3. Grundlagen der Systemprogrammierung

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1 3.1 Betriebssysteme Zum täglichen Umgang des Systemprogrammierers gehört in erster Linie das Betriebssystem des Rechners, mit dem er arbeitet. Es ist daher selbstverständlich, daß er sich einen guten Einblick in die Eigenschaften und Besonderheiten dieses Systems verschaffen muß. Hauptaufgaben von Betriebssystemen Wir erläutern hier als Wiederholung kurz die wesentlichen Komponenten eines Betriebssystems. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 1 von 15

2 Speicher-Verwaltung Zuweisung und Überwachung des Betriebsmittels Speicher (Haupt- und Hintergrundspeicher), Führung von Tabellen der Speicherbelegung durch Benutzerjobs bzw. Prozesse (laufende Programme). Bedienung von Anforderungen und Freigabe von Speicher. Prozessor-Verwaltung Zuteilung des Betriebsmittels Prozessor an die zum Ablauf bereiten Prozesse. Die meisten größeren Systeme arbeiten dabei im Multiprogramming-Betrieb. Darunter verstehen wir die Bearbeitung von mehreren in kleinen Zeitabschnitten verzahnten Aufgaben. Von großer praktischer Bedeutung ist dabei der Zuteilungsalgorithmus. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 2 von 15

3 Prozeß-Verwaltung Betreuung sämtlicher Prozesse (im Ablauf befindlicher Programme) im Rechnersystem. Erzeugung von neuen Prozessen auf Anforderung des Betriebssystems bzw. anderer existierender Prozesse, Entfernung von Prozessen aus dem System. I/O-Geräte-Verwaltung Effiziente Zuweisung von I/O-Geräten und Vermittlungseinheiten (Datenkanäle, Steuereinheiten), Vermeidung von Konflikten; Initiierung, Überwachung der Ausführung, Terminierung von I/O-Vorgängen, Datenkonversion, logische Kontrolle des File-Systems. Dabei werden vor allem Dienstleistungen der Prozeß-Verwaltung in Anspruch genommen. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 3 von 15

4 Dienstprogramme Hierzu gehören sämtliche Programme, die das System dem Benutzer für spezielle Aufgaben zur Verfügung. Dazu gehören Editoren, Kopierprogramme, Textverarbeitungsprogramme, Utilities zum Lesen von Magnetbändern,... Schichtenmodelle Um in die Komplexität und Vielfalt eines Rechnersystems mit Betriebssystem und der weiteren Systemsoftware eine Struktur zubringen, verwendet man gern ein Schichtenmodell. Jede der Schichten des Modells ist durch eine Menge von Operationen charakterisiert, die sie zur Verfügung stellt. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 4 von 15

5 Man nennt die Gesamtheit der von einer Schicht bereitgestellten Operationen auch virtuelle oder abstrakte Maschine. Ein Schichtenmodell ist als gedankliche Abstraktion eines konkreten Systems natürlich nicht eindeutig. Ein gängiges Modell sieht folgendermaßen aus: H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 5 von 15

6 3.2 Systemaufrufe Bei jedem Betriebssystem hat der (System-)Programmierer prinzipiell die Möglichkeit, Dienste zumindest einer, manchmal auch mehrerer, Schichten in Anspruch zu nehmen. Diese Dienste heißen Systemaufrufe (syn. System-Calls, Supervisor-Calls). Systemaufrufe führen Aufgaben wie Datenblöcke von Files lesen, Files löschen, Prozesse erzeugen, Semaphore manipulieren aus. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 6 von 15

7 Der Mechanismus der Systemaufrufe ist systemabhängig. Dies erschwert die Portierung systemnaher Programme. Systemaufrufe können in der Assemblersprache des Systems erfolgen, häufig auch in Hochsprachen (C unter UNIX). Oft stellen Compiler Interfaces zwischen Assembler und Hochsprache bereit. Folgendes Diagramm: Vorgänge bei einem Systemaufruf unter MS-DOS H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 7 von 15

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9 A Anwendungsprogramm erzeugt DOS-Systemaufruf über Software- Interrupt B DOS-Kern wird aufgerufen, dekodiert Kommando C,D Kern ruft Gerätetreiber über Software-Interrupt auf E Treiber ruft Handler im BIOS auf über Call F Handler beendet Dienst; die Kontroille geht zurück an Anwendungsprogramm H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 9 von 15

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11 3.3 Klassifizierung von Systemaufrufen Üblicherweise werden Systemaufrufe in einem konkreten Betriebssystem nach ihrer Funktionalität klassifiziert. Die folgenden Tabelle führt die gängigen Gruppen auf. Gleichzeitig werden Beispiele für UNIX genannt. H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 11 von 15

12 Funktionalitätsgruppen UNIX-Beispiele für systemnahe Routinen Fehlerbehandlung perror, strerror I/O-Funktionen creat, open, close, read, write, link, readlink, symlink, lseek, fcntl, dup, dup2, ioctl File-Manipulation chmod, chown, access, stat, fstat, lstat, utime Directory-Manipul. chdir, mkdir, rmdir, getcwd, ftw, opendir, readdir, closedir, rewinddir, seekdir, telldir Filesystem-Manipul. mount, umount, mknod, sync Prozeß-Steuerung fork, vfork, exec, getpid, getuid, setuid, geteuid, seteuid, getpgrp, setpgrp, exit, wait, kill, signal, sleep, sigaction, sigsuspend, sigprocmask, alarm, pause H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 12 von 15

13 Speicher-Allokation brk, sbrk (malloc, calloc, realloc) Prozeß pipe, mkfifo, semget, semop, shmget, shmat, -Kommunikation shmdt, shmctl, msgget, msgctl, msgsnd, msgrcv, ptrace, mmap Zeit-Dienste time, times, gettimeofday Terminal-Steuerung ioctl, termcap, terminfo, curses-library Netzwerkprogramm. socket, bind, accept, connect, listen, shutdown, sendto,recvfrom, select???? H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 13 von 15

14 3.4 Zum Programmierstil im Systembereich In der Systemprogrammierung sollten zunächst die üblichen Regeln des Software- Engineering beachtet werden. Daneben sind folgende Punkte von Wichtigkeit: - Anpassung an die Konventionen der Systemprogrammierung in der jeweiligen Systemumgebung. Dies kann Punkte wie Wahl der Sprache, Namensgebung, Benutzung spezieller Datentypen und Include-Files etc. betreffen. - Formulierung von Systemprogrammen in der nötigen Allgemeinheit, so daß z.b. unterschiedliche Hardwareausstattungen berücksichtigt werden - Unverzichtbar sind Fehlerprüfungen, normalerweise nach jedem Systemaufruf, ferner bei Speicherallokationen (auf dem Heap), sonstigen File-Operationen, Stack-Manipulationen (Überlauf!), H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 14 von 15

15 und bei allen Operationen, wo die aufgerufenen Routinen einen Ausgabeparameter zur Fehlererkennung oder etwas sinngemäßes bieten. Insgesamt ist also ein defensiver Programmierstil angesagt. Nach Murphys Gesetz wird nämlich alles schief gehen, was nur irgendwie schief gehen kann. - Aussagekräftige Fehlermeldungen, wenn etwas nicht funktioniert hat, sind notwendig. Dabei benutzte man den vom System zur Verfügung gestellten Mechanismus (Fehlervariablen, Texte, spezielle Fehlerausgabemedien, etc.) - Intensive Tests unter allen denkbaren Einsatzbedingungen sind unverzichtbar H. Weber, HS RM SS 2010 Systemprogrammierung Kap. 3 Seite 15 von 15