Klausur zur Vorlesung Grundlagen der Betriebssysteme WS 2011 / 2012

Transkript

1 Name: Matrikelnummer: Studiengang: INF CV IM Lehramt BSc MSc BEd MEd Diplom Klausur zur Vorlesung Grundlagen der Betriebssysteme WS / - Musterlösung - Montag, den. Februar, 9: Uhr : Uhr Prof. Dr. D. Zöbel, Dipl. Inform. F. Bohdanowicz Bitte kontrollieren Sie, ob Ihr Klausurexemplar vollständig (alle Aufgaben vorhanden) ist. Schreiben Sie auf das Deckblatt Ihren Namen, Ihren Vornamen, Ihre Matrikelnummer und Ihren Studiengang. Schreiben Sie auf jedes Aufgabenblatt Ihren Namen und Ihren Vornamen. Verwenden Sie zur Lösung der Aufgabenblätter einen dokumentenechten Stift und schreiben Sie bitte leserlich. Schreiben Sie bitte die Lösungen auf die Aufgabenblätter. Sie können auch die Rückseiten der Aufgabenblätter verwenden. Weiteres Schreibpapier kann angefordert werden. Die Verwendung eines Taschenrechners ist erlaubt. Andere Hilfsmittel sind nicht zugelassen. Aufgabe gesamt Punkte 7 erreicht Note

2 Name: Punkte: Wissen im Fachgebiet Betriebssysteme a) ( Punkte) Seagate verbaut in seiner aktuellen Festplatten-Serie Constellation ES mit GByte einen Cachespeicher von gerade mal MByte Größe. Heutige Desktop-Systeme werden mit mindestens GByte Arbeitsspeicher ausgestattet. Somit sitzt zwischen GByte Festplattenspeicher und GByte Arbeitsspeicher ein MByte großer Cachespeicher. Erläutern Sie, warum Festplatten-Cachespeicher aus der Größenordnung der Speicherhierarchie herausfallen! Warum wirken sich Cachespeicher trotzdem beschleunigend auf das System aus. Cachespeicher ist schneller Pufferspeicher, schneller als Festplatte. Teuer, daher sehr klein. Seitenaustauschalgorithmen nutzen geschickt Lokalitätsprinzip und Prinzip der Gleichförmigkeit der Programme aus. b) ( Punkte) Erläutern Sie den Unterschied zwischen preemptive und non-preemptive Scheduling und nennen und beschreiben Sie jeweils eine Scheduling-Strategie, die in die jeweilige Kategorie passt. Non-preemptive, run-to-completion-verfahren gennant, darf ein Prozess nicht unterborchen werden, bis er seine Aufgaben vollständig erledig hat. Bsp.: First Come First Serve (FCFS) (FIFO) Im Preemptive Scheduling kann eine Unterbrechung stattfinden, rechenbereite Prozesse können somit suspendiert werden. Dies setzt natürllich eine Strategie zur Vergabe der CPU voraus, die vom Betriebssystem unterstützt werden muss und in der Regel auf der Zeitscheibentechnik basiert. Round Robin (RR) c) ( Punkte) Bei der Entstehung eines Deadlocks haben wir hinreichende und notwendige Bedingungen kennengelernt. Nennen Sie diese Bedingungen und begründen Sie, warum diese als hinreichend oder notwendig zur Entstehung eines Deadlocks eingestuft werden! ) Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion) - Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann immer jeweils nur ein Prozess eine Ressource nutzen. ) Besitzen und Warten (Hold & Wait) - Ein Prozess kann auf die Zuteilung weiterer Ressourcen warten und darf dabei bereits Ressource besitzen. ) Kein Ressourcenentzug (Non-Preemption) - Ein Prozess, der im Besitz einer Ressource ist, kann diese nicht gewaltsam entzogen werden. ) 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! Die ersten Bedingungen sind notwendige Design-Entscheidungen für das Betriebssystem, die Voraussetzung für die Entstehung eines Deadlock sind. Die letzte Bedingung ist hinreichend für die eigentliche Deadlock-Situation und stellt diese letztlich dar. d) ( Punkte) Erläutern Sie kurz, was die Aufgabe des Hypervisors bei der Virtualisierung ist! Bildet den Kern des Virtualisierungssystems, das die physikalischen Betriebsmittel den virtuellen Maschinen, bzw. dem virtualisierten Betriebssystem zuteilt. Vermittelt zwischen Bestriebssystem des Wirts und der VMs. Darf sensitive Befehle des Gastsystems ausführen.

3 Name: Punkte: RAID Systeme a) ( Punkte) Warum ist ein Festplatten-Array vom Typ RAID-Level kein eigentliches RAID im Sinne der RAID- Architektur? Welchen Vorteil bietet der Einsatz von RAID-? RAID steht für Redundant Array of Independent Disks, also Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten. In erster Linie soll es eine höhere Datenverfügbarkeit bei Ausfall einer Festplatte bieten. RAID fehlt die Redundanz. Es bietet gesteigerte (Zugriffs-)Transferraten durch Stripping, verteilen der Daten auf mehrere Platten. b) ( Punkte) Sie sollen ein RAID-System mit TByte Speicherplatz aufbauen und dafür auf die notwendige Anzahl an baugleichen Festplatten mit TByte Speichergröße zurückgreifen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit (Annual Failure Rate (AFR)) der ausgewählten Platten liegt bei %. (Anmerkung: Im Folgenden genügt das Aufstellen der Nebenrechnung und einsetzen der Werte. Das Berechnen des Ergebnisses ist nicht erforderlich.) P F =, P S =,99 i) Wie wird die Zuverlässigkeit (P S ) des Systems berechnet, wenn die Festplatten im RAID- Array betrieben werden und lediglich die AFR berücksichtigt wird? (P S ) N =,99 =,9 9, ii) Wie wird die Zuverlässigkeit (P S ) des Systems berechnet, wenn die Platten im RAID- Array betrieben werden und lediglich die AFR berücksichtigt wird? N + P s ()= P N + S + (N + ) P S P F + ( N + ) P N S P F P s ()=,99 +,99,+,99, =, ,88 c) ( Punkte) Ein TByte RAID- Array, bestehend aus der entsprechenden Anzahl an TByte Festplatten soll als Storage-Server in einem Firmen-Netzwerk eingebunden werden. Zusätzlich soll ein baugleiches RAID- Array im Firmen-Netzwerk eingebunden werden, welches alle Daten des ersten Systems vollständig spiegelt. i) Wie viele TByte Festplatten werden insgesamt für beide RAID- Arrays benötigt, um die geforderten TByte Nutzdaten abzusichern? Es werden insgesamt TByte Festplatten benötigt. Platten für jedes RAID- Array. ii) iii) Wie viele Festplatten dürfen unabhängig voneinander im Gesamtsystem ausfallen und wie viele Platten dürfen maximal ausfallen, ohne die Konsistenz der Nutzdaten zu beeinträchtigen? Begründen Sie Ihre Antwort kurz! Insgesamt dürfen beliebige Festplatten ausfallen. Jeweils eine wegen der Redundanz des RAID- Arrays + wegen der Redundanz des gespiegelten Servers, was RAID- entspricht. Maximal darf ein RAID-Array mit Festplatten komplett ausfallen + eine Platte aus dem anderen RAID- System. In diesem Fall also Platten. iii) Wie berechnet sich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, wenn lediglich die Annual Failure Rate (AFR hier %) der Festplatten berücksichtigt wird? (Formel genügt!) Für RAID- System: Für redundante RAID- Systeme P s ()=P S N + + ( N + ) P S N P F =,99 +,99,=,998 ( P s ()) =,9999

4 Name: Punkte: Verteilte Systeme a) ( Punkte) Bestimmen Sie für das gegebene Szenario die Vektorzeiten für die einzelnen Ereignisse j e i. Geben Sie für die nachfolgenden Ereignispaare (a und b) jeweils an, ob sie bezüglich ihrer Vektorzeiten in der Relation a b oder a b stehen. P P e e e e e e e e e e P e e e e e (i) e und e e läuft parallel zu e es gilt e e (ii) e und e e läuft parallel zu e es gilt e e e und e (iii) e läuft vor e es gilt e < e b) ( Punkte) Bei der sogenannten Lamport-Zeit werden für jeden Knoten Uhren eingeführt, die jedem Ereignis eine Uhrzeit zuordnen. Erläutern Sie anhand geeigneter Ereignisse des Beispiels aus a) die Schwäche der Lamport-Zeit gegenüber der Vektorzeit. Gehen Sie in Ihrer Erläuterung auf die in der Vorlesung vorgestellte Implikation '' a vor b c(a)< c( b) '' zur Lamport-Zeit ein. Beispiel: Lamport-Zeit Lamport-Uhren lösen nicht das P e Kausalitätsproblem. Wie aus dem Beispiel e e e e ersichtlich gilt die Umkehrung der gegebenen P Implikation nicht. Es könnte sich e nach e ereignen, was die Angabe e e e e der Lamport-Zeit nicht zulässt. P Die Vektorzeit gibt hier klar an, dass die e Ereignisse parallel stattfinden, da nicht alle e e Komponenten des Vektors e kleiner der Komponenten des Vektors e sind. e 7 e e 7

5 Name: Punkte: Synchronisation mit Semaphoren Gegeben ist das folgende Beispiel für das Leser-/Schreiber Problem in Pseudo-Code. Eine Anzahl an Lesern und Schreibern greift auf einen gemeinsamen Datenbereich zu (über die Funktionen READUNIT() und WRITEUNIT()). Es können beliebig viele Leser gleichzeitig den Datenbereich lesen. Es kann immer nur ein Schreiber in den Datenbereich schreiben. Falls ein Schreiber schreibt, so kann der Datenbereich nicht gleichzeitig von einem Leser gelesen werden. In diesem Beispiel besitzen die Leser eine höhere Priorität beim Zugriff auf den Datenbereich. Ändern Sie das Programm so ab, dass die Schreiber eine höhere Priorität erhalten, d.h. möchte ein Schreiber auf den Datenbereich zugreifen, so müssen wartende Leser dem Schreiber vortritt gewähren. (Hinweis: Sie benötigen weitere Semaphore und eine weitere Zählervariable für das neue Programm mit Priorität für den Schreiber). int count; writecount; semaphore semx=, semy=; y=, z=, rsem=; void reader() while(true) P(z); P(rsem); P(semX); count++; if(count==) P(semY); V(semX); V(rsem); V(z); READUNIT(); void writer() while(true) P(y); writecount++; if(writecount==) P(rsem) V(y); P (semy); WRITEUNIT(); Punkte count P(semX); count--; if(count==) V(semY); V(semX); V(semY); P(y); writecount--; if(writecount==) V(rsem); V(y); void main() count =, writecount = ; pargebin(reader,writer);

6 Name: Punkte: Gegenseitiger Ausschluss Mithilfe des nachfolgenden Programmcodes soll der gegenseitige Ausschluss von zwei Prozessen P und P realisiert werden. Bewerten Sie, ob der Programmcode eine geeignete Lösung darstellt und untersuchen Sie dazu explizit die folgenden Kriterien:. Nur ein Prozess darf sich im kritischen Gebiet befinden.. Will nur ein Prozess ins kritische Gebiet, so gelangt er schließlich hinein.. Wollen beide Prozesse ins kritische Gebiet, gelangt schließlich einer hinein.. Keine Aktion von außerhalb hat Einfluss auf das Betreten und Verlassen des kritischen Gebietes. Begründen Sie Ihre Aussagen anhand des gegebenen Codes. Programmcode: #define drinnen #define draussen common int marke = ; common int p = draussen; common int p = draussen; P:: p = drinnen; if (p == drinnen) if (marke == ) marke = ; p = draussen; while (marke == ) p = drinnen; while (p == drinnen) /* kritisches Gebiet */ p = draussen; P:: p = drinnen; if (p == drinnen) if (marke == ) marke = ; p = draussen; while (marke == ) p = drinnen; while (p == drinnen) /* kritisches Gebiet */ p = draussen; Zu. Die Variablen p, p und marke verhindern, dass Prozesse zur gleichen Zeit ins kritische Gebiet kommen. Zu. Es gelangt immer ein Prozess ins kritische Gebiet, aufgrund der Variablen p und p, wird immer ein Prozess in der while-schleife hängen bleiben, während der andere ins kritische Gebiet kommt. Es kann vorkommen, dass sich beide Prozesse innerhalb der if-abfrage nach setzen der variable marke befinden (Z ). Ist das der Fall, dann wird ein Prozess für immer in der while-schleife (Z. ) hängen bleiben. Der. Prozess verlässt die If-Abfrage und hat dann keine Möglichkeit mehr die Variable marke zu verändern. In disem Zusammenhang kann es auch passieren, dass beide in der while Schleife (Z. ) hängen bleiben und kein Prozess voran kommt. Zu. Siehe. Ein Prozess kann in der while-schleife in Zeile hängen bleiben. Somit kommt er nie ins kritische Gebiet. Zu. Nach diesem Code-Abschnitt gelangen die Prozesse nur durch das passieren der while-schleife Z. 7 ins kritische Gebiet. Es ist keine Funktion definiert, die einen exklusiven Zugriff auf das kritische Gebiet erlaubt. Jeder Prozess muss nach dem Verlassen des krit. Gebietes seine Variable p/p auf draussen setzen.

7 Name: Punkte: Multiple-Choice Diese Aufgabe umfasst Multiple-Choice Cluster mit je Ankreuzfragen. Für jedes Cluster gilt: Wenn alle Kreuze an der richtigen Stelle stehen, gibt es Punkte für das Cluster. Ein falsches Kreuz gibt einen Punkt Abzug. Wer richtige und falsche Kreuze in einem Cluster macht, erhält +--= Punkte. Es gibt keine negativen Gesamtpunktzahlen. Jedes Cluster bringt bis Punkte. Ja Nein Aussagen a) Threads und Prozesse. o o. o o. o o. o o Unter Unix/Linux erzeugt der Systemcall fork() einen neuen Thread innerhalb eines bereits laufenden Prozesses. Unter dem Betriebssystem Windows XP kann ein Thread mehreren Prozessen zugeordnet werden. Unter dem Betriebssystem Windows XP kann ein Thread mehreren Prozessen zugeordnet werden. In einem Symmetrischen Mehrprozessorsystem (SMP-Architektur) können Threads eines Prozesses verschiedenen Prozessoren zur Ausführung zugewiesen werden. b) Virtuelle und physikalische Adressierung. o o. o o. o o. o o c) Verschiedenes. o o. o o. o o. o o Die Umsetzung der virtuellen Adressen auf den physikalischen Speicher wird von der MMU durchgeführt und benötigt daher keine Berechnungszeit. Beim Segmentation Fault wird eine Adresse angesprochen deren zugehöriger Seitenrahmen nicht im Arbeitsspeicher liegt und nachgeladen werden muss. Die Seitenfehlerrate des Seitenaustauschalgorithmus FIFO wird durch eine Vergrößerung des Arbeitsspeichers immer verbessert. Der virtuelle Adressraum kann größer sein als der adressierbare physikalische Speicher. Bei einem Mikrokern-basierten Betriebssystem ist die Unterbrechungsbehandlung Bestandteil des Kernels. Die Aufgabe des Binders (Linker) ist es, ein Programm zum Zwecke seiner Ausführung an freie Adressen des Hauptspeichers zu binden (verlinken). Beim Verfahren von Christian zur Zeitmessung (Christiansalgorithmus) sendet ein Zeitserver seinen Clients eine errechnete zeitliche Differenz zu deren Uhrumstellung zu. Die Beschleunigung eines Mehrprozessorsystems durch zusätzliche Prozessoren wird durch einen gemeinsam genutzten Bus beeinträchtigt.