Frage 1: Betriebssysteme Gesammelte Prüfungsfragen des Jahres 2013 Stand Jänner 2014

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1 Betriebssysteme Gesammelte Prüfungsfragen des Jahres 2013 Stand Jänner 2014 Frage 1: Intel IA32-Architektur. Folgende Infos haben wir uns aus dem Intel IA-32 Architectures Developer's Manual: Vol. 3A herausgesucht: Bit Position Field 0 (P) Present; 1 (R/W) Read/write; 2 (U/S) User/supervisor; 3 (PWT) Page-level write-through 4 (PCD) Page-level cache disable 5 (A) Accessed; 6 Ignored 7 (PS) Hier irrelevant 11:8 Ignored 31:12 Physical address of 4-KByte aligned page table referenced by this entry Format of a 32-Bit Page-Table Entry that Maps a 4-KByte Page Bit Position Field 0 (P) Present; 1 (R/W) Read/write; 2 (U/S) User/supervisor; 3 (PWT) Page-level write-through 4 (PCD) Page-level cache disable 5 (A) Accessed; 6 (D) Dirty 7 (PAT) Hier irrelevant 8 (G) Hier irrelevant 11:9 Ignored 31:12 Physical address of the 4-KByte page referenced by this entry

2 Das Page-Directory eines Prozesses liege auf Adresse (alle Zahlen in diesem Beispiel sind hexadezimal) und habe folgende Werte gespeichert: Adresse Inhalt FFF 1200C Außerdem kennen wir noch die Inhalte folgender Speicheradressen: Adresse Inhalt FFF 7200C (1 Punkt) Ein Programm führt einen Befehl aus, der von der virtuellen Adresse liest. Welche physische Adresse entspricht dieser virtuellen Adresse (oder tritt beim Zugriff ein pagefault auf)? (1 Punkt) Ein Programm führt einen Befehl aus, der auf die virtuelle Adresse schreibt. Welche physische Adresse entspricht dieser virtuellen Adresse (oder tritt beim Zugriff ein pagefault auf)? (2 Punkte) Welchen Inhalt haben die PTEs der referenzierten Adressen nach einer erfolgreichen Abarbeitung des Befehls? Frage 2: Wir haben zwei Threads T1 und T2 mit einer gemeinsamen Variablen I. int sharedvariable; thread T1() { sharedvariable = 0; sharedvariable++; printf( %d, sharedvariable); thread T1() { sharedvariable = 0; sharedvariable ; printf( %d, sharedvariable); Geben Sie sämtliche Möglichkeiten des Outputs der beiden Threads an. Nehmen Sie dabei an, dass beide threads gleichzeitig gestartet werden und ein Threadwechsel an beliebiger Stelle und beliebig oft möglich seien.

3 Frage 3: Wir haben eine Library-Funktion eines Banksystems, das Überweisungen zwischen Konten mit Hilfe von Konten-Objekten umsetzt. Diese Konten-Objekte haben jeweils einen Lock, um den Zugriff auf das Konto zu kontrollieren. Der Code für Überweisungen schaut so aus: Frage 4: Ueberweisung (Konto *vonkonto, Konto *aufkonto, Currency Betrag) { vonkonto >Lock.acquire(); aufkonto >Lock.acquire(); vonkonto >KontoStand = Betrag; aufkonto >Kontostand += Betrag; aufkonto >Lock.release(); vonkonto >Lock.release(); Zeigen Sie Aufrufe dieser Funktion durch zwei Threads, die zu einem Deadlock führen können. Tritt so ein Deadlock zwangsweise auf? Kurze Fragen kurze Antworten Nennen Sie die 3 wichtigsten Dinge, die das Betriebssystem für jeden Thread eines Prozesses speichern muss. Nennen Sie drei Prozesse, die auf einem typischen Linux /Windows-System laufen werden und was sie tun. Nennen Sie zumindest 5 Dinge, die das Betriebssystem für jeden Prozess speichern muss. Was ist ein Prozess? Was ist ein Semaphor? Was ist ein Thread? Was ist eine Condition Variable? Was ist eine critical section? Was ist eine race condition? Welche Mechanismen stehen Anwendungsprogrammierern zur Verfügung, um korrekte Prozess-Synchronisation umsetzen zu können? Welche Mechanismen stehen Betriebssystemprogrammierern zur Verfügung, um korrekte Synchronisation umsetzen zu können? Welcher Begriff beschreibt einen Synchronisationsmechanismus, der einen Zähler abstrahiert. Wie nennt man einen Bereich des Codes eines Prozesses, der gemeinsam mit anderen Prozessen geteilte Variablen manipuliert? Erklären Sie kurz die folgenden Begriffe: Paravirtualisierung, Hypervisor, Workingset, Fragmentierung, Kernel Mode, VM Exit, VM Enter, vollständige Virtualisierung, Virtual Machine Monitor, Semaphor, System Call, User Mode,TLB,Monitor, Deadlock

4 Frage 5: Sie finden im folgenden mehrere Begriffspaare. Definieren Sie die jeweiligen Begriffe so, dass Sie dabei die wesentlichen Unterschiede zwischen den Begriffen herausarbeiten. Programm und Prozess Virtuelle Adresse Physische Adresse Semaphor und Condition Variable Binärer Semaphor Allgemeiner Semaphore Unterprogrammaufruf System Call Critical Section und Race Condition User Mode und Kernel Mode Text-Segment und Daten-Segment Frage 6: Wählen Sie die beste Antwort für jede der folgenden Fragen Ein Beispiel für eine Software-Lösung des Problems der critical section ist: Ein Beispiel für eine Hardware-Lösung des Problems der critical section ist: Petersons Algorithmus Bankers Algorithmus Test and Set Copy and Hope Plug and Pray Der Rückggabewert eines erfolgreich durchgeführten exec()-systemcalls ist immer 0 immer größer als 0 kleiner als 0 nie kleiner als 0 nichts davon ist richtig Einem neuer Prozess stehen üblicherweise folgende Filedescriptoren zur Verfügung: standard input, standard output, standard error standard input, standard output, standard abweichung standard input, standard output, standard log standard input, standard output, terminal screen standard input, standard output Der Kernel Mode ist der Modus des Betriebssystems, wenn es nicht auf Userdaten zugreift nie in Verwendung ein Modus der CPU, wo alle Instruktionen ohne Einschränkungen erlaubt sind der Modus eines Programmes, wenn es einen syscall ausführt nichts davon ist richtig Wenn ein Prozess mit fork() erzeugt wird, was erbt der child-prozess nicht?? Speicherinhalt Prozess-ID

5 Berechtigungen offene Dateien nichts davon ist richtig Das Text-Segment eines Prozesses enthält statische Daten des Prozesses den Heap des Prozesses mit Null initialisierte Daten des Prozesses den ausführbaren Code des Prozesses den mit anderen Prozessen geteilten Speicher die IRC-Chat-Messages des Prozesses nichts davon alles angegebene Um eine race-condition zu vermeiden, dürfen maximal Prozesse in den kritischen Abschnitt kann nicht allgemein beantwortet werden Ein Prozess hat den Zustand blocked wenn er auf die CPU wartet auf ein Ereignis wie I/O wartet auf der CPU läuft den Syscall exit aufgerufen hat einen busy-wait-loop ausführt nichts davon trifft zu Der Rückggabewert eines erfolgreich durchgeführten fork()-systemcalls ist immer 0 immer größer als 0 kleiner als 0 nie kleiner als 0 die PID des neu erzeugten Prozesses beim parent-process und beim child-process unterschiedlich Der Peterson-Algorithmus stellt zwei Prozessen mit einer gemeinsamen Variablen einen Algorithms zur Verfügung für mutual exclusion deadlock prevention deadlock avoidance busy wait alles davon nichts davon Ein kritischer Abschnitt ist ein Bereich, in dem erhöhte Deadlockgefahr herrscht ist ein Bereich, in dem kritische Berechnungen stattfinden, die möglichst schnell abgeschlossen werden sollen ist ein Codestück, das jeweils nur ein Prozess zu einem Zeitpunkt ausführen darf

6 ist ein Codestück, das jeweils nur eine beschränkte Anzahl von Prozessen zu einem Zeitpunkt ausführen dürfen gibt es nur in Windows 8 Frage 7: Der folgende Code ist fehleranfällig. Identifizieren Sie diesen Fehler, zeigen Sie an einem Beispiel, wann der Fehler auftritt und beheben Sie den Fehler. void Semaphore::sem_down(){ sem_lock_.acquire(); if (s_slot_ == 0){ debug(semaphore,"sem_down(): no slot available, Thread (%d) going to sleep. \n",currentthread >gettid()); sleepers_.push_back(currentthread); Scheduler::instance() >sleepandrelease(sem_lock_); sem_lock_.acquire(); s_slot_ ; sem_lock_.release(); void Semaphore::sem_up(){ sem_lock_.acquire(); s_slot_++; if(!sleepers_.empty()){ Thread* tmp_thread = (Thread*) sleepers_.front(); sleepers_.pop_front(); Scheduler::instance() >wake(tmp_thread); sem_lock_.release(); Frage 8: Implementieren Sie einen Barrier, einem Synchronisationskonstrukt, dass es einer Gruppe von N Threads (N ist bekannt) erlaubt, zusammenzuwarten. Jeder Thread ruft ArriveBarrier() auf und wird blockiert bis alle N threads diesen Aufruf getätigt haben. Dann dürfen alle Threads weiterarbeiten. Sie haben die Klasse Semaphore zur Verfügung. Hier das Grundgerüst: class Barrier { // hier Seamphore und Variable deklarieren public Barrier (int N) { // Constructor: Barrier Initial. public void arrivebarrier () {

7 Frage 9: Wir haben zwei Prozesse P0 und P1 die zwei Semaphore verwenden. Prozess 0 Prozess 1 Wait(S) Wait(Q) Wait(Q) Wait(S).. Signal(S) Signal(S) Signal(Q) Signal(Q) Welche unerwünschte Situation wird eintreten? Begründen Sie Ihre Antwort. Prozess 0 Prozess 1 Wait(S) Wait(S) Wait(Q) Wait(Q).. Signal(S) Signal(S) Signal(S) Signal(Q) Welche unerwünschte Situation wird eintreten? Begründen Sie Ihre Antwort.

8 Frage 10: Dining Philosophers Gegeben sei folgende Implementierung des Dining Philosophers Problems++: die Philosophen schlafen nun auch gelegentlich. Philosoph () { for (int i=0; i<=4; i++) staebchen[i] = new Semaphore(1); //Semaphore Counter wird mit 1 initialisiert for (int j=0; j<=4; j++) create_philosoph(ablauf(j)); //Annahme: das funktioniert irgendwie : ) void Ablauf(int PNr) { while (1) { Denk(); staebchen[pnr].wait(); staebchen[(pnr + 1) % 5].wait(); Iss(); staebchen[pnr].signal(); staebchen[(pnr + 1) % 5].signal(); Schlaf(); Diese Implementierung hat ein Problem. Welches? Reparieren Sie den Code. Dabei muss mehr als ein Philosoph zu einem Zeitpunkt essen können. Frage 11: Wir haben eine Library-Funktion eines Banksystems, das Überweisungen zwischen Konten mit Hilfe von Konten-Objekten umsetzt. Diese Konten-Objekte haben jeweils einen Lock, um den Zugriff auf ein Konto zu kontrollieren. Der Code für Überweisungen schaut so aus: Ueberweisung (Konto *vonkonto, Konto *aufkonto, Currency Betrag) { vonkonto >Lock.acquire(); aufkonto >Lock.acquire(); vonkonto >KontoStand = Betrag; aufkonto >Kontostand += Betrag; aufkonto >Lock.release(); vonkonto >Lock.release(); Zeigen Sie Aufrufe dieser Funktion durch zwei Threads, die zu einem Deadlock führen können. Tritt so ein Deadlock zwangsweise auf?

9 Frage 12: Wir haben zwei Threads T1 und T2 mit einer gemeinsamen Variablen I. Frage 13: int sharedvariable; thread T1() { sharedvariable = 0; sharedvariable++; printf( %d, sharedvariable); thread T1() { sharedvariable = 0; sharedvariable ; printf( %d, sharedvariable); Geben Sie sämtliche Möglichkeiten des Outputs der beiden Threads an. Nehmen Sie dabei an, dass beide threads gleichzeitig gestartet werden und ein Threadwechsel an beliebiger Stelle und beliebig oft möglich seien. Erklären Sie ausführlich (keinen Schritt auslassen!) wie die Umsetzung von virtuellen in physische Adressen bei der Intel IA32-Architektur vor sich geht. Was ändert sich im Detail, wenn wir uns die 64 Bit Architektur anschauen? Frage 14: Frage 15: Frage 16: Frage 17: Diskutieren Sie Deadlocks. Was ist ein Deadlock? Illustrieren Sie diese Definition mit einem guten Beispiel. Erklären Sie die notwendigen und hinreichenden Voraussetzungen und die Ansätze, Deadlocks zu behandeln. Implementieren Sie unter ausschließlicher Verwendung eines Monitors einen allgemeinen Semaphor. Condition Variable dürfen selbstverständlich auch verwendet werden. Sie haben Locks (aka binärer Semaphor ) zur Verfügung. Implementieren Sie mit deren Hilfe einen allgemeinen Semaphor.. Erklären Sie, welche Funktion eine Shadow Page Table hat, und was bei einer korrekten Umsetzung zu beachten ist.

10 Frage 18: Ein Prozess habe die folgenden beiden Threads, die die Semaphore m und s verwenden: thread_1 () { for (;;) { m.wait() ; printf("a"); m.signal(); s.signal(); thread_2 () { for (;;) { s.wait(); s.wait(); s.wait(); m.wait() ; printf("b"); m.signal(); a) Geben Sie einen möglichen Output der beiden Threads, sofern solcher erzeugt wird, an, wenn die Initialwerte der Sempahore s = 0 und m = 1 ist. b) Geben Sie einen möglichen Output der beiden Threads, sofern solcher erzeugt wird, an, wenn die Initialwerte der Sempahore s = 2 und m = 1 ist. c) Geben Sie einen möglichen Output der beiden Threads, sofern solcher erzeugt wird, an, wenn die Initialwerte der Sempahore s = 1 und m = 0 ist. Ihre Beispiel-Outputs müssen zumindest 10 Zeichen enthalten und beide Threads, wenn möglich, an die Reihe kommen lassen. Die Outputs sollen unterschiedlich sein sofern die einzelnen Initialwerte auch zu unterschiedlichen Outputs führen sollten.

11 Frage 19: Im folgenden finden Sie zwei Stück Pseudocode, die angeblich jeweils einen Lock für genau zwei Threads mit den threadids 0 und 1 implementieren. Diskutieren Sie, ob diese Lösungen mutual exclusion garantieren. Diskutieren Sie auch alle weiteren Vor- und Nachteile der jeweiligen Lösung, wie beispielsweise Einsetzbarkeit, Effizienz oder Fairness. Die Variable threadid enthält dabei die ID des Threads, der die Methode aufruft. Implementierung 1 class lock { int turn; int lock[2]; init_lock() { turn = 0; lock[0]=lock[1]=0; lock_acquire () { lock[threadid] = 1; turn = threadid; while(lock[1-threadid] == 1 && turn == threadid) { lock_release () { lock[threadid]=0; Implementierung 2 class lock { int turn; init_lock() { turn = 1; lock_acquire () { while (turn == (1 - threadid)); lock_release () { turn = 1-threadID;

12 Frage 20: In SWEB wird für den kernel ein Teil des virtuellen Adressraums reserviert. Was sind die Vorteile dieser Vorgangsweise? Was muss man tun, wenn die User- Prozesse den gesamten virtuellen Adressraum bekommen, und kein Teil für den kernel oder ein 1:1- Mapping verwendet werden? Welche Auswirkungen hat das auf Systemcalls?

13 Frage 21: Multiple Choice - Bei jeder diese Fragen können auch mehrere Antworten richtig sein. Nur dann gilt ihre Auswahl als korrekt. Markieren Sie die zutreffenden Antworten deutlich. Ein Page Table Entry enthält mehrere Status-Flags enthält mehrere Page Tables enhält mehrere Page Frames kann weitere Page Table Entries enthalten enthält einen Page Frame Connector enthält Verweise auf Page Frame Destruktoren Das dirty (oder modified) bit wird von der Hardware gesetzt wird von der Hardware gelöscht wird von der Software gesetzt wird von der Software gelöscht wird vom Anwender gelöscht wird nie mehr gelöscht wird vom Festplattentreiber gelöscht Welche Konsequenzen hat eine Verkleinerung der Seitengröße? Welche Konsequenzen hat eine Vergrößerung der Seitengröße? mehr page faults weniger page faults kleinere pagetables größere pagetables mehr interne Fragmentierung weniger interne Fragmentierung mehr externe Fragmentierung weniger externe Fragmentierung Gegen Thrashing hilft Erhöhen des Quantums das Quantum herabsetzen die Menge gleichzeitig laufender Programme erhöhen die Menge gleichzeitig laufender Programme reduzieren mehr Speicher zur Verfügung stellen die Virtualisierungssoftware neu zu starten Was von den folgenden Dingen passiert automatisch, wenn ein Interrupt auftritt? Die CPU wechselt in den Kernel Mode Der IP wird gesichert Interrupts werden abgeschaltet Das CR3 Register wird gesichert

14 Ein Syscall wird gestartet Die CPU springt zu einer interruptabhängigen Adresse Welche der folgenden Befehle sollten nur im Kernel Mode ausgeführt werden dürfen: Umschalten vom User Mode in den Kernel Mode Sichern der Prozessorregister Auslesen der Systemuhr Abschalten der Interrupts Laden des CR3-Registers Ändern der Page Table Aktiveren des Interrupt-Deflektors Das accessed (oder used) bit wird im typischen Einsatz von der Hardware gesetzt von der Hardware gelöscht von der Software gesetzt von der Software gelöscht vom Anwender gelöscht nie gelöscht gesetzt, wenn das Betriebssystem an der Page-Table Änderungen vornimmt. Welche der folgenden Dinge hat jeder Thread für sich alleine"? Virtueller Adressraum Befehlszähler Registersatz Stack Child Prozesse Konsole Interrupt-Handler ein TLB ist ein Mechanismus für die Beschleunigung der Behandlung von Page-Faults die Beschleunigung des Lookups in einer Pagetable die Beschleunigung der Übersetzung von virtuellen in physische Adressen die Reduktion der Anzahl von Page-Faults die Reduktion der Größe der Page-Table