> Übung Betriebssysteme Globalübung 3 Michel Steuwer Wintersemester 2012/13

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1 > Übung Betriebssysteme Globalübung 3 Michel Steuwer Wintersemester 2012/13 Gruppe Parallele und Verteilte Systeme (PVS) Institut für Informatik Westfälische Wilhelms-Universität Münster

2 Hinweise 2 Aufgaben der Beispielklausur sollen nur Art der Klausuraufgaben widerspiegeln Es sind nicht die Fragen der Klausur! Themen der Klausur: Vorlesung + Übung!

3 1. Gegenseitiger Ausschluss 3 1 Man kann den gesamten Betriebssystemkern als kritischen Abschnitt auffassen und muss ihn entsprechend schützen (Kernausschluss). Wie realisiert man diesen Kernausschluss auf einem Einprozessorsystem mit Unterbrechungen? Wie wird der Kernausschluss bei Multiprozessorsystemen mit Unterbrechung realisiert? 2 Beschreiben Sie kurz die Funktionsweise eines Semaphors!

4 1. Gegenseitiger Ausschluss a) Kernausschluss 4 Einprozessorsystem: Unterbrechungen blockieren. Mehrprozessorsystem: Unterbrechungen blockieren + Sperren. Vorgehensweise: Zunächst Unterbrechungen deaktivieren Auf freies lock testen und setzten falls nicht gesetzt (als unteilbare Operation!) Kritischen Abschnitt abarbeiten lock freigeben Unterbrechungen aktivieren

5 1. Gegenseitiger Ausschluss b) Semaphore 5 Zählsperre zur Sicherung eines kritischen Abschnitts Zählvariable + 2 unteilbare(!) Operationen: P und V Zähler gibt Anzahl der Prozesse an, die gleichzeitig den Kritischen Abschnitt betreten dürfen P: Dekrementiert Zähler, blockiert den aufrufenden Prozess falls negativ (Sempahore voll) V: Inkrementiert Zähler, deblockiert ggf. wartenden Prozess

6 2. Prozesse und Scheduling 6 1 Prozesse und Threads Nennen Sie die wichtigsten Informationen, die ein Betriebssystem im Prozesskontrollblock eines Prozesses aufbewahrt. Nennen Sie die Schritte, die für eine Umschaltung zwischen Prozessen notwendig sind. Worin liegen der wesentlichen Unterschied zwischen einem Prozess und einem Thread (z.b. in Unix oder Windows) 2 Veranschaulichen Sie am Beispiel von drei Prozessen das Problem der Prioritätsinversion! (Lösung Folie 6-21) 3 Zeichen Sie ein Prozesszustandsdiagramm für ein System ohne Verdrängung, mit den Zuständen Bereit, Wartend und Rechnend. Beschreiben Sie kurz die Übergänge zwischen den Zuständen (vier Stück). 4 Scheduling-Strategien Beschreiben Sie kurz die Strategien FCFS, RR und SRTN

7 2. Prozesse und Scheduling a) Prozesse und Threads 7 1 PCB (Prozesskontrollblock) speichert Attribute eines Prozesses u.a.: Prozesscharakteristika: Prozesskennung, Name des Programms Zustandsinformation: Befehlszähler, Stapelzeiger, Registerinhalte Verwaltungsdaten: Priorität, Rechte, Statistikdaten 2 Schritte für die Umschaltung: Merken der Fortsetzstelle Sichern des Prozesskontextes (Stack, Register, usw.) Auswahl eines neuen Prozesses ( Scheduling) Laden des neuen Prozesskontextes Sprung zur Forsetzstelle des neuen Prozesses 3 Prozesse haben jeweils eigenen Adressraum, Threads eines Prozesses teilen sich den Adressraum

8 2. Prozesse und Scheduling c) Prozesszustandsdiagramm 8 Zustandsübergänge Zuordnen (assign) Bereit Rechnend: Prozess wird zur Ausführung ausgewählt Aufgeben (relinquish) Rechnend Bereit: freiwilliges Aufgeben des Prozessors Blockieren (block) Rechnend Wartend: Blockieren an einer Bedingung oder E/A-Operation Deblockieren (deblock) Wartend Bereit: Bedingung erfüllt / Operation fertig

9 2. Prozesse und Scheduling d) Scheduling 9 First Come First Server: Abarbeitung der Prozesse in der Ankunftsreihenfolge Keine Verdrängung: Prozesse besitzen Prozessor bis Beendigung oder freiwilliger Aufgabe Round-Robin: Verdrängung nach jeweils fester Zeit (Zeitscheibe) Nach abgelaufener Zeitscheibe: Der nächste Prozess wird aus der Warteschlange ausgewählt Warteschlange wird in Ankunftsreihenfolge der Prozesse verwaltet Verdrängter Prozess wird hinten an die Warteschlange angestellt Shortest Remaining Time Next: Priorisierung nach kürzester Restbedienzeit Verdrängend: kürzere Prozesse verdrängen bei Ankunft Prozess mit längerer Restbedienzeit Setzt Kenntnis über die Bedienzeit voraus!

10 3. Betriebsmittelverwaltung 10 1 Für die Vergabe von mehreren Einheiten eines Betriebsmittels (z. B. freie Plattenblöcke) an Prozesse, die unterschiedliche Mengen dieses Betriebsmittels anfordern, gibt es verschiedene Strategien. 1 Beschreiben Sie kurz die Strategien FCFS (FIFO), First-Fit-Request und Best-Fit-Request! 2 Welchen Vorteil und welchen Nachteil haben die First-/Best-Fit-Request Strategien gegenüber der FIFO Strategie? 2 Beschreiben Sie kurz zwei Maßnahmen zur Verklemmungsvorbeugung! 3 Beschreiben Sie kurz eine Maßnahme zur Verklemmungsauflösung!

11 3. Betriebsmittelverwaltung a) 11 FIFO (First-In-First-Out) bzw. FCFS (First-Come-First-Served): Es wird nur die Anforderung con ersten Prozess i in der Warteschlange betrachtet. Gilt n(i) n f (t), so werden n(i) Einheiten belegt, sonst geschieht nichts First-Fit-Request: Die Warteschlange wird von vorne beginnend durchsucht, bis eine Anforderung von einem Prozess j gefunden wird, die erfüllt werden kann: n(j) n f (t) Best-Fit-Request: Die Warteschlange wird vollständig durchsucht und es wird diejenige Anforderung von einem Prozess j gewählt, für die gilt: min {n f(t) n(j)} j W(t) n(j) n f (t) d. h. die freie Restkapazität wird minimiert. Nachteile: bei First-Fit- und Best-Fit-Request: Programme mit großen Anforderungen können evtl. verhungern (starvation) Vorteile: First-Fit- und Best-Fit-Request erreichen eine bessere Auslastung

12 3. Betriebsmittelverwaltung 12 b) Zwei Maßnahmen zur Verklemmungsvorbeugung Summenbelegung: Alle benötigten BM werden gleichzeitig angefordert Totalfreigabe bei jeder Belegung: Gib alle BM frei, bevor neues BM belegt wird Belegung gemäß einer vorgegebenen Ordnung c) Eine Maßnahme zur Verklemmungsauflösung Verklemmungsauflösung muss den Wartezyklus brechen Geordneter Entzug von BMs von beteiligten Prozessen Prozesse abbrechen. Auswahl z.b. nach: Größe der Anforderungen Priorität der Prozesse...

13 4. Hauptspeicherverwaltung 13 1 Mit Hilfe von Segmentadressierung können logische Adressräume gebildet werden. 1 Skizzieren Sie die Umsetzung einer logischen in eine physikalische Adresse! (Lösung Folie 9-30) 2 Wie arbeitet in diesem Zusammenhang ein TLB? Warum wird ein TLB eingesetzt? 3 Wo liegen die Unterschiede zwischen Seitenadressierung und Segmentierung? 2 In einem System mit Seitenumsetzung (Paging) steht ein 3 Rahmen großer Hauptspeicher zur Verfügung. Geben Sie für die Auslagerungsstrategien FIFO und OPT (Optimale Strategie) die Speicherbelegung und die Anzahl der Seitenfehler nach folgenden Seitenzugriffen an: Wann und wozu wird bei Demand-Paging eine Seitenersetzungsstrategie benötigt?

14 4. Hauptspeicherverwaltung 14 a) 2. Translation Lookaside Buffer: Assoziativspeicher für Teile der Segmenttabelle Suche kann in einem Schritt durchgeführt werden (d.h. in allen Tabellenzeilen gleichzeitig) Dient als eine Art Cache und soll Haputspeicherzugriffe bei der Adressauflösung reduzieren a) 3. Unterschiede Seiten- bzw. Segmentadressierung Seiten haben eine feste Größe ( interner Verschnitt) Segmente sind variabel ( externer Verschnitt) Einträge in der Segmenttabelle müssen komplette Adressbreite abdecken (Seiten i.d.r. kleiner) Effektive Adresse wird bei Seite durch Konkatenation gebildet (Segmente: Addition) c) Wann und wozu wird bei Demand-Paging eine Seitenersetzungsstrategie benötigt? Wenn der physische Hauptspeicher knapp wird, müssen Seiten auf die Festplatte ausgelagert werden. Die Auswahl trifft die Seitenersetzungsstrategie

15 5. Dateiverwaltung 15 Es gibt zwei Arten von Verweisen auf Dateien: Hard-Links und Soft-Links (Symbolic Links). 1 Beschreiben Sie kurz den Unterschied zwischen den beiden Arten! Hard-Link: Verzeichniseintrag, speichert den I-Node Soft-Link: Speichert den Pfad der Datei 2 Was passiert in beiden Fällen mit der Zieldatei, wenn der Link gelöscht wird? Soft-Link: Nur der Link wird gelöscht, Datei bzw. ihr I-Node bleibt unverändert Hard-Link: Referenz-counter wird um 1 erniedrigt. Falls 0 wird die Datei gelöscht (d. h. die Blocke freigegeben)

16 6. C-Programmierung 16 Implementieren Sie in C eine Funktion select_sp: Signatur struct process select_sp( struct process p ); struct process struct process { int pid; int process_time; / Bedienzeit / struct process next_process; / NULL wenn letzter in Queue / struct proc_context context; / Speicher und PCB (Kontext) / }; Suche Sie aus der Liste den Prozess mit der kürzesten Bedienzeit und liefern Sie einen Zeiger auf diesen zurück. Lassen Sie die Liste selbst dabei unverändert!

17 6. C-Programmierung select sp 17 select sp struct process select_sp( struct process p ) { struct process iter; struct process sp = p; } for( iter = p >next_process; iter!= NULL; iter = iter >next_process ) { if (iter >process_time < sp >process_time) { sp = iter; } } return sp;