention mit 0 itialisiert erweiterbar durch Systemaufruf Textsegment: Maschencode read only erste Seite frei zum Entdecken nicht-itialisierter Poter Stack-Segment: Kellerspeicher enthält Funktionsparameter, lokale Variablen und Rücksprung-Adresse Betriebssysteme WS 2018, UNIX!5

6 Kern-Adressraum Prozessspezifisch Prozessspezifisch weitere Datenstrukturen des Kerns z. B. Liste aller Prozesse, Tabelle der offenen Dateien Kern-Code Gerätespeicher Zwischenspeicher für Festplatte Betriebssysteme WS 2018, UNIX!6

7 Systemaufrufe Funktionalitäten des Betriebssystem-Kerns werden über Systemaufrufe (System-Calls) angefordert. Beispiel status = read (file, buffer, count); Ergebnis: Anzahl der gelesenen Bytes Konvention: -1 Fehler Grund für Fehler: errno Betriebssysteme WS 2018, UNIX!7

8 Schutz des Kerns? Prozesse sollen durch getrennte Adressräume voreander isoliert se gemesamer Zugriff auf den Kern würde diesen Schutz untergraben read(...) { }... Wie werden Kern- Strukturen geschützt? Wie wird der Kern sicher aufgerufen? Betriebssysteme WS 2018, UNIX!8

9 Prozessor-Modi: usermode/kernelmode Kernelmode Alle Instruktionen User- und Kernel-Mode Speicher Usermode Teilmenge User-Mode Teil des Adressraums Umschalten des Adressraums Betriebssysteme WS 2018, UNIX!9

10 Ablauf ees Systemcalls Bei Systemcalls wird der Kernmodus egeschaltet, dadurch wird der Kern-Adressraum sichtbar Stack Stack Stack auf den Kern-Stack geschaltet an ee feste Esprungstelle gesprungen und von dort kontrolliert verzweigt dann führt der Kern die angeforderte Operation aus Betriebssysteme WS 2018, UNIX!10

11 Kernaufruf im Detail read(...) { Benutzerprozess //Parameteraufbereitung... call = read; t 0x80 // trap Kern //TRAP-Entry switch (call) { case read:... iret //return from trap case write:... } //weiter geht's User-Mode: ke Zugriff auf Kern-Adressraum Kernel-Mode: Zugriff auf Kernund Benutzer-Adressraum Betriebssysteme WS 2018, UNIX!11

12 Erzeugung von Prozessen X = fork(); //Erstellen eer exakten Kopie des Aufrufers //klusive Adressraum, aller Dateideskriptoren... parent fork child if (X == 0) { //child code } else { // parent code, X==pid of child prtf( new child: PID = %d\n, X); } Betriebssysteme WS 2018, UNIX!12

13 Weitere Kernaufrufe s = exec(file, argument, environment) ersetzt Speicherhalt durch Inhalt von file und führt file aus schreibt Argumente und Umgebungsvariablen an Anfang des Kellersegments exit(status) existiert noch (als Zombie ), bis Eltern-Prozess wait ausführt überträgt Ergebnis zum Eltern-Prozess s = waitpid(pid, status, ) wartet auf Ende des Kdprozesses pid bei pid = -1 auf irgende Kd Ergebnis des Kdprozesses status Betriebssysteme WS 2018, UNIX!13

14 Beispiel: Shell mittels fork/exec read (command, params); X = fork(); // erzeugt Kopie des Aufrufers (d.h. der Shell) // Kd erhält fd des Eltern-Prozesses // beide Prozesse setzen Abarbeitung hter fork fort if (X < 0){ // Fehlerbehandlung } else if (X!= 0) { // Parent-Prozess waitpid(x, &status, 0); // warte auf Kd-Prozess } else { // Child exec(command, params, env); } Betriebssysteme WS 2018, UNIX!14

15 Beispiel: Shell mittels fork/exec read (command, params); X = fork(); read (command, params); X = fork(); if (X < 0){ } else if (X!= 0) { // Parent waitpid(x, &status, 0); } else { // Child exec(command,params,env); } if (X < 0){ } else if (X!= 0) { // Parent waitpid(x, &status, 0); } else { // Child exec(command,params,env); } Betriebssysteme WS 2018, UNIX!15

16 Beispiel: Shell mittels fork/exec read (command, params); X = fork(); // Programm-Code von command... if (X < 0){ } else if (X!= 0) { // Parent waitpid(x, &status, 0); } else { // Child exec(command,params,env); } exit Betriebssysteme WS 2018, UNIX!16

17 it der erste Prozess Systemstart und Log it Prozess-ID 1 log log shell cp log shell Betriebssysteme WS 2018, UNIX!17

18 Wegweiser Unix-Grundkonzepte Adressraum Systemaufrufe Prozesserzeugung Prozess-Kommunikation Signale Pipes Sockets Betriebssysteme WS 2018, UNIX!18

19 Datei-Deskriptoren shell err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!19

20 Kernterne Datenstrukturen Open File Table file poter R/W poter to i-node reference counter file poter R/W poter to i-node reference counter Allokation Plattenblöcke I-Node Mode Mode Lk count Lk count Uid Uid Gid Gid File size File size Times Times Addresses of first 10 Adresses disk blocks of first 10 disk blocks Sgle direct Sgle direct Double direct Double direct Triple direct Triple direct Betriebssysteme WS 2018, UNIX!20

21 Signale Senden von Signalen: z. B. kill-kernaufruf: kill(pid, signal_number) Termaltreiber Disponieren: gar nichts: Default-Verhalten, z. B. Abbruch ignorieren: Signal verpufft blockieren: Signal wird nach unblock zugestellt zustellen: Signalhandler wird aufgerufen Betriebssysteme WS 2018, UNIX!21

22 Signale Signal Cause SIGABRT Sent to abort process and force a core dump SIGALARM The alarm clock has gone off SIGFPE A floatg pot error has occurred (e.g., division by 0) SIGHUP The phone le the process was usg has been hung up SIGILL The process has executed an illegal mache struction SIGINT The user has hit the DEL key to terrupt the process SIGQUIT The user has hit the key requestg a core dump SIGKILL Sent to kill a process (cannot be caught or ignored) SIGPIPE The process has written on a pipe with no readers SIGSEGV The process has referenced an valid memory address SIGTERM Used to request that a process termate gracefully SIGUSR1 Available for application-defed purposes SIGUSR2 Available for application-defed purposes Betriebssysteme WS 2018, UNIX!22

23 Pipes und Filterketten Programme lesen von Standard-Egabe und schreiben nach Standard-Ausgabe diese Kanäle belegen stets die ersten drei Datei- Deskriptoren (0, 1, 2) Pipe: Datenkanal, auf Datei-Deskriptoren abgebildet Ke Unterschied, ob Lesen/Schreiben von/ Datei oder über Pipe zu eem anderen Prozess. cat a > b cat < a > b cat a uniq cat a sort uniq Betriebssysteme WS 2018, UNIX!23

24 Shell-Ebene: Prozesse als Filter cat < src.txt sort Datenstrom als durchgängiges Konzept, spezielle Dateien per Konvention (std, std) Normalfall: Tastatur als Standard-Egabe Termal als Standard-Ausgabe E/Ausgabe als Spezialfall von Dateien Betriebssysteme WS 2018, UNIX!24

25 Beispiel: cat < > read (command, params); X = fork(); if (X < 0) { // Fehlerbehandlung } else if (X!= 0) { waitpid(x, &status, 0); // warte auf Kd-Prozess } else { close(0); open(,...); // ersetze vorhandene fd s close(1); open(,...); // durch / } exec(command, params, env); Betriebssysteme WS 2018, UNIX!25

26 Shell-Ebene: Prozesse als Filter cat < src.txt sort Pipes als Datenstrom-Dateien Betriebssysteme WS 2018, UNIX!26

27 Pipes und Filterketten z. B. cat sort pipe: erzeugt pipe mit 2 fd (fd1, fd2) fork: Kd1 für cat fork: Kd2 für sort shell Eltern-Prozess (shell): schliesst fd1, fd2 Kd1: schließt fd2 schließt std fd1 std schließt fd1 exec cat Kd2: spiegelbildlich cat sort Betriebssysteme WS 2018, UNIX!27

28 Aufbau eer Filterkette mit Pipes fork shell fork err pipe shell shell err err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!28

29 Aufbau eer Filterkette mit Pipes shell close err shell shell err err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!29

30 Aufbau eer Filterkette mit Pipes shell err shell shell close err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!30 err

31 Aufbau eer Filterkette mit Pipes shell err shell shell dup err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!31 err

32 Aufbau eer Filterkette mit Pipes wait shell err exec( cat ) cat exec( sort ) sort err err Betriebssysteme WS 2018, UNIX!32

33 Sockets Zwischen beliebigen Prozessen (nicht notwendig verwandt ) Beliebige Protokolle, auch über Rechnergrenzen Betriebssysteme WS 2018, UNIX!33

34 Sockets Client Client Client Server Netz Client create sock(protocol type) connect(adresse) Server create sock(protocol type) bd(adresse) listen accept Betriebssysteme WS 2018, UNIX!34

35 Zusammenfassung: Unix Erfolgreiches Betriebssystem (akademisch, Workstations, Server) Wenige, efache Designprzipien Viele Versionen Reimplementierungen/Ableger: Lux (Server, Desktop, egebettete Systeme), Android Solaris (Server) macos, ios Betriebssysteme WS 2018, UNIX!35