4. Betriebssysteme WS 2014/2015. Dr.-Ing. Elke Franz

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1 Fakultät Informatik Institut Systemarchitektur Professur Datenschutz und Datensicherheit WS 2014/ Betriebssysteme Dr.-Ing. Elke Franz

2 4 Betriebssysteme Definition Betriebssystem Eine Sammlung von Programmen, welche die Hardware und Ressourcen des Rechner verwaltet und allgemeine Dienste für andere Programme zur Verfügung stellt. erbringt Dienstleistungen für den Computer-Bediener, z.b. grafische Nutzeroberflächen stellt Routinelösungen für Hardware-Probleme bereit ermöglicht z.b. die Parallelarbeit mehrerer Komponenten Ein optimales Betriebssystem für alle Anforderungen gibt es nicht! z.b. widersprechen sich (mitunter) Forderungen nach max. Zugriffsicherheit und min. Zugriffszeiten Echtzeitgarantie und maximaler Systemauslastung Komfort und Effizienz, Übersichtlichkeit und Detailoptimierung Systemoptimierung und Weiterentwicklungsoptionen Systemoptimierung und Portabilität auf andere Systeme 2

3 4 Betriebssysteme Bootloader Bootloader ( Urlader ) Spezielle Software, welche beim Start des Rechners geladen und ausgeführt wird. Der Bootloader ist für das Laden der weiteren Teile des Betriebssystems zuständig. Wie kommt der Bootloader in den Hauptspeicher? Ausführen des im ROM (Nur-Lese-Speicher) gespeicherten Startprogrammes Beim PC zum Beispiel das BIOS (Basic Input Output System) Ausführen des Bootloaders von einem startfähigen Medium wie Festplatte oder USB-Stick In der Regel durch Zugriff auf einem speziellen Bereich des Mediums, z.b. dem Master-Boot-Record oder GUID Partition Table Der Bootloader lädt entweder direkt das Betriebssystem oder bietet im Fall von Bootmanagern eine Auswahl von zur Verfügung stehenden Betriebssystemen an. 3

4 4 Betriebssysteme Einfache Betriebssysteme Hauptspeicheraufteilung Steuerprogramm Ladeprogramm Systemroutinen Systemroutinen Anwenderprogramm (resident) (transient) uneingeschränkter Zugriff erforderlich privilegierter Modus möglichst Zugriff nur auf eigenen Speicherbereich nicht privilegierter Modus Resident Transient dauerhaft im Speicher nur im Speicher, wenn vom mindestens einem Anwendungsprogramm benötigt 4

5 4 Betriebssysteme Architekturmodelle Architekturmodelle beschreiben Anordnung der Komponenten des Betriebssystems funktionales Zusammenwirken dieser Komponenten Monolithische Architektur Wesentliche Komponenten sind zu einem homogenen Gebilde zusammenfasst Kernel Mode privilegiert; User Mode nicht privilegiert Kern-Schale-Architektur Wichtigste Komponenten sind in einem privilegierten Kern (kernel) zusammengefasst (z.b. Prozessverwaltung) ergänzende Bestandteile in der Schale (shell) 5

6 4 Betriebssysteme Architekturmodelle Hierarchische Schichten (Mehrschichtenmodell) System wird modularisiert und in einzelne Schichten geteilt Zwischen den Schichten gibt es definierte Schnittstellen Konsistente Schichten sind leicht austauschbar, Durchlaufen der Schichten führt ggf. zu Effizienzverlusten Quasi-konsistente Schichten erlauben den Zugriff auf tiefer liegende Schichten (Treppenstufenmodelle), aber evtl. unkontrollierbare Abläufen Anwendung 1 Anwendung n User Mode Anwendung 1 Anwendung n Kernel Mode BS BS Hardware konsistente Schichtung Hardware quasi-konsistente Schichtung 6

7 4 Betriebssysteme Grobe Schichtung Betriebssystemoberfläche bzw. Bedienerschnittstelle hierarchisch oberste Betriebssystemschicht möglichst bedienungseffiziente Nutzung der Anwendungsdienste Erschwerung von Fehlbedienungen leichte Erlernbarkeit Steuerungsfunktionen Prozessverwaltung Betriebsmittelverwaltung Hardwarezugriff Treiber ( Kapitel 2) Hardwareanpassung 7

8 4 Betriebssysteme Prozesse und Betriebsmittel Prozess entsteht bei Ausführung eines Programmes Prozessverwaltung Starten, Überwachen, Beenden von Prozessen evtl. Verwalten mehrerer zeitparalleler Prozesse (Multitasking) Betriebsmittel Ressourcen des Computersystems, welche die Prozesse zur Arbeit benötigen Hauptspeicherverwaltung Dateiverwaltung 8

9 4 Betriebssysteme Betriebsmittel Betriebsmittel (BM) Alle für den Lauf eines Programms erforderlichen Ressourcen. Reale Betriebsmittel Wiederspiegelung der tatsächlichen Hardware/Ressourcen, d.h. es werden keine Funktionen verborgen oder vorgetäuscht. Virtuelle Betriebsmittel nur scheinbar vorhandene Ressourcen, z.b. virtueller Hauptspeicher (evtl. größer als realer HS) virtuelle RAM-Disk (Daten im HS; Zugriff wie auf Disk) virtueller Drucker (Druck als Datei auf Festplatte) 9

10 4 Betriebssysteme Betriebsmittel: Klassifizierung Hardware-BM z.b. Prozessor, Hauptspeicher und periphere Geräte Software-BM z.b. Betriebssystemroutinen und Nachrichten wiederverwendbare BM z.b. Prozessor, Geräte verbrauchbare BM z.b. Nachrichten, Signale entziehbare BM z.b. Prozessor, Hauptspeicher nicht entziehbare BM z.b. Drucker, Festplatte nur ungeteilt nutzbare BM (exklusive BM) z.b. Prozessor, Drucker geteilt nutzbare BM z.b. Festplatte, Hauptspeicher 10

11 4 Betriebssysteme Verwaltung exklusiver BM Absicherung der konfliktfreien Nutzung exklusiver BM Zugriff auf BM nur über Betriebssystem BM-Vektor für jede Betriebsmittel-Klasse Anzahl und Identifikation der verfügbaren Einheiten Verweise auf spezielle BM-Eigenschaften Identifikation des nutzenden Prozesses bzw. Kennzeichen frei ggf. Liste der auf das BM wartenden Prozesse Betriebssystemdienste für Anforderung von BM Nutzung (BM-spezifische Verwaltungsroutinen) Freigabe 11

12 4 Betriebssysteme Verwaltung exklusiver BM Semaphor Datenstruktur mit Zählvariablen Z Ankeradresse ADR (für Warteliste) Bei Initialisierung wird Z i.a. auf den Wert 1 gesetzt. Funktion "Anfordern BM durch einen Prozess Z herunterzählen falls Z = 0 Zuteilung BM an Prozess Z < 0 Suspendierung Prozess; Aufnahme in Warteliste Funktion "Freigeben BM durch Prozess Z hochzählen falls Z=1 BM als frei kennzeichnen sonst BM anderem Prozess in Warteliste zuteilen 12

13 4 Betriebssysteme Verwaltung exklusiver BM Mögliches Problem: Verklemmung (Deadlock) Ein Deadlock ist ein Zustand, bei dem einige Prozesse wechselseitig aufeinander warten, so dass keiner dieser Prozesse mehr voranschreiten kann. Bedingungen für das Auftreten von Verklemmungen: Exklusive Nutzung der BM Prozesse, die bereits BM belegen, können weitere BM anfordern Bereits belegte BM können nicht entzogen werden Zyklische Wartebedingung: Prozesse fordern BM in unterschiedlicher Reihenfolge an Strategien zur Behandlung von Deadlock-Situationen: Problem ignorieren Erkennung und Behebung Dynamische Verhinderung durch vorsichtige BM-Zuteilung Vermeidung durch konzeptionelles Verbieten einer der vier Bedingungen 13

14 4 Betriebssysteme Hauptspeicherverwaltung Teil des Betriebssystems, welcher den Zugriff auf den Arbeitsspeicher des Computers ermöglicht Anforderung: Bereitstellung von Möglichkeiten der dynamischen Speicherallokation Aufgaben Zuweisung von Speicher an Prozesse Freigeben von Speicher, wenn Prozesse ihn nicht länger benötigen Effiziente Organisation freier und belegter Speicherbereiche Schutz der Speicherbereiche verschiedener Prozesse vor gegenseitigem Zugriff 14

15 4 Betriebssysteme Direkte Speicherverwaltung Vor allem bei älteren Systemen oder eingebetteten Systemen (nur ein Prozess wird gleichzeitig ausgeführt) Ermöglicht Prozess direkten und exklusiven Zugriff auf physikalischen Speicher Prozess steht kompletter Speicher zur Verfügung (er muss diesen aber nicht nutzen) Sehr einfache Art der Speicherverwaltung Keine Kontrolle des Betriebssystems über Speichernutzung Eigenverantwortung des Prozesses Prozess Freier Speicher Von Prozess 1 belegter Speicher Zur Verfügung stehende Speicherzellen (direkter physikalischer Speicher) 15

16 4 Betriebssysteme Segmentierung Unterteilung des Hauptspeichers in Segmente mit fester Größe Einfache Abstraktion vom tatsächlichen physikalischen Speicher Wenn Speicher durch Prozess angefordert wird, dann Vergabe von entsprechend vielen zusammenhängenden Segmenten Freigabe der Segmente, wenn Prozess Speicher nicht mehr benötigt Auslagerung von Speichersegmenten auf langsamere Medien wie Festplatte möglich, wenn zu wenig Speicher bereitsteht Problem: Fragmentierung des Speichers bei Freigabe einzelner Segmente Prozess 1 Prozess 2 Freier Speicher Von Prozess 1 belegter Speicher Zur Verfügung stehende Speichersegmente (verwaltet durch Betriebssystem) Von Prozess 2 belegter Speicher 16

17 4 Betriebssysteme Speicherbelegungstabellen Zeigen an, welche Teile des Hauptspeichers frei sind und welche an Nutzerprozesse vergeben wurden Realisierung: beispielsweise mit Belegungsvektoren (Bit Map) Bit Maps Hauptspeicher-Einteilung in (gleichgroße) Segmente jedem Segment wird in der Reihenfolge der Adressierung ein Bit zugeordnet Vermerk frei (0) / belegt (1) z.b. belegt: S1;S2;S6;S7;S8; frei: S3;S4;S5;S9; S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S

18 4 Betriebssysteme Fragmentierung des Speichers Szenario: 1. Hauptspeicher ist zunächst frei 2. Prozess 1 und Prozess 2 fordern Speicher an 3. Prozess 1 gibt Teile seines Speichers frei Freier Speicher Von Prozess 1 belegter Speicher Von Prozess 2 belegter Speicher 4. Prozess 2 benötigt zusätzlichen Speicher im Wert von drei Speichersegmenten Vergabe nicht möglich, obwohl ausreichend freier Speicher vorhanden, da Segmente nicht zusammenhängen Dies wird als Fragmentierung des Speichers bezeichnet (Speicherverschnitt durch nicht nutzbare Teile) 18

19 4 Betriebssysteme Vergabestrategien Beispiele für Vergabestrategien Schnelle Suche Vergabe des ersten geeigneten Hauptspeicherbereiches nach sequentieller Suche in den Speicherbelegungstabellen Optimale Suche Vergabe des kleinsten geeigneten Bereiches (Vermeiden von Fragmentierung) Stochastische Suche Vergabe irgendeines geeigneten Bereiches Hauptspeicherteilung (Buddy-Technik) schrittweise Halbierung des Speicherbereiches bei Hauptspeicheranforderungen und Zusammenfassung freier Speicherbereiche bei Rückgabe 19

20 4 Betriebssysteme Prinzip der Buddy-Technik Verwaltung einer Liste von Segmenten der Länge 2 k Zu Beginn ist Hauptspeicher in nur ein Segment unterteilt Wenn Prozess Speicher benötigt, wird passendes Segment vergeben Wenn angeforderter Speicher kleiner ist als alle verfügbaren Segmente, wird kleinstes Segment gewählt und halbiert Vorgang wird solange wiederholt, bis Segmente klein genug sind Prozess enthält eines der entsprechenden Segmente Unterteilte Segmente, welche komplett freigegeben wurden, werden wieder zu größeren Segmenten zusammengefasst Gesteigerte Effizienz und Verringerung von Fragmentierung Freier Speicher Von Prozess 1 belegter Speicher 1 Durch Buddy-Technik unterteilte Speicherblöcke (Zahlen geben Reihenfolge der Allokation an) Von Prozess 2 belegter Speicher Geteiltes Segment 20

21 4 Betriebssysteme Virtueller Speicher Jeder Prozess bekommt einen eigenen, vom realen (physischen) Speicher unabhängigen Adressraum Abstraktion von realen Adressen und Geräten und Verallgemeinerung der Speicherallokation durch Prozesse Jeder Prozess kann Speicher verwenden, als wäre er der einzige momentan laufende Prozess Umwandlung von virtuellen Adressen in reale Adressen durch das Betriebssystem Ermöglicht Auslagerung von Speicher auf andere Medien, ohne dass eine Umstellung für die Prozesse erforderlich ist Verhindert Fragmentierung (bzw. macht Fragmentierung irrelevant) Virtueller Speicher Prozess 1 Virtueller Speicher Prozess 2 Freier Speicher Realer Speicher Festplatte Von Prozess 1 belegter Speicher Von Prozess 2 belegter Speicher 21

22 4 Betriebssysteme Seitentabellen Unterteilung des virtuellen und realen Speichers in Speicherbereiche von ca. 4 KB bis 4 MB (virtueller Speicher: Seiten (Page), realer Speicher: Rahmen (Frame)) Seitentabelle verwaltet die Zuordnung von Seiten im virtuellen Speicher zu entsprechenden Rahmen im realen Speicher Seitentabelle enthält Informationen darüber, welche virtuelle Seite welchem physischen Rahmen zugeordnet ist Vermerk für virtuelle Seiten, für welche kein Rahmen verwendet wird ob eine Seite im physikalischen Speicher liegt oder ausgelagert wurde (und wohin diese ausgelagert wurde) 22

23 4 Betriebssysteme Seitenwechsel (Paging/Swapping) Problematik Das Betriebssystem weist jedem Prozess einen virtuellen Speicher von ca. 2 GB zu Der reale physikalische Speicher des Systems beträgt 4 GB und es laufen gleichzeitig 10 unterschiedliche Prozesse Wie kann das Betriebssystem trotzdem jedem Prozess entsprechend Speicher zusichern? Zum einen durch die Annahme, dass ein Prozess nicht den gesamten ihm zur Verfügung stehenden Speicher ausnutzt Zum anderen durch Auslagerung der Seiten auf die Peripherie wie z.b. Festplatten (Swap-Datei bzw. Swap-Bereich) Das Verschieben von Seiten zwischen Swap-File und physischem Speicher bezeichnet man als Paging Manche Seiten, wie z.b. der für die Speicherverwaltung verantwortliche Code verbleiben immer im physischen Speicher und werden niemals ausgelagert (feste Seiten (pinned pages)) 23

24 4 Betriebssysteme Seitenfehler (Page Fault) Seitenfehler treten auf, wenn ein Prozess auf eine Speicherbereich zugreift, welcher gerade nicht im physischen Speicher liegt, sondern ausgelagert wurde Generelle Vorgehensweise: Prozess wird angehalten Betriebssystem lädt Seite von Swap-File in physischen Speicher Prozess wird fortgesetzt Problem: Vorgang ist zeitaufwendig und wirkt sich stark auf die Leistung des Systems aus Seitenflattern: extrem häufige Seitenwechsel extrem lange Programmlaufzeiten Daher Seitenwechsel auf ein Minimum beschränken und intelligente Seitenwechselstrategien verwenden 24

25 4 Betriebssysteme Datenverwaltung Zugriff auf und Manipulation von Daten ist essentieller Bestandteil der Arbeit mit Computern Notwendig: langfristige Speicherung von Informationen Anforderungen: Möglichkeit der Speicherung großer Mengen von Informationen Informationen müssen die Terminierung der Prozesse, die diese verwenden, überleben Mehrere Prozesse müssen gleichzeitig auf die Informationen zugreifen können Komponente des Betriebssystems, die in Zusammenarbeit mit dem E/A-System dem Nutzer komfortable Dienste zur lanfgristigen Speicherung von Informationen anbietet Abbildung der Nutzerdaten auf Verwaltungseinheiten Realisierung von Zugriffsverfahren (sequentiell / direkt) Zuordnung von Speicherplatz (Spuren, Sektoren, Köpfe der Festplatte) Verwaltung freier und belegter Teile des Speichermediums 25

26 4 Betriebssysteme Datei und Dateisystem Datei (file) Menge von logisch zusammengehörigen Daten, die auf einem geeigneten Medium permanent gespeichert werden kann und über einen Bezeichner (Dateiname) identifizierbar ist. Übliche Konvention für Dateinamen: <name>.<erweiterung> Erweiterung gibt Hinweis auf Art des Inhalts, z.b. pdf, doc, bmp, Aus Sicht des Dateisystems sind alle Dateien eine Abfolge von Bytes Zugreifendes Programm bestimmt die Art der Verarbeitung Dateisystem Legt fest, wie Daten strukturiert, gespeichert und abgerufen werden Es existieren viele verschiedene Dateisysteme mit unterschiedlicher Struktur und Logik 26

27 4 Betriebssysteme Verzeichnisse Dateinamen müssen eindeutig sein bei größeren Datenträgern Einteilung in Verzeichnisse sinnvoll Wurzel-Verzeichnis Datenträger X Datei F1 Datei F2 Unterverzeichnis D1 Datei Unterverzeichnis D2 Datei F11 Datei F12 Unterverzeichnis D11 Datei F21 Unterverzeichnis D21 Datei F111 Datei F112 Datei F113 Datei F211 Datei F212 Dateikennzeichnung über Zugriffspfad\Dateiname, z.b. X:\D2\D21\F211 27

28 4 Betriebssysteme Ausgewählte Dateisysteme FAT (File Allocation Table) für kleine Datenträger Datei-ID besteht aus Name und Typ (max. 8 bzw. max. 3 Zeichen) NTFS (New Technology File System) für leistungsfähige Systeme (ab Windows XP) Verwaltung von Partitionen bis zu 256 TB (256 * Byte) Maximale Dateigröße ist 16 TB Bis zu Dateien und Verzeichnisse 255 Byte lange Dateinamen ext2, ext3, ext4 meistverwendete Linux-Dateisysteme (vergleichbar mit NTFS) Verwaltung von Partitionen bis zu 1 EB (10 18 Byte) Maximale Dateigröße so groß wie Dateisystem Unbegrenzte Anzahl von Unterverzeichnissen 256 Byte lange Dateinamen 28

29 4 Betriebssysteme Nutzerschnittstelle Zugriffsfunktionen 1. Verzeichnis anlegen / löschen / auswählen, Dateisuche 2. Bestehende Datei löschen / umbenennen Inputparameter: Dateiname (evtl. mit Zugriffspfad) Rückmeldung: O.K. bzw. Fehlermeldung (z.b. Datei nicht gefunden ) 3. Bestehende Datei öffnen / neue Datei erzeugen Inputparameter: Dateiname (evtl. mit Zugriffspfad) Interne Arbeit BS legt Dateiverwaltungsblock an Nummer des Blocks: (File) Handle Datei-Zeiger auf Dateianfang Rückmeldung: O.K. mit Handle bzw. Fehlermeldung (z.b. Datei nicht gefunden ) 29

30 4 Betriebssysteme Nutzerschnittstelle Zugriffsfunktionen 4. Geöffnete Datei Lesen, Schreiben, Schließen, Datei-Zeiger positionieren Inputparameter: Handle, evtl. Daten Rückmeldung: O.K. / gelesene Daten bzw. Fehlermeldung (z.b. Dateiende ) Angabe der Zugriffsart beim Öffnen der Datei Lesezugriff Inhalt der Datei kann nur gelesen werden Schreibzugriff Inhalt der Datei kann gelesen, verändert und wieder gespeichert werden Schließen der Datei nach Beendigung der Dateinutzung erforderlich! z.b. für Schreiben des restlichen Ausgabepuffers auf Speichermedium und Freigabe des Dateiverwaltungsblocks 30

31 4 Betriebssysteme File Handle Nummer des Dateiverwaltungsblocks, der beim Öffnen oder Anlegen einer Datei erstellt wird In der Regel ein Integer, eindeutiger Referenzwert für den Zugriff auf eine Datei Alle Operationen, welche auf eine Datei angewendet werden sollen, laufen über den entsprechenden File Handle Beispiel Öffnen der Datei example.txt mit Lesezugriff handle = fopen( example.txt, r ); Lesen der ersten drei Bytes der Datei data = fread(handle, 3); Schließen der Datei fclose(handle); 31

32 4 Betriebssysteme Datei-Zeiger (File Pointer) Zeiger auf das aktuell betrachtete Byte der Datei also auf die Daten, welche als nächstes gelesen oder geschrieben werden Ganze Zahl (Integer), welche bei Null beginnt und als Maximalwert die Länge der Datei in Bytes hat Durch Operationen wie Lesen oder Schreiben verschiebt sich der Datei- Zeiger, er kann aber auch direkt manipuliert werden Beispiel Öffnen einer Datei, File-Pointer zeigt auf erstes Byte Lesen der ersten drei Bytes Überschreiben der nächsten fünf Bytes

33 4 Betriebssysteme Organisation von Datenträgern Voraussetzung für Erkennung und Organisation des Dateisystems: Strukturierung des Datenträgers bzw. einer Partition Verwaltungsdaten des Dateisystems umfassen u.a.: Name des Datenträgers Zuordnung belegter und Lage freier Blöcke Verwaltung verschiedener Dateisysteme auf einem Datenträger ist möglich, dazu Aufteilung in logische Geräte bzw. Partitionen Jede Partition enthält Informationen über Start und Ende, freien Speicher, Bootfähigkeit, Typ und Art des Dateisystems Speicherung dieser Information auf dem Datenträger (Partitionstabelle) 33

34 4 Betriebssysteme Prozessverwaltung Programm Statische Folge von Anweisungen in einer Programmiersprache. Prozess In Ausführung befindliches Programm. Dynamische Folge von Aktionen, die durch Ausführung eines Programms auf einem Prozessor zustande kommt. Prozesse werden durch das Betriebsystem verwaltet. Sie können unterbrochen werden. Das Betriebssystem muss eine spätere Fortsetzung garantieren. Die Prozessverwaltung des Betriebssystems ermöglicht die (Quasi-)Parallelarbeit mehrerer Prozesse. 34

35 4 Betriebssysteme Prozessverwaltung Zeitparallele Abarbeitung von Prozessen prinzipiell möglich ohne wesentliche Laufzeiterhöhung der einzelnen Programme Betriebssystem muss dazu jedem Programm einen virtuellen Prozessor bereitstellen konfliktfreie Nutzung der Systemressourcen gewährleisten echte Parallelarbeit von Prozessen, falls jedem virtuellen Prozessor ein realer Prozessor zugeordnet ist Quasiparallelität, falls nur ein realer Prozessor verfügbar ist Einem virtuellen Prozessor wird realer Prozessor zugeordnet. Betriebssystem organisiert regelmäßige Prozessumschaltungen, damit alle Prozesse ablaufen können. 35

36 4 Betriebssysteme Prozessverwaltung Beispiel Betriebssystem organisiert für 8 Prozesse eine zeitzyklische Prozessumschaltung (Zeitscheibe) Ergebnis: Jeder Prozess hat einen virtuellen Prozessor (V) mit mindestens 1/8 der Leistung des realen Prozessors. V 8 V 7 V 1 V 6 P real V 2 V 5 V 3 V 4 36

37 4 Betriebssysteme Prozesszustände BS kann Prozesse erzeugen, abbrechen, anhalten, fortsetzen Schritte bei Erzeugung eines Prozesses Bereitstellung eines virtuellen Prozessors, des erforderlichen Hauptspeichers und evtl. weiteren Ressourcen Laden des Programmkodes und Bereitstellung von Informationen in Prozessumgebung (z.b. Dateinamen) Anlegen eines Steuerblockes zur Prozessverwaltung Prozesse arbeiten Programmschritte ab (nichtprivilegiert) können BS-Dienste nutzen, Betriebsmittel anfordern, besitzen, freigeben können jederzeit durch BS unterbrochen werden (Entzug BM Prozessor) können mit Hilfe von BS-Diensten mit anderen Prozessen kommunizieren können weitere Prozesse erzeugen (kreieren) müssen nach Erfüllung ihrer Aufgaben terminieren (Existenz beenden) 37

38 4 Betriebssysteme Prozesszustände Prozesse befinden sich aus BS-Sicht immer in einem der Zustände, zwischen denen sie während ihrer Existenz wechseln. BM Freigeben nicht existent Abbrechen durch BS Terminieren BM Anfordern Suspendierung durch BS aktiv Deaktivieren Aktivieren bereit Initiieren wartend Zuweisung BM ggf. BM-Freigabe durch andere Prozesse Aufhebung Suspendierung durch BS 38

39 4 Betriebssysteme Scheduling Scheduling (Ablaufplanung) Vorgehensweise des Betriebssystems bei der Zuteilung von Betriebsmitteln an die Prozesse. Die BS-Komponente, die diese Aufgabe durchführt, heißt Scheduler. Scheduler ordnet Prozessen anhand einer Vergabestrategie Zeitslots zu, in welchen sie den Prozessor nutzen können Kriterien für Scheduling-Algorithmen (Auswahl) Fairness: Jeder Prozess erhält gerechten Anteil der Prozessorzeit (kein Verhundern (starvation) von Prozesse). Effizienz: Der Prozessor ist vollständig ausgelastet. Durchsatz: Möglichst viele Prozesse sollen in möglichst kurzer Zeit abgearbeitet werden. Verweilzeit: Prozesse sollen so schnell wie möglich abgearbeitet sein. Wartezeit: Dauer des Zustands wartend möglichst kurz. Kompromisse bzgl. dieser Kriterien notwendig 39

40 4 Betriebssysteme Schedulingstrategien FIFO (First In First Out) / First-Come First-Served Prozesse werden nach der Reihenfolge ihres Eingangs verarbeitet (nicht verdrängende Strategie). Round Robin (Zeitscheibenverfahren) Jedem Prozess wird eine kurze Zeitspanne zugeteilt, nach welcher der nächste Prozess an der Reihe ist. Vergabe nach Prioritäten Jeder Prozess bekommt eine Priorität, die Abarbeitung erfolgt anhand dieser Priorität. Prioritäten können statisch oder dynamisch vergeben werden. Shortest Job First Prozess mit kürzester zu erwartender Rechenzeit wird bevorzugt behandelt, erfordert Kenntnis der Rechenzeiten. In der Praxis oft auch Kombination dieser Strategien, z.b. Round Robin und Prioritäten (Round Robin innerhalb von Prioritätsklassen). 40

41 4 Betriebssysteme Prozesszustandsblock Für alle Prozesse wird ein Prozesszustandsblock (PCB) angelegt mit aktuellem Zustand des Prozesses (Prozesskontext) PCB muss alle Informationen enthalten, die eine Fortsetzung unterbrochener Prozesse gestatten Name des Prozesses Globalzustand des Prozesses Priorität Betriebsmittelanforderung Betriebsmittelzuteilung Zur eindeutigen Identifikation Aktiv, bereit, wartend Welche Priorität hat der Prozess, besonders wichtig für Echtzeitsysteme Verwaltung aller Betriebsmittel, welche der Prozess benötigt Welche Betriebsmittel sind dem Prozess aktuell zugeteilt Parameter für entzogene Betriebsmittel Fortsetzungsparameter für nichtaktive Prozesse, z.b. Stand des Befehlsadressregisters, Registerinhalte des Prozessors, Bildschirminhalte, ausgelagerte Programmkomponenten usw. 41

42 4 Betriebssysteme Prozesswechsel Änderung der Prozessorzuteilung: Prozesswechsel, Kontextwechsel, i.d.r. durch Hardware- oder Software-Interrupt Scheduler: Auswahl des nächsten Prozesses Dispatcher (Prozessumschalter): Entzug des Prozessors und Vergabe an den nächsten Prozess (vom Scheduler ausgewählt) Schritte beim Prozesswechsel Kontext des aktuellen Prozesses sichern Zustand dieses Prozesses in bereit oder wartend ändern Scheduler: Auswahl des nächsten zu aktivierenden Prozesses Zustand des ausgewählten Prozesses von bereit in aktiv ändern Wiederherstellung des gesicherten Kontextes des aktivierten Prozesses, Fortsetzung 42

43 4 Betriebssysteme Threads Prozesse wegen umfangreichem Kontext oft schwergewichtig Threads: leichtgewichtige Prozesse innerhalb einer Anwendung, minimaler Kontext alle Threads innerhalb eines Prozesses nutzen denselben Adressraum Aufwand für Wechsel zwischen Threads eines Prozesses wesentlich geringer Zugriffe der Threads innerhalb eines Prozesses lassen sich nicht durch Adressraumgrenzen kontrollieren, oft zusätzliche Synchronisation erforderlich 43

44 4 Betriebssysteme Wechselwirkung zwischen Prozessen Unabhängige Prozesse Konkurrenz um Ressourcen Konflikte beim Zugriff auf exklusive Betriebsmittel Programmierfehler evtl. Auswirkungen auf andere Prozesse Abhängige Prozesse Erzeugung von (Kind-)Prozesse, dabei entstehen Hierarchien Prozessterminierung alle Prozesse (Väter, Söhne,...) beenden Kooperation: zielgerichtetes Zusammenwirken zur Erfüllung einer (komplexen) Aufgabe Synchronisation Beispiel: Erzeuger-Verbraucher-Problem gemeinsame Nutzung geteilt nutzbarer BM evtl. Zeitbeeinflussungen und Datenkonsistenzprobleme (Interprozess-)Kommunikation (Interprocess Communication, IPC): Austausch von Informationen zwischen parallelen kooperierenden Prozessen, oft durch Nachrichten (nachrichtenbasierte Synchronisation) 44

45 4 Betriebssysteme Kritische Abschnitte Prozess darf nur unterbrochen werden, wenn Fortsetzung zu späterem Zeitpunkt gewährleistet ist Ist dies nicht garantiert, liegt ein kritischer Abschnitt vor (Zugriff auf gemeinsam benutzten Speicher) Beispiel: Gemeinsamer Zugriff auf Variable x (aktueller Wert: 1) durch zwei Prozesse A und B Prozess A liest x ein, speichert den Wert 1 lokal ab und wird danach unterbrochen Prozess B wird aktiviert, liest x ein, erhöht x um 7 und speichert das Ergebnis (8) im gemeinsamen Speicherbereich ab Prozess A wird wieder aktiviert, erhöht den lokal gespeicherten Wert um 1 und speichert das Ergebnis (2) im gemeinsamen Speicherbereich Ergebnis abhängig vom Zeitverlauf Betriebssystem muss Methoden bereitstellen, mit der Umschaltung bei kritischen Abschnitten verhindert werden kann (z.b. Zugriffschutz über Semaphore) 45

46 4 Betriebssysteme Mehrnutzersysteme Abgegrenzte Arbeitsumgebung für verschiedene Nutzer Ursprünglich aus ökonomischen Gründen: Wenige, teure Großrechner, Maximieren der Nutzung der Systeme Heute vor allem Bedarf in Rechnernetzen (Zugriff auf Server etc.) Einfache Lösung: Nutzer arbeiten nacheinander mit dem System Nutzer meldet sich an System an, arbeitet mit dem System, meldet sich ab, der nächste Nutzer wiederholt diesen Vorgang Bessere Lösung: Betriebssystem mit Nutzerverwaltung Anmeldung am System z.b. über Netzwerk, zeitparallele Nutzung des Systems durch mehrere Nutzer, Teilen der Systemressourcen Anforderungen: Nutzeradministration (Einrichten von Nutzern, Verwalten von Rechten dieser Nutzer) Identitätsprüfung bei Sitzungsbeginn Zugriffskontrolle 46

47 4 Betriebssysteme Nutzeradministration Einrichten des Betriebssystems Einrichtung eines privilegierten Nutzers Administrator, Superuser uneingeschränkte Nutzerrechte hat Nutzerverwaltungsaufgaben o Anmeldung neuer Nutzer beim Betriebssystem o Zuordnung von Zugriffsrechten zu den Nutzern o Abmeldung von Nutzern Zugriffsrechte erlauben bzw. beschränken Zugriff auf Dateien, Systemressourcen, Programme oder Programmteile Beispiel: Für gewöhnlich sind Nutzer nicht berechtigt, Systemdateien zu verändern, private Dateien anderer Nutzer zu lesen oder die Festplatte zu formatieren. 47

48 4 Betriebssysteme Zugriffskontrolle Zugangskontrolle nur mit berechtigten Partnern kommunizieren Identifikation Benutzer- Prozess Zugriffsmonitor Berechtigung prüfen; Urheber und Operation protokollieren vor Zugriff auf Daten oder Programme Daten, Programme Zugriffskontrolle Subjekt kann Operationen auf Objekt nur ausführen, wenn es ein Recht dazu hat. 48

49 4 Betriebssysteme Identifikation Identifikation von Menschen durch IT-Systeme Was man ist hat Handgeometrie Fingerabdruck Aussehen eigenhändige Unterschrift Retina-Muster Stimme Tipp-Charakteristik Papierdokument Metallschlüssel Magnetstreifenkarte Chipkarte Taschenrechner Biometrie weiß Passwort, Passphrase Antworten auf Fragen Rechnerergebnisse für Zahlen 49

50 4 Betriebssysteme Zugriffsrechte Zugriffsberechtigungen Subjekt Operation Objekt Allgemein: Zugriffskontrollmatrix Datei 1 Datei 2 Datei 3 Datei 4 Datei 5 Nutzer 1 r/w/x r/-/- -/-/- -/-/- -/-/- Nutzer 2 -/-/- -/-/- r/w/x -/-/- r/-/- Nutzer 3 -/-/- r/w/- -/-/- r/-/- -/-/- Vereinfachung der Administration der Zugriffsrechte: Access Control List (ACL), Capability List (CL) 50

51 4 Betriebssysteme Portabilität v. Anwendungsprogr. Sind Anwendungsprogramme auf unterschiedlichen Systemen lauffähig? ja, wenn Übereinstimmung von Hardware, Betriebssystem,? bei Nichtübereinstimmung Kompatibilität von Binärkode Quellkode Maschinenkodeprogramme sollen portierbar sein nur bei Rechnerfamilien möglich Portierbar durch Übersetzung auf neuem Zielsystem interpretative Abarbeitung des Quellkodes z.b. Scriptsprachen (UNIX-Shellscripte, perl, php, ) 51

52 4 Betriebssysteme Virtuelle Maschinen (VM) Virtuelles Computersystem, welches nicht direkt auf Hardware ausgeführt wird, sondern auf Virtual Machine Monitor (Basis- Betriebssystem) VM entkoppelt von realer Hardware Jede VM kann ein eigenes Betriebssystem laden Mehrere VMs pro Host-System möglich Vorteile: Plattformunabhängigkeit Mehrnutzerbetrieb unabhängig vom Betriebssystem Nachteile: Ausführung von Programmen meist langsamer als bei direkter Ausführung Nutzung spezieller Hardware durch virtuelles System unter Umständen nicht möglich 52