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1 Übersicht Modul: Programmierung (B-PRG) Grundlagen der Programmierung 1 Teil 3 Betriebssystemschichten und virtuelle Maschinen Prof. Dr. R. Brause Adaptive Systemarchitektur Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12) Betriebssysteme, Schichten und virtuelle Maschinen Prozesse, Nebenläufigkeit Synchronisierung, Kommunikation, nicht-seq. Programmierung Dateioperationen, Dateisysteme Sicherheit und Schutzmechanismen Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 2 Einführung Benutzungsrelationen Was ist ein Betriebssystem?? die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten? die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist Benutzer benutzt Benutzerprogramm benutzt Betriebssystem benutzt Maschinenhardware Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 3 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 4

2 Betriebssystemschichten Typischer Betriebssystemaufbau Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell Benutzer 1 Benutzer N User 1 User 2 User 3 Compiler Editor... Spiele Betriebssystemdienste HW Anwendung 1 Benutzeroberfl äche User Interface Management System Betriebssystemkern Operating System Kernel Dienstprogramm Werkzeug Systemaufruf Maschinencode Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 5 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 6 UNIX-Betriebssystemkern Windows NT - Anforderungen user mode kernel mode Multi-User Benutzer- Shell 1 Benutzer- Programm 1 Benutzer- Shell 2 System- Programm 1 Multi- programming System- Programm 2 Überprüfbare Schnittstelle und Funktionsverte ilung Implementierungsunabhängige Schnittstellen: Portable Operating System Interface based on UniX Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 7 Speicherverwaltung Serielle Ein/Ausgabe Dateisystem Display Platte TTY Drucker Maus Netz Floppy Prozessmanagement kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS,.. zuverlässig und robust leicht übertragbar auf andere CPUs (Portierbarkeit) leicht veränderbar und anpassungsfähig leistungsstark Geht das überhaupt? Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 8

3 Windows NT - Betriebssystemkern Windows NT - Lösungen user mode kernel mode Logon Object Manager Security Process Manager Win/DOS Client Win32 POSIX Systemdienste Local Memory Proc. Calls Manager Kernelservices POSIX Client Abstraction Layer HAL Security Monitor OS/2 OS/2 Client I/O System Kompatibilität pro emuliertes BS ein extra (Server), von Kunden (Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (system calls) auf. Robustheit Trennung der Programm-Ablaufumgebungen (virt. Maschinen) kein direkter zugriff, fehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste Portierbarkeit In C geschriebene Module, auf modell aufsetzend Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 9 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 10 Python OS-Modul: Prozessoperationen BS-Schnittstellen Schnittstellen in Python exec*(...) Sofortiges Ausführen eines Programms; das jetzige wird nach dessen Start abgebrochen. * = l, le, lp, lpe feste Parameterzahl, e=envir, p=use path in e = v, ve, vp, vpe variable Parameterzahl pid = fork() Prozesserzeugung durch Kopie, Eltern: pid=0 (Unix) sys.exit(n) Abbruch des Prozesses. _exit(n) für fork () n = Ergebniscode spawn*(...) Sofortiges Ausführen eines Programms; das jetzige läuft nach dessen Start weiter. * = l, le, lp, lpe feste Parameterzahl, e=envir, p=use path in e = v, ve, vp, vpe variable Parameterzahl Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 12

4 Python OS-Modul: Prozess-Parameter getlogin Benutzername uname(sysname, nodename, release, version, machine) Alles über die Maschine environ, getenv, Arbeitsumgebung: putenv Definition der Variablennamen fchdir(fd), chdir(path), Arbeitsordner-Pfadnamen cwd get, set : uid Benutzer ID des Prozesses gid, pgid(pid), pgrp, groups Gruppen IDs des Prozesses pid, ppid Eltern ID des Prozesses umask (mask) Erzeugermaske des Prozesses Python OS-Modul: Dateioperationen fdopen read,write close popen - Erzeugen oder Öffnen von Dateien - Lesen und Schreiben auf Dateien - Schliessen von Dateien - Aufsetzen von pipes remove, rename - Löschen oder Umbenennen von Dateien chmod, chown - Lesen und Setzen von Zugriffsrechten von Dateien access - Test auf Zugriffsrechte an Dateien oder Pfade listdir, mkdir, - Auslesen, Erzeugen,Löschen von Ordnern rmdir Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 13 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 14 Python Betriebssystem-nahe Module platform Identifikation des benutzten Betriebssystems locale, gettext lokale bzw. nationale Besonderheiten curses Ansteuerung der blinkenden Bildschirmmarke mutex Objekte zum gegenseitigen Ausschluss time, datetime Abfrage und Konversion der Zeit stat Typ einer Datei (file, pipe, special device, link, directory, socket) getpass Einlesen des Passworts getopt Einlesen und parsing der übergebenen Parameter shutil höhere Dateioperationen wie Kopieren, Verschieben oder Löschen eines ganzen Dateibaums. Schnittstellen und Virtuelle Maschinen Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 15

5 Schnittstelle : Beispiel Schnittstellen : Verallgemeinerung Rechteck zeichnen, Länge dx, Breite dy DrawRectangle(float dx,dy) Methode :DrawRectangle Daten: float dx,dy Protokoll: zuerst Modul Grafik initialisieren dann Skalierung setzen dann Bezugspunkt setzen schließlich Rechteck zeichnen. benutzt die Methode drawline mit den Daten x0,y0,x1,y1 Eine Schnittstelle besteht aus Daten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte) Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle) Die Implementierung benötigt dazu Daten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle ). Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 17 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 18 Schnittstellen & Abstrakte Datentypen Abstrakter Datentyp = Zugriff auf Daten nur über definierte Funktionen (Kapselung) Schnittstellen: Export & Import Export/ Import ist relativ bzgl. einer Sicht! Methode1(.) Methode2(.) Attribut A code Kapselung Daten information hiding Objekt Export Modul 1 Import Schnittstelle des ADT = Zugriff + Reihenfolge des Zugriffs = Funktionen + Protokoll Import Modul 2 Export Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 19 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 20

6 Virtuelle Maschinen: Beispiel (x0,y0) (x1,y1) DrawRectangle(x0,y0,x1,y1) Graphic Processor Unit (GPU) Display(RAM) Zeichne ein Rechteck DrawRectangle(x0,y0,x1,y1) Virtuelle Maschine Abstrakte Maschine DrawRectangle(x0,y0,x1,y1) V1 DrawLine(x0,y0,x1,y0) DrawLine(x1,y0,x1,y1) DrawLine(x1,y1,x0,y1) DrawLine(x0,y1,x0,y0) SetPoint(x0,y0,black) SetPoint(x0+dx,y0,black) Display(RAM) Maschine 1 Maschine 2 V2 V3 V4 Virtuelle Maschinen Schichtenabstraktion Schicht 3 Zeit Schicht 2 Schicht 1 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 21 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 22 Beispiel: virtuelle CPU Software - -Migration bei virt. CPU Konfiguration 1 Konfiguration 2 Programm in Java-Code Java-Code / Maschinencode CPU- Programm in Java-Code Microcodeund CPU- Vorteile Programm muss bei HW-Wechsel nicht geändert werden Unabh. HW-Entwicklung je nach Kundenwunsch Virtuelle, logische, physikalische Geräte Beispiel: virtueller Festplattenspeicher logisches Gerät = physikalisches Gerät + HW-Treiber. virtuelles Gerät = logische Geräte +Verwaltungstreiber storage management Kontrolle Treiber für log. Geräte Virtuelles Gerät Daten log. Gerät 1 log. Gerät 2 Treiber 1 phys. Gerät 1 Treiber 2 phys. Gerät 2 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 23 Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 24

7 Beispiel: Virtueller Massenspeicher Storage Area Network SAN LAN asym. Pooling metadata server Ortsinfo Block I/O Lun 2 file server NAS Network Attached Storage S A N Grundlagen der Programmierung 1 -Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 25