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1 Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation, Virtualisierung 4. Auflage ^ Springer Vi eweg

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 23 2 Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Zugriffsschutz in Betriebssystemen Betriebssystemarchitekturen Klassische Architekturen Mikrokern-Architektur Architekturbeispiele Klassische Großrechnerbetriebsarten Multiprogramming, Multiprocessing und Multitasking Batchverarbeitung und interaktive Verarbeitung Teilnehmerbetrieb Teilhaberbetrieb Ternünalserver-Betrieb Verteilte Verarbeitung Echt verteilte Betriebssysteme Client-/Server-Systeme 42 IX

3 2.5.3 Peer-to-Peer-Systeme Kommunikations-Middleware Application-Server-Betrieb Virtualisierung von Betriebs- und Laufzeitsystemen Cloud Computing Übungsaufgaben 49 3 Interruptverarbeitung Interrupts Überblick Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren Interrupt-Bearbeitung unter Windows Interruptverarbeitung unter Linux Systemaufrufe Systemaufrufe aus Sicht eines Anwendungsprograrnmierers Software-Interrupts Software-Interrupts unter Linux 71 unter Windows Übungsaufgaben 74 4 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 109

4 5 CPU-Scheduling Scheduling-Kriterien Scheduling-Verfahren Verdrängende und nicht verdrängende Verfahren Überblick über Schedvding-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# Kommunikation von Prozessen und Threads Überblick über Kommunikationsmöglichkeiten 196 XI

5 6.5.2 Verbindungsorientierte versus verbindungslose Kommunikation Speicherbasierte Synchrone versus asynchrone versus nachrichtenbasierte Kommunikation 197 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 Geräteanbindung unter Unix Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA Dateiverwaltung 277 xn

6 8.2.1 Allgemeines Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix Fallbeispiel: Dateisysteme unter Linux Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows Storage-Systeme RAID-Plattensysteme NASundSAN 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-l-Hypervisor Typ-2-Hypervisor Paravirtualisierung Weitere Virtualisierungsansätze Betriebsmittelverwaltung bei Virtualisierung Interruptverarbeitung und Gerätesteuerung CPU-Scheduling Speicherverwaltung Zusammenfassung Übungsaufgaben Schlussbemerkung Lösungen zu den Übungsaufgaben Einführung Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung Prozesse und Threads CPU-Scheduling 333 Xffl

7 11.6 Synchronisation und Kommunikation Hauptspeicherverwaltung Geräte-und Dateiverwaltung Betriebssystemvirtualisierung 359 Anhang 363 AI Zahlennamen 363 A2 Metrische Grundeinheiten 364 A3 Wichtige Datenstrukturen für Betriebssysteme 365 A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems 380 A5 CMmplementierung des Dining-Philosophers-Problems 384 A6 C#-Implementierung des Zählerproblems mit Monitoren 389 Literaturhinweise 395 Sachwortverzeichnis 399 XIV

Inhaltsverzeichnis XII

Inhaltsverzeichnis XII 1 Einführung... 1 1.1 Computersysteme... 1 1.1.1 Einführung... 2 1.1.2 Aufgabe von Betriebssystemen... 3 1.1.3 Grundlegende Hardwaremodelle... 3 1.1.4 CPU-Registersatz... 7 1.1.5 Multicore-Prozessoren

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