Lösungsvorschlag zur 10. Übung

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1 Prof. Frederik Armknecht Sascha Müller Daniel Mäurer Grundlagen der Informatik 3 Wintersemester 09/10 Lösungsvorschlag zur 10. Übung 1 Präsenzübungen 1.1 Wissensfragen Versuchen Sie diese Aufgabe erst ohne Nachschauen in den Folien zu lösen. Diskutieren Sie die Antworten in der Gruppe. Das präzise Beantworten von Wissensfragen wird auch in der Klausur gefordert sein! a) Versuchen Sie den Begriff Betriebssystem möglichst kurz und prägnant zu definieren. Was sind die grundlegenden Aufgaben eines Betriebssystems? siehe Folien+Literatur b) Was sind Interrupts? Erklären Sie den Begriff mit einem Beispiel. siehe Folien+Literatur c) Welche Typen von Unterbrechungen gibt es außer Interrupts und wann treten Sie auf? Sind Sie synchron oder asynchron? Welche unterbrechungen führen zum Programmabbruch? Interrupts, Faults, Traps siehe Folien+Literatur d) Benennen und beschreiben Sie kurz in einem Satz die drei wesentlichen Prozesszustände. (Klausuraufgabe SS 03) laufend(running): Prozess rechnet lauffähig(ready): Prozess is rechenwillig und könnte weiterrechnen, ist aber vorübergehend unterbrochen für einen anderen Prozess blockiert(blocked): Prozess wartet und ist ohne externes Ereignis nicht lauffähig, kann also nicht weiterrechnen e) Nenne Sie vier verschiedene Möglichkeiten zum Scheduling von Prozessen. Erklären Sie jeweils kurz die Funktionsweise sowie vor und Nachteile. (Klausuraufgabe SS 03) Prioritätsgesteuertes Scheduling: jeder Prozess bekommt Priorität; wichtigste Prozesse zuerst bearbeitet. First-Come, First-Serve (FCFS): ready queue als FIFO-Liste verwaltet; lange Prozesse können alles aufhalten. Shortest Job First (SJF): kürzester Befehl zuerst; lange Prozesse u.u. nicht ausgeführt. Round-Robin Scheduling (RR): nach kleinem Zeitquantum wird der nächste Prozess bedient; Overhead durch Kontextwechsel. f) Bei welchen Schedulingverfahren können Prozesse verhungern? Shortest Job First Statische Prioritätenvergabe Ob bei dynamischer Prioritätenverabe Prozesse verhungern, hängt natürlich davon ab, nach welchen Kriterien Prioritäten neu vergeben werden 1

2 1.2 Schnelltest a) Welche der folgenden Resourcen werden nicht von den Threads eines Prozesses geteilt? Textsegment Datensegment Heap Stack Adressraum CPU Program Counter $s0... $s7 (bei MIPS) b) Welche Behauptungen über Interrupts und Syscalls sind zutreffend? Externe Interrupts treten immer asynchron auf. Ein Interrupt kann durch einen weiteren Interrupt unterbrochen werden. Interrupts können vorübergehend deaktiviert werden (Maskierung). Systemaufrufe stellen eine Schnittstelle zwischen Prozessen und dem Betriebssystem dar. Ein Systemaufruf wie open() ist ein unterbrechender Systemaufruf. Syscalls können durch Interrupts nicht unterbrochen werden. c) Welche Aussagen zu Dateisystemen sind richtig? Dateisysteme dienen der Strukturierung des physischen Speichers. Die Verzeichnisstruktur eines typischen Dateisystems lässt sich durch einen Baum repräsentieren. Das Betriebssystem interpretiert Dateien je nach Dateiendung unterschiedlich. Das Betriebssystem kann auf mehrere Partitionen ein- und desselben Festspeichers zugreifen. d) Was ist der Clock Algorithmus? Ein Algorithmus zur Verhinderung von FIFO-Anomalien bei FIFO-Strategie. Ein Algorithmus zur direkten Reduktion der Effective Access Time. Ein Algorithmus zur Steuerung des Seiten-Pre-Fetching. Implementierung des Second Chance Algorithmus. e) Welche Seite wird bei der LRU-Strategie ausgelagert? Die Seite, die am längsten nicht mehr gelesen wurde. Die Seite, die am längsten nicht mehr geschrieben wurde. Die Seite, die in der Zukunft am längsten nicht genutzt werden wird. Die Seite, die am längsten nicht genutzt wurde. 2

3 f) Welche Aussagen über Seitenersetzungsstrategien sind richtig? FIFO-Anomalien lassen sich verhindern, indem man den die Anzahl der physischen Seiten als große Primzahl (> 2 16 ) wählt. Der 2-Hand-Clock-Algorithmus verwendet ein r-bit, um festzustellen, auf welche Seite zuletzt zugegriffen wurde. LRU ist eine optimale Seitenersetzungsstrategie. LRU ist sehr aufwändig und wird daher meist nur approximiert. 1.3 Seitenersetzungsstrategien Auf einen virtuellen Speicher mit 4 physischen Seiten findet eine Folge von Zugriffen auf virtuelle Adressen statt. Im Folgenden steht jeder Buchstabe für eine virtuelle Adresse, wobei verschiedene Buchstaben für Adressen in verschiedenen virtuellen Seiten stehen. w, r, s, t, r, u, v, t, r, u, q Geben Sie in den folgenden Tabellen für jeden Zugriff, der ein Miss ist, an, in welche physische Seite die virtuelle Seite eingelagert wird. Sind mehrere physische Seiten frei, verwenden Sie die erste freie Seite. a) Ersetzung mit Clock-Strategie: Adresse w r s t r u v t r u q phys. Seite b) Echte LRU-Strategie: Adresse w r s t r u v t r u q phys. Seite In diesem Fall ist die 2-Hand-Clock-Strategie ebenso effektiv wie echtes LRU. c) Ersetzung mit FIFO-Strategie: Adresse w r s t r u v t r u q phys. Seite i-nodes Ein i-node enthält die Adressen der ersten 12 Disk Blocks. Weiterhin besitzt der i-node einen Single Indirect Block, der auf einen Block mit weiteren Disk-Adressen verweist. Schließlich existieren noch Double und Triple Indirect Blocks. a) Unter der Annahme, ein Disk Block sei 1 KByte groß, was ist die maximale Größe einer Datei, wenn nur die direkt im i-node gespeicherten Block-Adressen verwendet werden? Mit Single Indirect Blocks? Double / Triple Indirect? Eine Disk-Adresse sei 4 Byte groß. 3

4 Bei 1 KByte großen Disk-Blöcken können die Block-Adressen für Dateien bis zu 12 KByte Größe direkt im i-node gespeichert werden. Ein Disk-Block kann die Adressen von 1 KByte / 4 Bytes = 256 Blöcken enthalten. D.h. bei Single Indirect bis zu = 268 KByte. Bei Double Indirect kommen noch Blöcke hinzu, die ausreichen, um 2 16 Blöcke zu je 1 KByte zu verwalten (64 MByte). Insgesamt also KByte = KByte. Bei Triple Indirect zusätzlich = 2 24 Blöcke zu je 1 KByte, also 16 GByte. Insgesamt 16 GByte + 64 MByte + 12 KByte. b) Wie viele Disk-Zugriffe sind mindestens nötig zum öffnen der Datei /usr/gdi3/ws09/klausur/klausur.tex? Unter welchen Annahmen ist die Anzahl der Zugriffe minimal? Der i-node des root- Verzeichnisses befindet sich immer im Speicher. Jeder i-node besitzt eine Größe von 128 Byte. Annahme: jeder Verzeichniseintrag nur 1 Block groß. Im root-verzeichnis finden wir die Nummer des i-node für das Verzeichnis usr. Wir lesen den i-node (1. Zugriff) und den Verzeichniseintrag (2. Zugriff) und finden damit den i-node für das Verzeichnis gdi3. Analog für die Verzeichnisse gdi3 (3. u. 4. Zugriff), das Verzeichnis ws09 (5. u. 6. Zugriff) und das Verzeichnis Klausur (7. u. 8. Zugriff). Schließlich finden wir im Verzeichniseintrag für Klausur den Verweis auf den i-node der Datei klausur.tex und können diese öffnen (9. u. 10. Zugriff). Falls zufällig zwei (oder mehr) i-nodes im selben Block liegen (in einen Block passen 8 i-nodes), verringert sich diese Zahl entpsrechend. 4

5 2 Hausübungen Wichtiger Hinweis: Schicken Sie Ihre Lösungen von Programmieraufgaben zusätzlich zur schriftlichen Abgabe per an Ihren Tutor. Kommentieren Sie Ihren Quellcode grundsätzlich. Fehlende oder unsinnige Kommentare führen zu Punktabzug. 2.1 FAT Dateisystem Gegeben sei ein Speichermedium mit 250 GByte und einem FAT-32 Dateisystem (32 Bit Disk-Adresse), die Blockgröße beträgt 4 Byte. Für die ersten beiden Teilaufgaben betrachten wir nur die ersten 20 Blöcke. Die Blöcke sind folgendermaßen belegt (Zeile 1: 0-9; Zeile 2: 10-19): I3!_ LieB XYZW XYZW STIN UCH? du_a XYZW XYZW XYZW e_gd XYZW IPS? ich_ XYZW KT_M XYZW XYZW XYZW Der erste Block darf nicht für reguläre Dateien verwendet werden! Das Stammverzeichnis enthält nur zwei Einträge: readme.txt: 14 nonsense.txt: 5 Die zugehörige FAT sieht folgendermaßen aus: {-1, 7, 11, -1, -1, 16, 20, 6,-1, -1, -1, 1, -1, 20, 2, -1, 13, -1, -1, -1} Einträge mit -1 bezeichnen unbenutzte Plattenblöcke, und ein Eintrag 20 markiert das Ende einer Datei. a) Geben Sie den Inhalt der Datei readme.txt an. 1 Punkt Die Datei enthält den folgenden String: ich_liebe_gdi3!_du_auch? b) Lesen Sie den Inhalt der Datei Nonsense.txt. Erweitern Sie die Datei um mindestens zwei Blöcke indem Sie eine Antwort schreiben. Wie ändern sich die Einträge in der FAT und in den Blöcken? 1,5 Punkte Die grundlegenden beiden Schritte bestehen darin, einen freien Block zu finden und in die verkettete Liste, die der Datei zugeordnet ist, einzuordnen, indem man die FAT entsprechend ändert. Eine Möglichkeit: {-1, 7, 11, 4, 20, 17, 20, 6,-1, -1, -1, 1, -1, 3, 2, -1, 13, -1, -1, -1} 0000 I3!_ LieB _EH_ NET! STIN UCH? du_a XYZW XYZW XYZW e_gd XYZW IPS? ich_ XYZW KT_M XYZW XYZW XYZW STINKT_MIPS? STINKT_MIPS?_EH_NET! c) Wie groß ist die FAT für die gesamte Platte? Gemeint sind alle Blöcke, nicht nur die ersten 20! 1,5 Punkte Wir benötigen bei 4 Byte Blockgröße B/4B = Disk-Adressen. Wenn eine Disk-Adresse 32 Bit benötigt, ergibt sich eine FAT von Byte, also 250 GByte! 5

6 d) Die Lösung von Teilaufgabe c) ist unrealistisch. Welche oben getroffene Annahme muss man ändern, um die FAT auf eine sinnvolle Größe zu bringen? 1 Punkt 4 Byte Blockgröße ist viel zu klein! 2.2 fork() Schreiben Sie ein kurzes C-Program für Unix, das mit fork() (#include <unistd.h>) aus einem Prozess insgesamt drei neue Prozesse erzeugt. Jeder Prozess darf dabei nur einen neuen Klon erzeugen. Lassen Sie sich nach einem Fork die IDs der beiden Prozesse anzeigen. Markieren Sie dabei den Vaterprozess. Die ProzessID des aktuellen Prozesses erhalten Sie mit getpid() (auch unistd.h). Aus Ihrer Darstellung soll folgen, welcher Prozess aus welchem anderen hervorgegangen ist. Falls Sie kein Linux laufen haben können Sie Ihre Lösung auf den Poolrechnern testen. Beispielausgabe: Startprozess: V > V > V > # include <stdio.h> 2 # include < unistd.h> 3 4 int main (){ 5 dooo (0); 6 } 7 8 int dooo ( int loop ) 9 { 10 if ( loop ==3) return 0; 11 printf ("\n*%d -> ", getpid ()); 12 fflush ( stdout ); 13 int id= fork (); 14 if ( id == 0) 15 { printf ("%d", getpid ()); 16 dooo ( loop +1); 17 exit (0); 18 } 19 return 0; 20 } 5 Punkte 6