Betriebssysteme. 4y Springer. Eine kompakte Einführung mit Linux. Albrecht Achilles. Mit 31 Abbildungen

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1 Albrecht Achilles 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Betriebssysteme Eine kompakte Einführung mit Linux Mit 31 Abbildungen 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis Einführung Was ist ein Betriebssystem? Betriebssystemkern Systemmodule Dienstprogramme Unterschiedliche Arten von Betriebssystemen Computer-Hardware CPU Busse Speicher Ein- und Ausgabegeräte System Calls und Interrupts Der eigentliche Aufruf Interrupts Ressourcen Zusammenfassung 14 System Calls Von der Anwendung zum System Call Der Handler für System Calls Direkte Aufrufe Zusammenfassung 18 Prozesse und Threads Grundlagen Linux Process Control Block Weiterführende Konzepte Die Prozess-ID Sessions und Process Groups Erzeugen von Prozessen Der ursprüngliche forko-aufruf 25

3 XII Inhaltsverzeichnis Ausführen eines anderen Programms: execo Prozesse und Vererbung Beenden eines Prozesses exito und waito Synchronisation Leichtgewichtige Prozesse" Der neue forko-system Call Die vf ork()-variante Implementierung mit cloneo Threads Zusammenfassung 38 4 Scheduling Grundlagen Prioritätsgesteuert Round Robin Prioritätsgesteuert mit Feedback Länge der Zeitscheibe Mehrprozessor-Systeme Realtime Linux Scheduling Prioritätsarrays und Scheduling-Algorithmus Der Wechsel der Prioritätsarrays Prozesswechsel Realtime Realtime mit FIFO Realtime mit Round Robin Realtime System Calls Timesharing Dynamische Prioritäten und Zeitscheibenberechnung Timesharing System Calls Neue Prozesse Load Balancing Zusammenfassung 53 5 Speicherverwaltung Grundlagen Segmentierung Paging Virtueller Speicher Ziele für Linux Vielzahl von Hardware-Plattformen Inhomogener Speicher NUMA-Architekturen Page Cache 61

4 Inhaltsverzeichnis XIII pdf lush: Zurückschreiben veränderter Pages Slab: Verwaltung von Kernel-Objekten Frame-Allocation zum spätesten Zeitpunkt Prozess-Adressraum Memory Deskriptor Die Speicherbereiche System Calls Pagetable Page locking PSE Paging Pagefaults Zones und NUMA Anforderung zusammenhängender Frames Page Cache Swapping Kernel Caches pdf lush Auswahlstrategie kswapd Verwaltung des Cache-Bereichs Slab Layer Zusammenfassung 83 Synchronisation Grundlagen Race Conditions Ansätze zur Synchronisation Contention und Scalability von Sperren Deadlock Kernel Synchronisation Atomare Operationen Spinlocks Semaphoren Reader-/Writer-Locks Big Kernel Lock Synchronisation in Benutzerprogrammen Signale Semaphoren Zusammenfassung 105

5 XIV Inhaltsverzeichnis 7 Interrupts Grundlagen Erkennung eines Interrupts Geschwindigkeit versus Umfang Der Interrupt-Handler Implementierung Datenstrukturen Registrierung Interrupt Requests Interrupt Control Bottom Half Veraltete Ansätze Soft-IRQ Tasklets Bearbeitung von Soft-IRQs und Tasklets bei hoher Last Work Queues Warteschlangen Zusammenfassung Dateisysteme und Plattenverwaltung Grundlagen Unterstützung von Dateitypen Von der Lochkarte zur Platte Directory und Dateioperationen Implementierungen für Directories Zugriffsmethoden Bereitstellung von Speicherplatz Directory Datenschutz und Datensicherheit Unterschiedliche Filesysteme Festplattenzugriffe Virtual File System (VFS) VFS-Datenstrukturen für Dateien VFS-Datenstrukturen für Partitionen Suche nach einer Datei Filedeskriptoren: Geöffnete Dateien Die Verbindung zum Speicher Filesysteme System Calls Beispiel: reado Lesen ohne Readahead Lesen mit Readahead Elevator Extended Filesystem Der Superblock 186

6 Inhaltsverzeichnis Die Inode Indirektion und Finden der Blöcke Bereitstellung von Speicherplatz Zusammenfassung Kommunikation zwischen Prozessen Grundlagen Pipes Der prinzipielle Aufbau Beispiel zur Benutzung einer Pipe Nicht-blockierender Zugriff Schließen einer Pipe Named Pipes (FIFO) IPC - Inter Process Communication IPC-Grundlagen Message Queues Benutzung von Message Queues Semaphoren Shared Memory Der System Call sys.ipco Sockets Schichtenmodell System Calls Implementierung Zusammenfassung Der Bootvorgang Grundlagen Vom BIOS zum Bootmanager Der Kernel Die Runlevel Module Zusammenfassung 246 A Kompilieren des Kernels 247 B Lineare Listen in Linux 251 C Glossar 257 Interessante WWW-Adressen 277 Literaturverzeichnis 279 Sachverzeichnis 281 XV

A Kompilieren des Kernels... 247. B Lineare Listen in Linux... 251. C Glossar... 257. Interessante WWW-Adressen... 277. Literaturverzeichnis...

A Kompilieren des Kernels... 247. B Lineare Listen in Linux... 251. C Glossar... 257. Interessante WWW-Adressen... 277. Literaturverzeichnis... 1 Einführung................................................ 1 1.1 Was ist ein Betriebssystem?............................... 1 1.1.1 Betriebssystemkern................................ 2 1.1.2 Systemmodule....................................

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