Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme. 12. Übung

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1 Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme 12. Übung

2 Organisation Anmeldung zur Klausur Klausur Grundlagen der Betriebssysteme Datum: , 12 Uhr (c.t.) Raum F414 Anmeldung bis über ihr KLIPS-Prüfungsverwaltungsmenü! Bei Anmeldung ist die Teilnahme verpflichtend!!! Rücktrittsmöglichkeit ist bis zum offen!!

3 Aufgabe 1 - Deadlock Bedingungen Nennen Sie die 4 (notwendigen und hinreichenden) Bedingungen zur Entstehung eines Deadlocks und erläutern Sie diese mit wenigen Worten! Notwendige Bedingungen! (Design-Entscheidung des BS) 1) Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exklusion) Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann immer jeweils nur ein Prozess eine Ressource nutzen. 2) Besitzen und Warten (Hold & Wait) Ein Prozess kann auf die Zuteilung weiterer Ressourcen warten und darf dabei bereits Ressource besitzen. 3) Kein Ressourcenentzug (Non-Preemption) Ein Prozess, der im Besitz einer Ressource ist, kann diese nicht gewaltsam entzogen werden. Hinreichende Bedingung! (Situation) 4) Zyklisches Warten (Circular Wait) Es existiert eine geschlossene Kette von Prozessen, bei der jeder Prozess mindestens eine Ressource besitzt, die vom nächsten Prozess in der Kette benötigt wird!

4 Aufgabe 2 - Belegungs- und Wartegraphen Gegeben sei eine Menge von Prozessen {P1, P2, P3} und eine Menge Betriebsmitteln {R1, R2, R3}. Zeichnen Sie zu jeder Anforderungsfolge den Betriebsmittelbelegungsgraphen und den Prozesswartegraphen. (a) <P1,R3>, <P2,R2>, <P3,R1>, <P3,R2>, <P2,R1>, <P1,R1> (b) <P1,R2>, <P2,R2>, <P1,R3>, <P3,R3>, <P1,R1>, <P2, R3>, <P3,R2> (c) <P1,R1>, <P2,R2>, <P3,R3>, <P1,R2>, <P1,R3>, <P3,R2>

5 Belegungs- und Wartegraphen (a) <P1,R3>, <P2,R2>, <P3,R1>, <P3,R2>, <P2,R1>, <P1,R1>

6 Belegungs- und Wartegraphen (b) <P1,R2>, <P2,R2>, <P1,R3>, <P3,R3>, <P1,R1>, <P2,R3>, <P3,R2>

7 Belegungs- und Wartegraphen (c) <P1,R1>, <P2,R2>, <P3,R3>, <P1,R2>, <P1,R3>, <P3,R2>

8 Aufgabe 3 - Bankeralgorithmus Gegeben ist ein System mit 5 Prozessen (P1, P2, P3, P4, P5) und 4 Betriebsmitteln (A, B, C, D). Ein Teil der vorhandenen Betriebsmittel sei bereits belegt. Die Belegung ist wie folgt: Prozesse A B C D P P P P P Die Maximalanforderungen der einzelnen Prozesse sind ebenfalls bekannt. Prozesse A B C D P P P P P Von den Betriebsmitteln A,B,C und D stehen jeweils noch die folgenden Einheiten zur Verfügung. A B C D

9 Bankeralgorithmus a) Wie viele Einheiten an Betriebsmitteln (A,B,C,D) besitzt das System jeweils insgesamt? Prozesse A B C D P P P P P frei: A B C D A B C D

10 Bankeralgorithmus b) Ermitteln Sie die ausstehenden Restanforderungen an Betriebsmittel der einzelnen Prozesse! Prozesse A B C D P1 P2 P3 P4 P5 belegt/max Prozesse A B C D P1 0/0 0/0 1/1 2/2 P2 1/1 0/7 0/5 0/0 P3 1/2 3/3 5/5 4/6 P4 0/0 6/6 3/5 2/2 P5 0/0 0/6 1/5 4/6

11 Bankeralgorithmus c) Befindet sich das System in einem sicheren Zustand? Begründen Sie! belegt/max -> need Prozesse A B C D P1 0/0 -> 0 0/0 -> 0 1/1 -> 0 2/2 -> 0 P2 1/1 -> 0 0/7 -> 7 0/5 -> 5 0/0 -> 0 P3 1/2 -> 1 3/3 -> 0 5/5 -> 0 4/6 -> 2 P4 0/0 -> 0 6/6 -> 0 3/5 -> 2 2/2 -> 0 P5 0/0 -> 0 0/6 -> 6 1/5 -> 4 4/6 -> 2 A B C D frei Prozesse A B C D

12 Bankeralgorithmus Sichere und Unsichere Zustände: Ein Zustand ist sicher, wenn sich von diesem Zustand aus mit den derzeit freien (d.h. von keinem Prozess belegten) Betriebsmitteln und den Betriebsmitteln, die nach der Terminierung von Prozessen freigegeben werden, die Betriebsmittelanforderungen aller Prozesse, die sich derzeit im System befinden, erfüllt werden können. Kurz: alle aktuellen Prozesse können alle Betriebsmittel, die sie bis zu ihrer Terminierung benötigen, zugeteilt bekommen, ihre Aufgabe erfüllen und dann terminieren. Es gibt mindestens eine sichere Sequenz gibt, in der alle aktuellen Prozesse abgearbeitet (also ihre Anforderungen erfüllt) werden können. In diesem Fall gilt für jeden Prozess P k einer solchen Frequenz P 1,..., P n, dass dessen Betriebsmittelanforderungen mit den vorher schon freien zuzüglich der vom Vorgängerprozess P k-1 freigegebenen Betriebsmittel erfüllt werden konnten.

13 Bankeralgorithmus Rückblick (Banker-Beispiel)

14 Bankeralgorithmus d) Prozess P2 stellt eine Anfrage nach weiteren Betriebsmittel (A,B,C,D) über (0,4,2,0). Überprüfen Sie, ob die Anfrage vom System erfüllt werden kann. Prozesse A B C D P1 belegt/max 0/0 -> 0 0/0 -> 0 1/1 -> 0 2/2 -> 0 P2 (1+0)/1 -> 0 (0+4)/7 -> 7 (0+2)/5 -> 5 (0+0)/0 -> 0 P3 1/2 -> 1 3/3 -> 0 5/5 -> 0 4/6 -> 2 P4 0/0 -> 0 6/6 -> 0 3/5 -> 2 2/2 -> 0 P5 0/0 -> 0 0/6 -> 6 1/5 -> 4 4/6 -> 2 A B C D frei Prozesse A B C D

15 Aufgabe 4 First-Fit: Segmentliste wird von Anfang an, aufsteigend durchsucht, bis ein Loch gefunden wurde, das groß genug ist. Vorteil -> sehr schnell Next-Fit: Wie First-Fit jedoch Start nicht immer von Anfang an, sondern von der letzten Stelle an der ein passendes Loch gefunden wurde Vorteil -> geringfügig schneller als First-Fit

16 Aufgabe 4 Best-Fit: Durchsucht die gesamte Liste und nimmt das kleinste passende Loch, welches am dichtesten an der Größe des Prozesses liegt. Nachteil -> ist langsamer als Next- & First-Fit Algorithmus tendiert dazu den Speicher mit kleinen nicht mehr brauchbaren Löchern zu belegen. Worst-Fit: Wie Best-Fit durchsucht die Segmentliste jedoch noch den größten Löchern, welche am weitesten von der Prozessgröße liegen. Nachteil -> ist langsamer als Next & First Fit -> wie Best Fit Allerdings wird der Speicher nicht mit kleinen Löchern belegt. Verbesserungen: - Verwaltung getrennter Listen für Prozesse und Löcher -> Allokation von Speicherplatz schneller, aber Deallokation langsamer, da zwei Listen abgeglichen werden müssen. - Liste der Löcher wird nach Größe sortiert. Erfordert Sortieraufwand. Best-Fit (Worst-Fit) und First-Fit sind in diesem Fall gleich gut.

17 Aufgabe 4 - Gegeben sei ein Swapping System, dessen Speicher folgende Lochgrößen aufweist, diese sind in der angegebenen Reihenfolge Lokalisiert: 10KB, 4KB, 20KB, 18KB, 7KB, 9KB, 12KB, 15KB. Geben Sie die Größe der freien Speicherblöcke an, wenn folgende Speicherblöcke sukzessive (in der hier angegebenen Reihenfolge) angefordert werden: 12KB, 10KB, 15KB. Betrachten Sie folgende Algorithmen: Best-fit, Next-fit, First-fit und Worst-fit. Löcher 10KB 4KB 20KB 18KB 7KB 9KB 12KB 15KB Best-fit Next-fit First-fit Worst-fit

18 Interne Fragmentierung Werden Speicherbereiche reserviert und zugeordnet, von denen aufgrund der Anforderung nicht alles genutzt wird, gilt der Rest als vergeudet es sei denn, der Prozess wird in die Richtung wachsen. Man spricht hier von interner Fragmentierung des Speichers. Innerhalb der von der Speicherverwaltung vorgegebenen Größen kommt es zur Auflockerung der Nutzung!

19 Externe Fragmentierung Werden bei der Speicherplatzvergabe Bereiche definiert, die nicht mehr durch größere Anwendungen genutzt werden können, spricht man von externer Fragmentierung, also der Zerstückelung des kontinuierlichen Speicherbereichs in nur im Kleinen zu nutzenden Einheiten. Abhilfe schafft hier eine zeitintensive Verdichtung

20 Buddy System Möglich kontinuierlich Speicherbereiche zu reservieren und Anwendungen zu zuordnen wichtig um z.b. Bestandteile oder Module des Kernels nachzuladen. Grundidee: ausnutzen binär-orientierter Partitionen um geeignet große Speicherbereiche zu finden. anschließende Beschleunigung der Verschmelzung angrenzender Löcher. elementare Einheit Seite des Paging-Verfahrens. Java-Applet:

21 Buddy System Verfahren: Speicherverwaltung verwaltet Listen von freien Blöcken der Größe 1, 2, 4, 8, 16, 32,... bis zur Größe des Speichers. Bei 512 MB Speicher werden auf diese Weise 30 Listen benötigt. Zu Beginn gibt es nur die 512 MB Liste mit einem einzigen Eintrag, stellt den gesamten Speicher als freien Bereich dar. Alle anderen Listen sind anfänglich leer. Vorteil des Verfahrens: Wird ein Buddy der Größe 2 K freigegeben, muss nur in der Liste mit Löcher der Größe 2 K nach einer Verschmelzung gesucht werden. Bei Verfahren die beliebige Verschmelzungen erlauben müssen alle Löcher überprüft werden Nachteil: Ineffizient in der Speicherausnutzung 35KB Prozess alloziiert 64KB und verschendet 29KB interne Fragmentierung Löcher auf die zugegriffen werden kann externe Fragmentierung

22 Buddy System

23 Buddy System

24 Buddy System Ein Prozess X (X11) mit Speicherplatzanforderung von 17,5 MB soll in den 512 MB (1) großen Speicher eingelagert werden. Da die Segmente in der Größe von Zweierpotenzen arrangiert sind, werden 32 MB benötigt. Das führt zur Zersplitterung des Rests in die freien Blöcke 32, 64, 128 und 256 MB. (2) Wird daraufhin ein Terminalfenster (xterm) geöffnet, verlangt der entstehende Prozess T nach 2,05 MB Speicher. Der ist nur nach Aufsplittung des 32er Blockes in viele kleine Teile zu erhalten. Nun wird der Prozess F (Firefox) mit 30 MB gestartet. Er sucht und findet ein 64 MB (3) großes Segment, welches in zwei Segmente mit je 32 MB zerteilt wird. Der Prozess S (StarOffice) benötigt aufgrund seiner Anforderung von 36 MB einen 64 MB (4) Block und splittet den freien 128er in zwei Teile. Gimp mit 22,5 MB lagert sich als Prozess G in den freien 64er Block ein und lässt wieder (5) einen freien 32er Block entstehen. Das Beenden von Firefox erlaubt das Verschmelzen der nebeneinander liegenden 32er- (6) Buddies zu einem 64er. Dagegen erlaubt die Freigabe des 4 MB xterms nur ein Verschmelzen der umliegenden Blöcke bis zur Zweierpotenz 32, nicht aber das Zusammenlegen mit dem daneben liegenden 64er und auch nicht mit dem noch freien 32er Buddy neben Gimp. Wird StarOffice beendet so wird ebenfalls lediglich der 64er Block freigegeben. (7) Sobald Gimp beendet wird, können die beiden 32er Blöcke miteinander verschmolzen (8) werden. Anschließend können die beiden 64er Blöcke zu einem 128er Block verschmolzen werden.

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27 Buddy System

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30 Buddy System

31 Aufgabe 5 - Gegeben ist das C-Programm matrix.c und zwei Textdateien test1.txt und test2.txt, welche Sie auf der Webseite der Übung finden. Das Programm matrix.c öffnet eine angegebene Datei (test1.txt), welche eine 3x3 Matrix enthalten sollte und gibt diese anschließend auf der Konsole aus. Laden Sie das Programm matrix.c und die Dateien test1.txt und test2.txt in die Linux-Umgebung ihrer Bearbeitungsgruppe. Kompilieren Sie das Programm dort mit gcc -o matrix matrix.c und starten Sie es mit./matrix test1 &. Das Programm beendet sich nicht, sondern läuft im Hintergrund weiter (zusehen über ps -elf ). a) Das Linux Programm lsof (list open files) zeigt Informationen über geöffnete Dateien im Betriebssystem Linux an. Welche Informationen bekommen sie angezeigt, wenn sie nach dem Start von./matrix test1 & den Befehl lsof test1.txt eingeben? Geben Sie die Ausgabe mit einer kurzen Erläuterung der wichtigsten Informationen hier an.

32 Aufgabe 5 - Das Programm lsof (list open files) zeigt geoffnete Dateien, Verzeichnisse, Unixsockets, IPSockets und Pipes an. $./test test1.txt & $ ps -elf 0 R root :18 pts/0 00:00:05./test test1.txt $ lsof test1.txt COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME test 935 root 3r REG 8, test1.txt

33 Aufgabe 5 - Das Programm lsof (list open files) zeigt geoffnete Dateien, Verzeichnisse, Unixsockets, IPSockets und Pipes an. alle Dateien und Netzverbindungen, die ein bestimmter Prozess geöffnet hat, alle Prozesse, die eine bestimmte Datei oder Netzverbindung geöffnet haben oder die Namen aller Prozesse, die auf eine Netzverbindung warten. COMMAND Befehl/Programm PID Process ID USER - Benutzer FD File Descriptor TYPE Typ, REG reguläre Datei, DIR Verzeichnis, FIFO pipe, usw... DEVICE Gerat/Partition, auf dem die Datei liegt. SIZE/OFF z.b. Größe der Datei, manche Einträge haben keine größe, z.b. Pipes (OFFSET) NODE Inode Nummer -> index node -> Verweis auf die Datei NAME Name der Datei

34 Aufgabe 5 - b) Erweitern Sie das Programm matrix.c zu matrixmul.c. Dabei sollen zwei Textdateien (test1.txt und test2.txt) eingelesen werden. Die beiden Dateien enthalten jeweils eine 3x3 Matrix welche miteinander multipliziert werden sollen. Die Ergebnismatrix soll in eine neue Datei mit Namen result.txt geschrieben werden.

35 Aufgabe 5-1. Beispiel //Gruppe: bloomfield #include <stdio.h> main(int argc, char *argv[]) { //Variablen ========================================================= FILE *infpt; int Matrix1[3][3]; int Matrix2[3][3]; int Matrix3[3][3]; int i, j; char *file1, *file2; //Parameter abspeichern ============================================ if(argc<3){ printf("\nerror: Need two Files as argument.\n"); return; } else { file1 = argv[1]; file2 = argv[2]; }

36 Aufgabe 5-1. Beispiel //Parameter abspeichern ============================================ if(argc<3){ } else { } printf("\nerror: Need two Files as argument.\n"); return; file1 = argv[1]; file2 = argv[2]; //Matrizen initialisieren ========================================== for (i = 0; i < 3; i++) } for (j = 0; j < 3; j++) { Matrix1[i][j] = 0.0; Matrix2[i][j] = 0.0; Matrix3[i][j] = 0.0;

37 Aufgabe 5-1. Beispiel //erste Matrix einlesen infpt = fopen(file1,"r"); if(infpt == NULL) { printf("\nerror: File couldn't be opened (1).\n"); return; } for(j = 0; j < 3; j++) for(i = 0; i < 3; i++) fscanf(infpt, "%d",&matrix1[j][i]); //zweite Matrix einlesen infpt = fopen(file2,"r"); if(infpt == NULL) { printf("\nerror: File couldn't be opened (1).\n"); return; } for(j = 0; j < 3; j++) for(i = 0; i < 3; i++) fscanf(infpt, "%d",&matrix2[j][i]);

38 Aufgabe 5-1. Beispiel //Multiplikation =================================================== //1.Zeile Matrix3[0][0] = Matrix1[0][0]*Matrix2[0][0] + Matrix1[0][1]*Matrix2[1][0] + Matrix1[0][2]*Matrix2[2][0]; Matrix3[0][1] = Matrix1[0][0]*Matrix2[0][1] + Matrix1[0][1]*Matrix2[1][1] + Matrix1[0][2]*Matrix2[2][1]; Matrix3[0][2] = Matrix1[0][0]*Matrix2[0][2] + Matrix1[0][1]*Matrix2[1][2] + Matrix1[0][2]*Matrix2[2][2]; //2.Zeile Matrix3[1][0] = Matrix1[1][0]*Matrix2[0][0] + Matrix1[1][1]*Matrix2[1][0] + Matrix1[1][2]*Matrix2[2][0]; Matrix3[1][1] = Matrix1[1][0]*Matrix2[0][1] + Matrix1[1][1]*Matrix2[1][1] + Matrix1[1][2]*Matrix2[2][1]; Matrix3[1][2] = Matrix1[1][0]*Matrix2[0][2] + Matrix1[1][1]*Matrix2[1][2] + Matrix1[1][2]*Matrix2[2][2]; //3.Zeile Matrix3[2][0] = Matrix1[2][0]*Matrix2[0][0] + Matrix1[2][1]*Matrix2[1][0] + Matrix1[2][2]*Matrix2[2][0]; Matrix3[2][1] = Matrix1[2][0]*Matrix2[0][1] + Matrix1[2][1]*Matrix2[1][1] + Matrix1[2][2]*Matrix2[2][1]; Matrix3[2][2] = Matrix1[2][0]*Matrix2[0][2] + Matrix1[2][1]*Matrix2[1][2] + Matrix1[2][2]*Matrix2[2][2];

39 Aufgabe 5-1. Beispiel //Ausgabe =========================================================== //Datei vorbereiten infpt = NULL; if((infpt = fopen("result.txt", "w+")) == NULL) { printf("error opening result.txt\n"); return -1; } //Matrix 1 //Matrix 2 //Matrix 3 printf("3. Matrix:\n"); for(i = 0; i < 3; i++) { for(j = 0; j < 3; j++) { fprintf(infpt,"%d ",Matrix3[i][j]); printf("%d ",Matrix3[i][j]); } fprintf(infpt,"\n"); putchar('\n'); } fclose(infpt);

40 Aufgabe 5-2. Beispiel for(j = 0; j < 3; j++) for(i = 0; i < 3; i++) { fscanf(infpt1, "%d",&matrix1[j][i]); fscanf(infpt2, "%d",&matrix2[j][i]);} //Matrix-Multiplikation for(i = 0; i < 3; i++) { for(j = 0; j < 3; j++) { for (k=0; k<3; k++) {(Matrix3[i][j]=Matrix3[i][j]+Matrix1[i][k]*Matrix2[k][j]);} } }

41 Aufgabe 5-2. Beispiel for(i = 0; i < 3; i++) { for(j = 0; j < 3; j++) { printf("%d ",Matrix3[i][j]); //stdout -> Konsole fprintf(out,"%4d", Matrix3[i][j]); //Datei } putchar('\n'); //stdout -> Konsole fputs("\n", out); //Datei }