Grundkurs Betriebssysteme

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1 Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation von Peter Mandl 3., akt. und erw. Aufl Springer Vieweg Wiesbaden 2012 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 1 Einführung Computersysteme Einführung Aufgabe von Betriebssystemen Grundlegende Hardwaremodelle CPU-Registersatz Multicore-Prozessoren und Hyperthreading-CPUs Einfaches Modell der Hardware für die weitere Betrachtung Beispiele für Mikroprozessor-Architekturen Entwicklung von Betriebssystemen Betriebssystemkategorien Universalbetriebssysteme Historische Entwicklung Geschichte von Microsoft Windows Geschichte von Unix Geschichte von Linux Übungsaufgaben Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Zugriffsschutz in Betriebssystemen Betriebssystemarchitekturen Klassische Architekturen Mikrokern-Architektur Architekturbeispiele Klassische Großrechnerbetriebsarten Multiprogramming, Multiprocessing und Multitasking Batchvearbeitung und interaktive Verarbeitung Teilnehmerbetrieb Teilhaberbetrieb Terminalserver-Betrieb Verteilte Verarbeitung Echt verteilte Betriebssysteme Client-/Server-Systeme IX

3 2.5.3 Peer-to-Peer-Systeme Kommunikations-Middleware Application-Server-Betrieb Virtualisierung von Betriebs- und Laufzeitsystemen Cloud Computing Übungsaufgaben Interruptverarbeitung Interrupts Überblick Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren Interrupt-Bearbeitung unter Windows Interruptverarbeitung unter Linux Systemaufrufe Systemaufrufe aus Sicht eines Anwendungsprogrammierers Software-Interrupts unter Linux Software-Interrupts unter Windows Übungsaufgaben Prozesse und Threads Prozesse Prozessmodell Prozessverwaltung Prozesslebenszyklus Threads Threadmodell Implementierung von Threads Vor-/Nachteile und Einsatzgebiete von Threads Programmierkonzepte für 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 Übungsaufgaben X

4 5 CPU-Scheduling Scheduling-Kriterien Scheduling-Verfahren Verdrängende und nicht verdrängende Verfahren Überblick über Scheduling-Verfahren Multi-Level-Scheduling mit Prioritäten Round-Robin-Scheduling mit Prioritäten Vergleich ausgewählter Scheduling-Verfahren CPU-Scheduling im ursprünglichen Unix CPU-Scheduling unter Linux CPU-Scheduling unter Windows Scheduling von Threads in Java Zusammenfassung Übungsaufgaben Synchronisation und Kommunikation Grundlegendes zur Synchronisation Nebenläufigkeit, atomare Aktionen und Race Conditions Kritische Abschnitte und wechselseitiger Ausschluss Eigenschaften nebenläufiger Programme Synchronisationskonzepte Sperren Semaphore Monitore Synchronisationstechniken moderner Betriebssysteme 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 C#-Lese- und Schreibsperren C#-Interlocked-Klasse Warten auf Bedingungen in C# XI

5 6.5 Kommunikation von Prozessen und Threads Überblick über Kommunikationsmöglichkeiten Verbindungsorientierte versus verbindungslose Kommunikation Speicherbasierte versus nachrichtenbasierte Kommunikation Synchrone versus asynchrone Kommunikation Kommunikationskanäle im Halb- und Vollduplex-Betrieb Varianten der Empfängeradressierung Fallbeispiel: Rechnerinterne Kommunikation über Pipes Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation Übungsaufgaben Hauptspeicherverwaltung Grundlegende Betrachtungen Speicherhierarchien Lokalität Adressen und Adressräume Techniken der Speicherverwaltung Virtueller Speicher Grundbegriffe und Funktionsweise Optimierung der Speicherverwaltung Seitenersetzung und Verdrängung (Replacement) Vergleich von Seitenersetzungsverfahren Speicherbelegungs- und Vergabestrategien (Placement) Entladestrategie (Cleaning) Eine weitere Technik: Segmentadressierung Shared Memory Speicherverwaltung in ausgewählten Systemen Linux-Speicherverwaltung Windows-Speicherverwaltung Android-Speicherverwaltung Übungsaufgaben Geräte- und Dateiverwaltung Aufgaben und Überblick Grundlegendes Gerätearten XII

6 8.1.3 Geräteanbindung unter Unix Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA Dateiverwaltung Allgemeines Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix Fallbeispiel: Dateisysteme unter Linux Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows Storage-Systeme RAID-Plattensysteme NAS und SAN Übungsaufgaben Betriebssystemvirtualisierung Grundbegriffe und Einsatzgebiete Virtualisierungsterminologie Einsatz der Virtualisierungstechnik Vor- und Nachteile der Virtualisierung Virtualisierbarkeit der Hardware Hardware-Voraussetzungen Virtualisierung bei x86-prozessoren Virtualisierungstechniken in Prozessoren Varianten der Virtualisierung Typ-1-Hypervisor Typ-2-Hypervisor Paravirtualisierung Weitere Virtualisierungsansätze Betriebsmittelverwaltung bei Virtualisierung Interruptverarbeitung und Gerätesteuerung CPU-Scheduling Speicherverwaltung Zusammenfassung Übungsaufgaben Schlussbemerkung XIII

7 11 Lösungen zu den Übungsaufgaben Einführung Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung Prozesse und Threads CPU-Scheduling Synchronisation und Kommunikation Hauptspeicherverwaltung Geräte- und Dateiverwaltung Betriebssystemvirtualisierung Anhang A1 Zahlennamen A2 Metrische Grundeinheiten A3 Wichtige Datenstrukturen für Betriebssysteme A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems A5 C#-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems A6 C#-Implementierung des Zählerproblems mit Monitoren Literaturhinweise Sachwortverzeichnis XIV