Moderne Betriebssysteme

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1 Andrew S. Tanenbaum 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Moderne Betriebssysteme 2., verbesserte Auflage Die deutsche Ausgabe besorgten Ralph Radermacher und Uwe Baumgarten Carl Hanser Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis I Traditionelle Betriebssysteme 1 1 Einführung Was ist ein Betriebssystem? Das Betriebssystem als eine erweiterte Maschine Das Betriebssystem als Betriebsmittelverwalter Geschichte der Betriebssysteme Die erste Generation Die zweite Generation Die dritte Generation Die vierte Generation Betriebssystem-Konzepte Prozesse Dateien Systemaufrufe :4 Die Shell Betriebssystemstrukturen Monolithische Systeme Geschichtete Systeme Virtuelle Maschinen Client-Server-Modell Übersicht über den Rest dieses Buches Zusammenfassung 33 2 Prozesse Einführung Das Prozeßmodell Implementierung der Prozesse Prozeßkommunikation Zeitkritische Abläufe Kritische Bereiche Wechselseitiger Ausschlußmit aktivem Warten Schlafen und Aufwecken 50

3 XII Inhaltsverzeichnis Semaphore Ereigniszähler Monitore Nachrichtenaustausch Die Äquivalenz der Primitive Klassische Prozeßkommunikationsprobleme Das Philosophenproblem Das Leser-Schreiber-Problem Das Problem des schlafenden Friseurs Prozeß-Scheduling Round-Robin-Scheduling Prioritäts-Scheduling Mehrere Schlangen Shortest-Job-First Garantierendes Scheduling Strategie und Mechanismus Zweistufiges Scheduling Zusammenfassung 88 Speicherverwaltung Speicherverwaltung ohne Swapping und Paging Einprogrammbetrieb ohne Swapping und Paging Mehrprogrammbetrieb und Speicherbenutzung Mehrprogrammbetrieb mit fixierten Partitionen Swapping Mehrprogrammbetrieb mit variablen Partitionen Speicherverwaltung mit Bitmaps Speicherverwaltung mit verknüpften Listen Speicherverwaltung mit dem Buddy-System Allokation des Swap-Bereichs Analyse der Swapping-Systeme Virtueller Speicher Paging Seitentabellen Beispiele der Paging-Hardware Assoziativspeicher Seitenersetzungsalgorithmen Der optimale Seitenersetzungsalgorithmus Der Seitenersetzungsalgorithmus Not-Recently-Used Der Seitenersetzungsalgorithmus First-In, First-Out Der Seitenersetzungsalgorithmus Second-Chance 136

4 Inhaltsverzeichnis XIII Der Uhr-Seitenersetzungsalgorithmus Der Seitenersetzungsalgorithmus Least-Recently-Used Die Simulation von LRU durch Software Modellieren von Paging-Algorithmen Belady's Anomalie Stack-Algorithmen Die Distanzzeichenkette Annahmen über Seitenfehlerraten Designprobleme bei Paging-Systemen Das Arbeitsbereich-Modell Lokale gegen globale Allokationstrategien Seitengröße Implementierungsprobleme Segmentierung Implementierung von reiner Segmentierung Segmentierung mit Seitenersetzung: MULTICS Segmentierung mit Paging: Der Intel Zusammenfassung 172 Dateisysteme Dateien Benennung von Dateien Dateistruktur L3 Dateitypen Dateizugriff Dateiattribute Dateioperationen Speicherabgebildete Dateien Verzeichnisse Hierarchische Verzeichnissysteme Pfadnamen Verzeichnisoperationen Dateisystemimplementierung Die Implementierung von Dateien Implementierung von Verzeichnissen Gemeinsam benutzte Dateien Plattenplatzmanagement Die Zuverlässigkeit des Dateisystems Dateisystemperformance Sicherheit Die Sicherheitsumgebung 222

5 XIV Inhaltsverzeichnis Berühmte Sicherheitsmängel Der Internet-Wurm Generische Sicherheitsattacken Entwurfsprinzipien für die Sicherheit Benutzerauthentifikation Schutzmechanismen Schutzdomänen Zugriffskontrollisten Capabilities Schutzmodelle Verdeckte Kanäle Zusammenfassung 248 Input/Output Eigenschaften der I/O-Hardware I/O-Geräte Steuerwerke Direkter Speicherzugriff Eigenschaften der I/O-Software Ziele der I/O-Software Unterbrechungsbehandlung Gerätetreiber Geräte-unabhängige Software Benutzer-I/O-Software Festplatten Festplatten-Hardware Plattenarm-Scheduling-Algorithmen Fehlerbehandlung Spur-Caching RAM-Platten Uhren Uhr-Hardware Uhr-Software Terminals Terminal-Hardware Speicher-basierte Terminals Input-Software Output-Software Zusammenfassung 290 Deadlocks Betriebsmittel 296

6 Inhaltsverzeichnis XV 6.2 Deadlocks Bedingungen für Deadlocks Modellierung von Deadlocks Der Vogel-Strauß-Algorithmus Deadlock-Erkennung und -Behebung Deadlock-Erkennung mit einem Betriebsmittel jeder Klasse Deadlock-Erkennung mit mehreren Betriebsmitteln in jeder Klasse Deadlock-Behebung Deadlock-Verhinderung Betriebsmittelflugbahnen Sichere und unsichere Zustände Der Bankieralgorithmus für eine Betriebsmittelklasse Der Bankieralgorithmus für mehrere Betriebsmittelklassen Deadlock-Vermeidung Die Bedingung des wechselseitigen Ausschlusses Die Belegungs- und Wartebedingung Die Ununterbrechbarkeitsbedingung Die zyklische Wartebedingung Verwandte Fragestellungen Zwei-Phasen-Sperren Nicht-Betriebsmittel-Deadlocks Verhungern Zusammenfassung 321 Fallbeispiel 1: UNIX Geschichte von UNIX UNICS PDP-11 UNIX Portables UNIX Berkeley UNIX Standard UNIX Überblick über UNIX Ziele von UNIX Schnittstellen zu UNIX Zugang zu UNIX Die UNIX Shell Dateien und Verzeichnisse in UNIX UNIX Hilfsprogramme Grundlegende Konzepte in UNIX Prozesse in UNIX Das Speichermodell von UNIX 349

7 XVI Inhaltsverzeichnis Das UNIX Dateisystem Ein-/Ausgabe in UNIX UNIX Systemaufrufe Systemaufrufe zur Prozeßverwaltung in UNIX Systemaufrufe für die Speicherverwaltung in UNIX Systemaufrufe für Dateien und Verzeichnisse in UNIX Systemaufrufe zur Ein-/Ausgabe in UNIX Implementierung von UNIX Implementierung der Prozesse in UNIX Implementierung der Speicherverwaltung in UNIX Implementierung des Dateisystems in UNIX Implementierung der Ein-/Ausgabe in UNIX Zusammenfassung Fallbeispiel 2: MS-DOS Geschichte von MS-DOS Der IBM PC MS-DOS Version MS-DOS Version MS-DOS Version MS-DOS Version MS-DOS Version Überblick über MS-DOS Einsatz von MS-DOS Die MS-DOS-Shell Konfigurieren von MS-DOS Grundlegende Konzepte in MS-DOS Prozesse in MS-DOS Das Speichermodell von MS-DOS Das MS-DOS Dateisystem Eingabe/Ausgabe in MS-DOS MS-DOS Systemaufrufe Prozeßverwaltende Systemaufrufe in MS-DOS Speicherverwaltende Systemaufrufe in MS-DOS Systemaufrufe für Dateien und Verzeichnisse in MS-DOS Systemaufrufe für die Eingabe/Ausgabe in MS-DOS Die Implementierung von MS-DOS Die Implementierung von Prozessen in MS-DOS Die Implementierung der Speicherverwaltung in MS-DOS Die Implementierung des MS-DOS Dateisystems Die Implementierung der Ein-/Ausgabe in MS-DOS Zusammenfassung 440 L

8 Inhaltsverzeichnis XVII II Verteilte Betriebssysteme Einführung in verteilte Systeme Ziele Vorteile verteilter Systeme gegenüber zentralen Systemen Vorteile verteilter Systeme gegenüber Personalcomputern Nachteile verteilter Systeme Hardware-Konzepte Bus-basierte Multiprozessorsysteme Schalter-basierte Multiprozessorsysteme Bus-basierte Multicomputersysteme Schalter-basierte Multicomputersysteme Software-Konzepte Netzwerkbetriebssysteme und NFS Echte verteilte Systeme Mehrprozessor-Timesharing-Systeme Entwurfsentscheidungen Transparenz Flexibilität Zuverlässigkeit Leistung Skalierbarkeit Zusammenfassung Kommunikation in verteilten Systemen Schichtenprotokolle Die physikalische Schicht Die Verbindungsschicht Die Netzwerkschicht Die Transportschicht Die Sitzungsschicht Die Präsentationsschicht Die Anwendungsschicht Das Client-Server-Modell Clients und Server Ein Client- und Server-Beispiel Die Adressierung Blockierende und nicht blockierende Primitive Puffernde und nicht puffernde Primitive Zuverlässige und unzuverlässige Primitive Implementierung des Client-Server-Modells Entfernter Unterprogrammaufrufmechanismus 511

9 XVIII Inhaltsverzeichnis Ein entfernter Unterprogrammaufruf Parameterübergabe Dynamisches Binden Die RPC-Semantik beim Auftreten von Fehlern Implementationsaspekte Gruppenkommunikation Einführung in die Gruppenkommunikation Entwurfsentscheidungen Gruppenkommunikation in ISIS Zusammenfassung Synchronisation in verteilten Systemen Uhrensynchronisation Logische Uhren Physikalische Uhren Algorithmen zur Uhrensynchronisation Wechselseitiger Ausschluß Ein zentraler Algorithmus Ein verteilter Algorithmus Ein Token-Ring Algorithmus Ein Vergleich der drei Algorithmen Wahlalgorithmen Der Bully-Algorithmus Ein Ringalgorithmus Atomare Transaktionen Einführung in atomare Transaktionen Das Transaktionsmodell Implementierung Nebenläufigkeitskontrolle Deadlocks in verteilten Systemen Verteilte Deadlock-Erkennung Verteilte Deadlock-Vermeidung Zusammenfassung Prozesse und Prozessoren in verteilten Systemen Threads Einführung in die Threads Benutzung von Threads Entwurfskriterien für Thread-Pakete Implementierung eines Thread-Pakets Threads und entfernte Unterprogrammaufrufe Ein Beispiel Thread-Paket 632 L

10 Inhaltsverzeichnis XIX 12.2 Systemmodelle Das Workstation-Modell Benutzung ungenutzter Workstations Ein Mischmodell Prozessorzuteilung Zuteilungsmodelle Entwurfskriterien für Prozessorzuteilungsalgorithmen Implementierung von Prozessorzuteilungsalgorithmen Beispiele für Prozessorzuteilungsalgorithmen Scheduling in verteilten Systemen Zusammenfassung Verteilte Dateisysteme Entwurf verteilter Dateisysteme Die Schnittstelle des Dateidienstes Die Schnittstelle des Verzeichnisservers Semantiken der gemeinsamen Nutzung von Dateien Implementierung verteilter Dateisysteme Dateinutzung Systemstruktur Caching Replikation Ein Beispiel: Das Andrew Dateisystem Gelernte Lektionen Trends im Bereich der verteilten Dateisysteme Neue Hardware Skalierbarkeit Weitbereichsnetze Mobile Benutzer Fehlertoleranz Zusammenfassung Fallbeispiel 3: Amoeba Einführung in Amoeba Geschichte von Amoeba Forschungsziele Die Systemarchitektur von Amoeba Der Amoeba-Mikrokern Die Amoeba-Server Objekte und Capabilities in Amoeba Capabilities Schutz von Objekten 725

11 XX Inhaltsverzeichnis Standardoperationen Prozeßverwaltung in Amoeba Prozesse Threads Speicherverwaltung in Amoeba Segmente Eingeblendete Segmente Kommunikation in Amoeba Entfernter Unterprogrammaufruf Gruppenkommunikation in Amoeba Das Fast-Local-Internet-Protokoll Die Amoeba-Server Der Bullet-Server Der Verzeichnis-Server Der Replikations-Server Der Rechen-Server Der Boot-Server Der TCP/IP-Server Weitere Server Zusammenfassung Fallbeispiel 4: Mach Einführung in Mach Historische Entwicklung von Mach Ziele von Mach Der Mach-Mikrokern Der Mach-BSD-UNIX-Server Prozessverwaltung in Mach Prozesse Threads Scheduling Speicherverwaltung in Mach Virtueller Speicher Gemeinsam benutzter Speicher Externe Speicherverwalter Verteilter gemeinsamer Speicher in Mach Kommunikation in Mach Ports Senden und Empfangen von Nachrichten Der Netzwerknachrichtenserver BSD-UNIX-Emulation in Mach 816

12 Inhaltsverzeichnis XXI 15.6 Vergleich von Amoeba und Mach Philosophie Objekte Prozesse Speichermodell Kommunikation Server Zusammenfassung 824 Literaturempfehlungen und Bibliographie 829 A.l Empfehlungen für weitere Studien 829 A.l.l Einführungen und allgemeine Arbeiten 829 A.l.2 Prozesse 830 A.l.3 Speicherverwaltung 831 A.l.4 Dateisysteme 831 A.1.5 Input/Output 832 A.l.6 Deadlocks 832 A.1.7 MS-DOS 833 A.l.8 Einführung in verteilte Systeme 834 A.l.9 Kommunikation in verteilten Systemen 835 A.l. 10 Synchronisation in verteilten Systemen 836 A.l. 11 Prozesse und Prozessoren in verteilten Systemen 836 A.l.12 Verteilte Dateisysteme 837 A.l.13 Amoeba 837 A.1.14 Mach 838 A.2 Alphabetische Bibliographie 839 B Einführung in C 855 B.l Grundlagen in C 855 B.2 Einfache Datentypen 856 B.3 Zusammengesetzte Datentypen 857 B.4 Anweisungen 859 B.5 Ausdrücke 862 B.6 Programmstruktur 864 B.7 Der C-Präprozessor 865 B.8 Idiome 865