2 Grundlagen der Programmausführung und Systemprogrammierung 19

Transkript

1 vii 1 Einführung Zweck Definitionen Einordnung im Computersystem Betriebssystemarten Klassische Einteilungen Betriebssystemarchitekturen Architekturformen Benutzer-/Kernmodus Monolithische Systeme Geschichtete Systeme Mikrokernsysteme Beispiele von Systemarchitekturen Abstraktionen aus Benutzer- und Entwicklersicht Grundlagen der Programmausführung und Systemprogrammierung Programmausführung und Hardware Rechner- und Prozessorgrundlagen Grundlagen des Adressraums Grundlagen der Programmausführung Unterprogrammmechanismen Systemprogrammierung Wahl der Systemprogrammiersprache Laufzeitsystem der Programmiersprache Unterprogrammtechniken Grundlagen der Systemprogrammierung Systemprogrammierschnittstellen

2 viii 3 Prozesse und Threads Parallelverarbeitung Darstellung von parallelen Abläufen Hardware-Parallelität Software-Parallelität Begriffe Prozessmodell Grundprinzip Prozesserzeugung und Terminierung Prozesse unter Unix Funktionsweise der Unix-Shell Prozesse & Jobs unter Windows Vererbung unter Prozessen Prozesshierarchie Systemstart Threads Thread-Modell Vergleich Prozesse zu Threads Implementierung des Multithreading Threads & Fibers unter Windows Threads unter Unix Prozessorzuteilungsstrategien Quasiparallelität im Einprozessorsystem Prozess- und Thread-Zustände Zuteilungsstrategien Multiprozessor-Scheduling POSIX-Thread-Scheduling Java-Thread-Scheduling Scheduling unter Windows Scheduling unter Unix Synchronisation von Prozessen & Threads Synchronisationsbedarfe und Lösungsansätze Problem der Ressourcenteilung Verlorene Aktualisierung (lost update problem) Inkonsistente Abfrage (inconsistent read) Absicherung mit Selbstverwaltung Absicherung mit Systemmitteln

3 ix 4.2 Semaphore Semaphortypen Implementierungsfragen Anwendung der Semaphore Absicherung kritischer Bereiche (mutual exclusion) Synchronisation von Abläufen (barrier synchronization) Produzenten & Konsumenten (producer and consumer) Leser & Schreiber (readers and writers) Problem der Prioritätsumkehrung (priority inversion) Weitere Anwendungsprobleme Implementierungen von Semaphoren Semaphore unter Unix Semaphore unter Windows Unix-Signale Idee & Grundprinzip der Unix-Signale Programmierung der Signale Signale im Multithreading Realtime-Signale Verklemmungsproblematik (deadlocks) Ursache Deadlock-Bedingungen Lösungsansätze und ihre Beurteilung Kommunikation von Prozessen & Threads Überblick über Synchronisation und Kommunikation Nachrichtenbasierte Verfahren Allgemeine Aspekte Unix-Pipes Windows-Pipes Unix Message Queues Windows-Messages Windows-Mailslots Speicherbasierte Verfahren Gemeinsamer Speicher unter Windows Gemeinsamer Speicher unter Unix

4 x 5.4 Monitor Grundprinzip Java-Monitor Monitornachbildung mit Bedingungsvariablen Rendezvous Grundprinzip Synchronisation in Client/Server-Systemen (barber shop) Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation Netzwerksoftware Berkeley-Sockets Remote Procedure Call (RPC) Überblick über Middleware Ein- und Ausgabe Peripherie Einordnung im Rechnermodell Begriffsdefinitionen Ein-/Ausgabeabläufe Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen Ein-/Ausgabe mittels DMA Ein-/Ausgabearten im Vergleich Ein-/Ausgabesystem Treiber Geräteverwaltung Treiberschnittstelle Ein-/Ausgabeschnittstelle Ein-/Ausgabepufferung Treibermodell in Linux Treibermodelle in Windows (WDM & WDF) Massenspeicher Verfahren der Datenaufzeichnung Wichtigste Massenspeicher Eigenschaften von Plattenspeichern Zugriffsplanung für Plattenspeicher (disk I/O scheduling) Pufferung von Plattendaten (disk cache)

5 xi 6.5 Benutzerinteraktion aus Systemsicht (Benutzeroberflächen) Allgemeines Systemarchitekturen Programmiermodelle Die Unix-Shell als Kommandointerpreter Funktionsweise & Programmierung des X-Window-Systems Funktionsweise und Programmierung des Windows-GUI Speicherverwaltung Speichersystem Einordnung im Rechnermodell Grundlegende Speicherprinzipien Speicherhierarchie & Lokalitätsprinzip Cache-Funktionsweise Verwaltungsgrundlagen Abstraktionen mittels Abbildungsfunktionen Aufgaben der Systemsoftware Dynamische Speicherbereitstellung Verwaltung von Prozessadressräumen Adressraumnutzung durch Programme Adressraumverwaltung durch das Betriebssystem Realer Speicher Monoprogrammierung Multiprogrammierung mit Partitionen Verfahren für knappen Speicher Virtueller Speicher Adressumsetzung Seitenwechselverfahren (demand paging) Speicherabgebildete Dateien Gemeinsamer Speicher (shared memory)

6 xii 8 Dateisysteme Aufgaben des Dateisystems Dateisystemkonzepte Logische Organisation Dateisystemfunktionen Gemeinsame Dateinutzung Speicherabgebildete Dateien Realisierung von Dateisystemen Konzeptionelles Modell Blockspeicher als Grundlage Organisationsprinzipien UFS traditionelles Unix-Dateisystem FAT traditionelles Windows-Dateisystem Struktur der Gesamtplatte Aufbau der Belegungstabelle (FAT) Verzeichnisdaten Lange Dateinamen (VFAT) NTFS modernes Windows-Dateisystem Netzwerkdateisysteme Logische Sicht Implementierung NFS Network File System in Unix SMB Netzwerkdateisystem in Windows Spezielle Dateisystemtechnologien Protokollierende Dateisysteme Festplattenpartitionierung Anwendungsbereiche Festplattenpartitionierung der PC-Systeme Programmentwicklung Software-Entwicklungswerkzeuge Ablauf der Programmübersetzung Darstellung von Übersetzungsvorgängen mittels T-Notation Automatisierte Übersetzung Versionenkontrolle

7 xiii 9.2 Adressraumbelegung und Relokation Storage Class Programmorganisation in Sektionen Relokation von Programmen Programmbibliotheken Grundlagen und Begriffe Programmbibliotheken unter Unix Programmbibliotheken unter Windows Skriptprogrammierung unter Unix Anwendungsbereiche Die Shell als Programminterpreter Portabilität und Kompatibilität Erstellung von Skriptprogrammen Elemente der Skriptsprache Shell-Befehle Shell-Variablen Metazeichen Synonyme und Funktionen Bedingte Tests (conditional tests) Arithmetik Kontrollstrukturen für Skripte Sicherheit Schutzziele Autorisierung und Zugriffskontrolle Grundlagen und Begriffe Schutzdomänenkonzept Schutzstrategien Hochsichere Betriebssysteme Sicherheit unter Unix Sicherheit unter Windows

8 xiv 11 Spezielle Technologien Multiprozessorsysteme Einprozessorsysteme Multiprozessorsysteme (Klassifikation nach Flynn) Rechenleistung paralleler Prozessoren (Amdahl s Law) Strukturen von Multiprozessorsystemen Leistungsbewertung von Computern Handheld-Computing Allgemeines Spezielle Anforderungen an das Betriebssystem Palm OS Windows CE Embedded Linux Symbian OS Virtualisierungskonzepte und ihre Anwendung Anwendungsbereiche Virtuelle Prozessoren Virtuelle Prozessumgebungen Virtuelle Ressourcen Virtuelle Computer (Stufe Computerhardware) Virtuelle Sekundärspeicher (storage virtualization) Virtuelle Netzwerke (network virtualization) A Anhang 691 A.1 Maßeinheiten und Darstellungen A.1.1 Maßeinheiten in der Informatik A.1.2 Darstellung von Bitmustern A.1.3 Oktal- und Hexadezimalzahlen A.1.4 Kennzeichnung der Zahlensysteme A.1.5 Rechnerinterne Zahlendarstellungen A.1.6 Textzeichensätze A.2 Instruktionssatz der Intel ia32-prozessoren Literaturhinweise 707 Index 709