Grundkurs Betriebssysteme

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2 Grundkurs Betriebssysteme

3 Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation 3., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 189 Abbildungen und 10 Tabellen

4 Peter Mandl München, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2013 Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorwort Betriebssysteme stellen Dienste für Anwendungssysteme bereit und werden auch nur für diese entwickelt. Ohne Anwendung bräuchte man nämlich auch kein Betriebssystem. Heutige Betriebssysteme wie Unix, Linux, Windows oder Großrechnerbetriebssysteme sind sehr komplexe Programmsysteme, in denen viele Jahre Entwicklungsleistung stecken und die auch ständig weiterentwickelt werden müssen. Sie nutzen viele Techniken und Strategien zur Gewährleistung einer hohen Leistungsfähigkeit und zur Bereitstellung von optimalen Services für die Anwendungen. Das vorliegende Lehrbuch befasst sich mit den Grundlagen von Betriebssystemen. In kompakter Form werden wichtige Grundkonzepte, Verfahren und Algorithmen dargestellt, die in modernen Betriebssystemen eingesetzt werden. Das Buch behandelt die folgenden Themenkomplexe: 1. Einführung 2. Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten 3. Interruptverarbeitung 4. Prozesse und Threads 5. CPU-Scheduling 6. Synchronisation und Kommunikation 7. Hauptspeicherverwaltung 8. Geräte- und Dateiverwaltung 9. Betriebssystemvirtualisierung Der Schwerpunkt liegt bei sog. Mehrzweckbetriebssystemen oder Universalbetriebssystemen, die überwiegend für betriebliche Informationssysteme eingesetzt werden, weniger bei Realzeit- bzw. Embedded Systemen, die mehr in technischen Fragestellungen relevant sind. Einige grundlegende Konzepte gelten aber für alle Typen von Betriebssystemen. Kapitel 1 enthält eine Einführung in grundlegende Konzepte und Aufgaben von Betriebssystemen sowie eine historische Betrachtung. Kapitel 2 stellt wichtige Architekturvarianten und Betriebsarten von Betriebssystemen vor. In Kapitel 3 werden die Konzepte zur Interruptbearbeitung und zur Behandlung von Systemaufrufen diskutiert. V

6 Vorwort Im Kapitel 4 wird erläutert, wie heutige Betriebssysteme die Ressourcen Prozess und Thread verwalten. Was Threads sind und wie sie in höheren Programmiersprachen wie Java und C# verwendet werden können, wird ebenfalls dargestellt. Kapitel 5 beschreibt verschiedene Strategien zur Verwaltung von Prozessen und Threads (CPU-Scheduling = Ablaufplanung) und erläutert, wie ein Betriebssystem einen Prozess-/Threadwechsel durchführt (Dispatching = Arbeitsvorbereitung, Disposition). Verschiedene Scheduling-Strategien werden vorgestellt und mit Fallbeispielen unterlegt. Das Thema Synchronisation und Kommunikation wird in Kapitel 6 behandelt, wobei die grundlegenden Prinzipien paralleler bzw. nebenläufiger Bearbeitung von Objekten durch Prozesse und Threads erläutert werden. Als Mechanismen zur Synchronisation nebenläufiger Prozesse und Threads werden Locks, Semaphore, Mutexe und Monitore behandelt. Es wird gezeigt, wie man diese Mechanismen in höheren Sprachen wie Java und C# einsetzen kann. Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Prozessen oder Threads werden ebenfalls vorgestellt, wobei z.b. auf das Pipe-Konzept eingegangen wird. In Kapitel 7 werden schließlich die Konzepte der Hauptspeicherverwaltung ausführlich erläutert, wobei die virtuelle Speichertechnik im Mittelpunkt steht. Seitenersetzungsstrategien werden vorgestellt und Ansätze für die Verwaltung großer Adressräume skizziert. Ein grundlegender Einblick in einige Konzepte der Geräte- und Dateiverwaltung innerhalb von Betriebssystemen folgt in Kapitel 8. Es wird erläutert, wie die Geräteverwaltung ins Betriebssystem eingebettet ist und wie Dateisysteme prinzipiell funktionieren. Schließlich befasst sich das Kapitel 9 mit den grundlegenden Konzepten und Lösungsansätzen für die Virtualisierung von Betriebssystemen. Im Anhang sind einige Ergänzungen enthalten. Insbesondere werden einige Datenstrukturen, die in Betriebssystemen häufig verwendet werden, im Anhang einführend erläutert. In diesem Buch wird ein praxisnaher Ansatz gewählt. Der Stoff wird mit vielen Beispielen aus aktuell relevanten Betriebssystemen und Programmiersprachen angereichert. Als Beispiel-Betriebssysteme werden vorwiegend Windows, Unix und Linux herangezogen. Zu jedem Kapitel sind Übungsaufgaben beigefügt. Für das Verständnis einiger Programmbeispiele sind grundlegende Kenntnisse von Programmiersprachen (C, C++, Java und C#) nützlich, jedoch können die wesentlichen VI

7 Vorwort Konzepte auch ohne tiefere Programmierkenntnisse verstanden werden. Vom Leser werden ansonsten keine weiteren Grundkenntnisse vorausgesetzt. In der 2. Auflage wurden textliche Überarbeitungen sowie einige Aktualisierungen vorgenommen und es wurden zahlreiche Fehler behoben. Der Aufbau des Buches blieb bis auf die Aufteilung von Kapitel 1 in drei Einzelkapitel unverändert. Die Einführung in wichtige Datenstrukturen wurde in den Anhang verlegt. In der 3. Auflage wurde die Kapitelaufteilung ebenfalls beibehalten und es wurde das Kapitel 9 zum Thema Betriebssystemvirtualisierung ergänzt. Dieses Thema war uns aufgrund der immensen Entwicklung in den letzten Jahren ein eigenes Kapitel wert. Innerhalb der einzelnen Kapitel wurden teilweise umfangreiche Aktualisierungen vorgenommen. Der didaktische Aufbau wurde verbessert und es wurden neue Fallbeispiele wie etwa das Betriebssystem Android für mobile Geräte in die einzelnen Kapitel eingearbeitet. Der Inhalt des Buches entstand aus mehreren Vorlesungen über Betriebssysteme an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (HAW München). Bedanken möchte ich mich sehr herzlich bei meiner Kollegin Frau Kerstin Schmidt und meinem Kollegen Herrn Georg Lackermair sowie bei meinen Tutoren für die Diskussionen im Rahmen der Vorlesungen und Übungen. Ganz herzlich möchte ich mich an dieser Stelle für die Anregungen von Studierenden, die das Buch für die Nachbearbeitung von Vorlesungen und zur Prüfungsvorbereitung nutzten, bedanken. Mein herzlicher Dank gilt auch meinen Kollegen aus anderen Hochschulen, die das Buch ebenfalls für ihre Veranstaltungen verwenden und mir wichtige Hinweise und Anregungen übermittelten. Für die zahlreichen textlichen Hinweise und die inhaltlichen Verbesserungsvorschläge zur 2. Auflage möchte ich meinem Kollegen Herrn Prof. Dr. Christian Vogt recht herzlich danken. Dem Verlag, insbesondere Frau Sybille Thelen, danke ich für die Unterstützung bei den ersten beiden Auflagen und für die allzeit problemlose Zusammenarbeit. Bei Frau Maren Mithöfer möchte ich mich ebenfalls ganz herzlich für die konstruktive Zusammenarbeit und für die wertvolle Unterstützung bei der 3. Auflage bedanken. Fragen und Korrekturvorschläge richten Sie bitte an mandl@cs.hm.edu. Ich freue mich auf weitere Vorschläge, die sich aus der Nutzung des Buches ergeben. Für begleitende Informationen zur Vorlesung siehe München, im Juni 2012 Peter Mandl VII

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Computersysteme Einführung Aufgabe von Betriebssystemen Grundlegende Hardwaremodelle CPU-Registersatz Multicore-Prozessoren und Hyperthreading-CPUs Einfaches Modell der Hardware für die weitere Betrachtung Beispiele für Mikroprozessor-Architekturen Entwicklung von Betriebssystemen Betriebssystemkategorien Universalbetriebssysteme Historische Entwicklung Geschichte von Microsoft Windows Geschichte von Unix Geschichte von Linux Übungsaufgaben Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Zugriffsschutz in Betriebssystemen Betriebssystemarchitekturen Klassische Architekturen Mikrokern-Architektur Architekturbeispiele Klassische Großrechnerbetriebsarten Multiprogramming, Multiprocessing und Multitasking Batchvearbeitung und interaktive Verarbeitung Teilnehmerbetrieb Teilhaberbetrieb Terminalserver-Betrieb Verteilte Verarbeitung Echt verteilte Betriebssysteme Client-/Server-Systeme IX

9 Inhaltsverzeichnis Peer-to-Peer-Systeme Kommunikations-Middleware Application-Server-Betrieb Virtualisierung von Betriebs- und Laufzeitsystemen Cloud Computing Übungsaufgaben Interruptverarbeitung Interrupts Überblick Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren Interrupt-Bearbeitung unter Windows Interruptverarbeitung unter Linux Systemaufrufe Systemaufrufe aus Sicht eines Anwendungsprogrammierers Software-Interrupts unter Linux Software-Interrupts unter Windows Übungsaufgaben Prozesse und Threads Prozesse Prozessmodell Prozessverwaltung Prozesslebenszyklus Threads Threadmodell Implementierung von Threads Vor-/Nachteile und Einsatzgebiete von Threads Programmierkonzepte für Threads Threads in Java Threads in C# Prozesse und Threads in konkreten Betriebssystemen Prozesse und Threads unter Windows Prozesse und Threads unter Unix und Linux Übungsaufgaben X

10 Inhaltsverzeichnis 5 CPU-Scheduling Scheduling-Kriterien Scheduling-Verfahren Verdrängende und nicht verdrängende Verfahren Überblick über Scheduling-Verfahren Multi-Level-Scheduling mit Prioritäten Round-Robin-Scheduling mit Prioritäten Vergleich ausgewählter Scheduling-Verfahren CPU-Scheduling im ursprünglichen Unix CPU-Scheduling unter Linux CPU-Scheduling unter Windows Scheduling von Threads in Java Zusammenfassung Übungsaufgaben Synchronisation und Kommunikation Grundlegendes zur Synchronisation Nebenläufigkeit, atomare Aktionen und Race Conditions Kritische Abschnitte und wechselseitiger Ausschluss Eigenschaften nebenläufiger Programme Synchronisationskonzepte Sperren Semaphore Monitore Synchronisationstechniken moderner Betriebssysteme Synchronisationsmechanismen in Programmiersprachen Die Java-Synchronisationsprimitive synchronized Warten auf Bedingungen in Java Weitere Synchronisationsmechanismen in Java C#-Monitore Die C#-Synchronisationsprimitive lock C#-Mutex-Objekte C#-Lese- und Schreibsperren C#-Interlocked-Klasse Warten auf Bedingungen in C# XI

11 Inhaltsverzeichnis 6.5 Kommunikation von Prozessen und Threads Überblick über Kommunikationsmöglichkeiten Verbindungsorientierte versus verbindungslose Kommunikation Speicherbasierte versus nachrichtenbasierte Kommunikation Synchrone versus asynchrone Kommunikation Kommunikationskanäle im Halb- und Vollduplex-Betrieb Varianten der Empfängeradressierung Fallbeispiel: Rechnerinterne Kommunikation über Pipes Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation Übungsaufgaben Hauptspeicherverwaltung Grundlegende Betrachtungen Speicherhierarchien Lokalität Adressen und Adressräume Techniken der Speicherverwaltung Virtueller Speicher Grundbegriffe und Funktionsweise Optimierung der Speicherverwaltung Seitenersetzung und Verdrängung (Replacement) Vergleich von Seitenersetzungsverfahren Speicherbelegungs- und Vergabestrategien (Placement) Entladestrategie (Cleaning) Eine weitere Technik: Segmentadressierung Shared Memory Speicherverwaltung in ausgewählten Systemen Linux-Speicherverwaltung Windows-Speicherverwaltung Android-Speicherverwaltung Übungsaufgaben Geräte- und Dateiverwaltung Aufgaben und Überblick Grundlegendes Gerätearten XII

12 Inhaltsverzeichnis Geräteanbindung unter Unix Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA Dateiverwaltung Allgemeines Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix Fallbeispiel: Dateisysteme unter Linux Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows Storage-Systeme RAID-Plattensysteme NAS und SAN Übungsaufgaben Betriebssystemvirtualisierung Grundbegriffe und Einsatzgebiete Virtualisierungsterminologie Einsatz der Virtualisierungstechnik Vor- und Nachteile der Virtualisierung Virtualisierbarkeit der Hardware Hardware-Voraussetzungen Virtualisierung bei x86-prozessoren Virtualisierungstechniken in Prozessoren Varianten der Virtualisierung Typ-1-Hypervisor Typ-2-Hypervisor Paravirtualisierung Weitere Virtualisierungsansätze Betriebsmittelverwaltung bei Virtualisierung Interruptverarbeitung und Gerätesteuerung CPU-Scheduling Speicherverwaltung Zusammenfassung Übungsaufgaben Schlussbemerkung XIII

13 Inhaltsverzeichnis 11 Lösungen zu den Übungsaufgaben Einführung Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung Prozesse und Threads CPU-Scheduling Synchronisation und Kommunikation Hauptspeicherverwaltung Geräte- und Dateiverwaltung Betriebssystemvirtualisierung Anhang A1 Zahlennamen A2 Metrische Grundeinheiten A3 Wichtige Datenstrukturen für Betriebssysteme A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems A5 C#-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems A6 C#-Implementierung des Zählerproblems mit Monitoren Literaturhinweise Sachwortverzeichnis XIV

14 1 Einführung Dieses Kapitel geht auf die grundlegenden Aufgaben von Betriebssystemen ein. Das Kapitel beginnt mit einer Einführung in den Aufbau eines Computersystems, das aus Software und Hardware besteht. Ausgehend von der Von-Neumann- Maschine als Basis unserer heutigen Rechnersysteme wird ein einfaches Hardwaremodell für unsere weitere Betrachtung eingeführt. Weiterhin wird ein kurzer Abriss der Geschichte der Betriebssystementwicklung vor allem am Beispiel von Windows und Unix gegeben. Betriebssysteme stellen gewissermaßen Betriebsmittelverwalter dar, welche die Anwendungen mit den verfügbaren Betriebsmitteln wie Speicher und Prozessorzeit sowie Geräte und Dateien versorgen. Darauf wird in diesem Kapitel ebenfalls eingegangen. Zielsetzung des Kapitels Der Studierende soll die grundlegenden Aufgaben von Betriebssystemen verstehen und erläutern können. Weiterhin soll die historische Entwicklung von Betriebssystemen nachvollzogen werden können. Wichtige Begriffe Von-Neumann-Maschine, Prozessor, Mehrkernprozessor, CPU-Register, Betriebsmittel, Programmzähler, PSW, Universalbetriebssystem, Mehrzweckbetriebssystem. 1.1 Computersysteme In diesem Abschnitt soll zunächst ein Überblick über die Aufgaben von Computersystemen gegeben werden, so weit sie für das Verständnis von Betriebssystemen von Belang sind. Wichtig sind vor allem die grundlegenden Zusammenhänge der Rechnerhardware. Wir werden später noch auf einige Aspekte der Hardware im Zusammenhang mit der Speicherverwaltung und der Interrupt-Verarbeitung eingehen, jedoch auch dort auf einem relativ abstrakten Level. 1 1 Wer sich für Hardware und Rechnerarchitekturen interessiert, dem seien (Herrmann 2002) und (Brinkschulte 2010) wärmstens empfohlen. P. Mandl, Grundkurs Betriebssysteme, DOI / _1, Springer Fachmedien Wiesbaden

15 1 Einführung Einführung Computersysteme (Synonym: Rechnersysteme) bestehen etwas vereinfacht dargestellt aus Hardware, System- und Anwendungssoftware. Unter Systemsoftware versteht man zum einen das Betriebssystem (Operating System) und zum anderen systemnahe Software wie Compiler, Interpreter, Editoren usw. Anwendungssoftware wie Bankanwendungen, Buchhaltungssysteme, Browser usw. nutzen die Systemsoftware für einen ordnungsgemäßen Ablauf. In Abbildung 1-1 wird die grobe Zusammensetzung eines Computersystems skizziert. Anwendungssoftware (Browser, Bankanwendung, Buchhaltungsanwendung, ) Systemnahe Software (Datenbanken, Compiler, Interpreter, ) Betriebssystem Maschinensprache Systemsoftware Mikroarchitektur Firmware und Hardware Physikalische Geräte Abbildung 1-1: Hard- und Software eines Computersystems Aus der Abbildung wird auch deutlich, dass man zur Hardware neben den physikalischen Geräten auch die sog. Mikroarchitektur einschließlich der Mikroprogramme zählt, wobei es hier keine Rolle spielt, ob letztere software- oder hardwaretechnisch realisiert sind. Weiterhin wird die Maschinensprache der Hardware zugeordnet. Jedes Computersystem hat seine eigene Maschinensprache, die aus Maschinenbefehlen besteht. Die Menge der Maschinenbefehle eines Rechnersystems wird als Befehlssatz bezeichnet. Jeder Befehl ist durch ein Mikroprogramm realisiert. Mikroprogramme werden oft auch als Firmware bezeichnet. Man unterscheidet Testbefehle, Sprungbefehle (BRANCH), Transportbefehle (MOV), arithmetische (ADD) und logische Befehle (CMP, SHIFT) usw. Die Bezeichnungen für die Befehle werden vom Hardware-Architekten des Rechnersystems festgelegt und daher hier nur beispielhaft aufgeführt. 2