Grundkurs Betriebssysteme

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1 Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation 2., uberarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 164 Abbildungen und 6 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 1 Einfiihrung Computersysteme Einfiihrung Aufgabe von Betriebssystemen Hardwaremodelle CPU-Registersatz Beispiele fur Microprozessor-Architekturen Multicore-Prozessoren und Hyperthreading-CPUs Unser einfaches Modell der Hardware Betriebssystem-Geschichte Historische Entwicklung Geschichte von Microsoft Windows und Unix Ubungsaufgaben 21 2 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 40 IX

3 2.3 Ubungsaufgaben 41 3 Interruptverarbeitung Interrupts Uberblick Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren Interrupt-Bearbeitung unter Windows Interruptverarbeitung unter Linux Systemaufrufe tibungsaufgaben 64 4 Prozesse und Threads Prozesse Prozessmodell Prozessverwaltung Prozesslebenszyklus Threads Threadmodell Implementierung von Threads Vor-/Nachteile und Einsatzgebiete von Threads Programmierkonzepte fur 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 tibungsaufgaben 97 5 CPU-Scheduling Scheduling-Kriterien Scheduling-Verfahren Verdrangende und nicht verdrangende Verfahren 103

4 5.2.2 tiberblick iiber Scheduling- Verfahren Multi-Level-Scheduling mit Prioritaten Round-Robin-Scheduling mit Prioritaten Vergleich ausgewahlter Scheduling-Verfahren CPU-Scheduling im ursprunglichen Unix CPU-Scheduling unter Linux CPU-Scheduling unter Windows Scheduling von Threads in Java Zusammenfassung Ubungsaufgaben 131 Synchronisation und Kommunikation Grundlegendes zur Synchronisation Nebenlaufigkeit, atomare Aktionen und Race Conditions Kritische Abschnitte und wechselseitiger Ausschluss Eigenschaften nebenlaufiger 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 178 XI

5 6.4.7 C#-Lese- und Schreibsperren CMnterlocked-Klasse Warten auf Bedingungen in C# Kommunikation von Prozessen und Threads Grundbegriffe der Kommunikation Moglichkeiten fur eine rechnerinterne Kommunikation Fallbeispiel: Pipes Rechneriibergreifende Interprozesskommunikation Ubungsaufgaben Hauptspeicherverwaltung Grundlegende Betrachtungen Speicherhierarchien Lokalitat Adressen und Adressraume Techniken der Speicherverwaltung Virtueller Speicher Grundbegriffe und Funktionsweise Optimierung der Speicherverwaltung Seitenersetzung und Verdrangung (Replacement) Vergleich von Seitenersetzungsverfahren Speicherbelegungs- und Vergabestrategien (Placement) Entladestrategie (Cleaning) Eine weitere Technik: Segmentadressierung Shared Memory Speicherverwaltung in ausgewahlten Systemen Linux-Speicherverwaltung Windows-Speicherverwaltung Ubungsaufgaben Gerate- und Dateiverwaltung Auf gaben und Uberblick 254 XII

6 8.1.1 Grundlegendes Geratearten Gerateanbindung unter Unix Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA Dateiverwaltung Allgemeines Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows Storage-Systeme RAID-Plattensysteme NASundSAN Ubungsaufgaben Schlussbemerkung Losungen zu den Ubungsaufgaben Einfiihrung Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung Prozesse und Threads CPU-Scheduling Synchronisation und Kommunikation Hauptspeicherverwaltung Gerate-und Dateiverwaltung 318 Anhang 323 Al Zahlennamen 323 A2 Metrische Grundeinheiten 324 A3 Wichtige Datenstrukturen fur Betriebssysteme 325 Zeiger-und Referenztypen 326 Sequenzen, Listen 328 Stapelspeicher, Stack 334 Warteschlangen, Queues 336 XIII

7 Hashtabellen 338 A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems 340 A5 C#-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems 344 Literaturhinweise 349 Sachwortverzeichnis 351