Betriebssysteme KU - Einführungstutorium

Transkript

1 Betriebssysteme KU - Einführungstutorium SWEB-Tutoren irc://irc.at.euirc.net/bs 12. Oktober 2011

2 1 LV-Übersicht 2 Versionskontrolle Zentrale Versionskontrolle Dezentrale Versionskontrolle Git - Best practice 3 Betriebssystem-Grundlagen 4 SWEB Kernel Threading Userspace Hacking Examples

3 1 LV-Übersicht 2 Versionskontrolle Zentrale Versionskontrolle Dezentrale Versionskontrolle Git - Best practice 3 Betriebssystem-Grundlagen 4 SWEB Kernel Threading Userspace Hacking Examples

4 Roadmap Introduction Tutorial Assignment 1 You Are Here Design Presentations Submission Review Submission Deadline

5 Teamwork Arbeitsaufteilung? Zeiteinteilung? Codeeinteilung? Kommunikation!

6 Kommunikation Kommunikation mit dem Team Gruppentreffen Chat Teamspeak Kommunikation mit anderen Newsgroup: tu-graz.lv.bs.sweb Helpline: IRC- Channel: irc://irc.at.euirc.net/bs

7 Source Code Management Zentrales Git Repository für die Gruppe Branches Stabiler master-branch Separate Entwicklunszweige z.b. pthreads, fork, clock, etc. Temporäre Branches (Noch) Nicht funktionierender Code z.b. t/fork_pthread_integration

8 1 LV-Übersicht 2 Versionskontrolle Zentrale Versionskontrolle Dezentrale Versionskontrolle Git - Best practice 3 Betriebssystem-Grundlagen 4 SWEB Kernel Threading Userspace Hacking Examples

9 Zentrale Versionskontrolle (svn) Alle User arbeiten mit einem Repository Lokal befindet sich nur das derzeitige working set Offline arbeiten (commits, logs,...) nicht/schwer möglich Patch Verteilung problematisch (Bugfixes von uns)

10 Zentrale Versionskontrolle (svn) cont d Branching teuer (bzw. Zurückmergen) Oft angetroffene Regel: Was nicht kompiliert wird nicht eingecheckt! Unübersichtliche grosse Commits Keine Versionskontrolle bei (noch) kaputtem Code

11 Dezentrale Versionskontrolle (git)

12 Dezentrale Versionskontrolle (git) cont d Jeder User hat ein eigenes vollwertiges Repository (Clone) Somit sind auf jedem Rechner die gesamten Logs, Commits,... verfügbar Patch Verteilung unproblematisch (git pull von sourceforge/sweb) Branching/Merging sehr billig/einfach

13 Git - Best practice Im master-branch (Hauptzweig) immer die letzte funktionierende Version Neue Features in separaten Feature-Branches implementieren Fehlerhafter Code kann commited werden Teammitglieder können auch Fehler ausbessern Wenn Feature fertig implementiert ist, merge mit master oder rebase Viele kleinere Commits (z.b. Einzeiler-Fix) Wichtig: Regelmäßige Integrationstests (nicht erst eine Stunde vor Abgabe zusammen-mergen)

14 Git - Best practice Buch Hilfreiche Ressourcen Github: Tutorials: Ausprobieren! Cheat Sheet

15 1 LV-Übersicht 2 Versionskontrolle Zentrale Versionskontrolle Dezentrale Versionskontrolle Git - Best practice 3 Betriebssystem-Grundlagen 4 SWEB Kernel Threading Userspace Hacking Examples

16 Aufgaben eines Betriebssystems Ressourcenverwaltung Speicher CPU-Zeit (Scheduling - welcher Thread kommt wann dran) I/O (z.b. Kommunikation mit Keyboard, Maus, Festplatte,...) Interrupts Schnittstelle zwischen Applikation ( Userprogramm ) und Hardware Zugriff auf Festplatte/Dateisystem Einlesen von gedrückten Tasten einer Tastatur Erzeugung weiterer Prozesse Ausführen von Binaries etc Realisierung über System Calls genauere Erklärung in VO

17 Scheduling Mehrere Programme sollen gleichzeitig laufen Noch besser: Jedes Programm soll auch mehrere Dinge gleichzeit tun können Lösung: Threads Scheduling: Bei (regelmäßigem) Timer-Interrupt kommt der nächste Thread an die Reihe Interrupts abschalten alle anderen Programme stehen Bei Wechsel von einem Thread zum nächsten: Register von Thread 1 speichern, gespeicherte Register von Thread 2 wiederherstellen Impliziert: Page Table ändert sich (cr3-register)

18 Multithreading Registers Instruction Pointer SP Thread A Stack Registers Instruction Pointer SP Thread B Stack Running CPU Registers Instruction Pointer SP Thread C Stack

19 Prozesse vs. Threads Ein Prozess ist eine nicht-leere Menge von Threads Alle diese Threads sehen den gleichen Speicherbereich (gleiches Page Directory) Aber: Instruction Pointer und Stack Pointer (und die meisten anderen Register) sind unterschiedlich Üblicherweise führt der erste Thread eine Funktion namens main aus (in C/C++) Zusätzliche Threads/Threads beenden über Syscalls Return aus main terminiert Prozess Was, wenn man den Thread, der main ausführt als einzelnen Thread (nicht mit exit) beendet? Ausprobieren!

20 Address Translation Main Memory 1 n 1 n 1 n Process A Process B

21 Paging on Intel R x86 CPUs Lineare Adresse: 10 Bit PD-Index 10 Bit PT-Index 12 Bit Offset Phys. Speicher Page CR3 Register Page Directory PDE PDE Page Table PTE PTE Page Code und/oder Daten Code und/oder Daten Page Table Page PTE Code und/oder Daten

22 1 LV-Übersicht 2 Versionskontrolle Zentrale Versionskontrolle Dezentrale Versionskontrolle Git - Best practice 3 Betriebssystem-Grundlagen 4 SWEB Kernel Threading Userspace Hacking Examples

23 Schon Wieder Ein Betriebssystem SWEB Git git://sweb.git.sourceforge.net/gitroot/sweb/sweb SWEB Bug Tracker Book of SWEB bachelor_courses/betriebssysteme/practicals/ SWEB Tutorial bachelor_courses/betriebssysteme/practicals/ downloads/tutorial.pdf Newsgroup: Alles was die Übung angeht in Bezug auf SWEB tu-graz.lv.bs.sweb IRC-Channel: Live-Chat mit den Tutoren #bs auf irc.euirc.net

24 SWEB Installation 1 Klonen von SWEB $ git clone git : / / sweb. git. sourceforge. net/ gitroot/sweb/sweb 2 Initialisieren (auch beim Hinzufügen von neuen Dateien!) $ cmake. 3 Bauen $ make 4 Starten $ make qemu Siehe auch Tutorial!

25 SWEB-Kernel geschrieben in Assembler, C, C++ Aufteilung in architekturabhängigen Code (x86) sweb/arch allgemeinen Code sweb/common Applications Kernel CPU Memory Devices

26 Speicherlayout Jeder Prozess hat gleiches Speicherlayout 2 GiB für Userspace-Programme nutzbar, Adressen ab 0x nur für Kernel zugreifbar linear address space USERSPACE KERNEL 1:1 mapping 0 2 GB 3 GB 4 GB mapped address space kernel image from KMM managed memory region 2 GB 3 GB KMM

27 Protection Betriebssystemfunktionalität muss vor bösen oder fehlerhaften Userprogrammen geschützt werden ausführbare Instruktionen eingeschränkt Zugriff nur auf bestimmten Speicherbereich Kernel: privilege level 0 Userspace: privilege level 3 wenn besondere Funktionalität benötigt Kernel fragen : System Call Userspace-Programm darf den Kernel nie zum Absturz bringen (Parameterchecks!) Ring 3 Ring 2 Ring 1 Ring 0 Kernel Device drivers Device drivers Applications

28 System Call Flow user space User program calling Parameter Stack + Register Call read Increasing SP 1 Library procedure libc Put number for sc_read in reg. Trap to the kernel Return to caller 5 2 kernel space 4 Number Which syscall? Reg. Parameter? 3 Syscall handler

29 Interrupts Hardware vs. Software Interrupts Ablauf Unterbrechung des aktuellen Programmablaufes Sicherung des aktuellen Zustandes Abarbeitung des Interrupt Handlers Rückkehr zum vorherigen Programmablauf In SWEB verwendet für Timer ( Scheduling) PageFault System Call yield etc.

30 Threading verschiedene Dienste/Programme wollen gleichzeitig ausgeführt werden Multithreading Klasse Thread, speichert Register für den Thread Userprozess assoziiert mit einem Binary (durch Loader geladen) eigener Speicherbereich Pages Ein bis mehrere Threads Containerklasse für Threads

31 Threading - Grafik Kernel muss Threads für Scheduling kennen Spezielle Organisation des gemeinsamen Speichers erforderlich 0 GB 2 GB User Prozess 1 ID Register Stack ID Register Stack 0 GB 2 GB User Prozess 2 Kernel 3 GB 4 GB 1:1 Mapping ID Register Stack ID Register Stack ID Register Stack ID Register Stack 0 GB 2 GB User Prozess n ID Register Stack ID Register Stack ID Register Stack ID Register Stack

32 Userspace geschrieben in C (keine Klassen etc.) es gibt keine dynamische Speicherverwaltung (malloc/free) in sweb/userspace C-library userspace/libc bietet Funktionen wie printf, scanf, putchar, getchar, atoi,... Ort für den Userspace-Code von System Calls, bzw. Erweiterungen wie malloc, free,... Anwenderprogramme userspace/tests Ort für Testprogramme

33 Hacking SWEB Keine Exceptions, Run-Time-Type-Information (RTTI) Klassen ableiten kein Problem STL: seit diesem Jahr ustl dynamischer Speicher mit new/delete/new[]/delete[] Statische Objekte: keine Initialisierung Initialisierung mit placement new (besser: Singleton) keine FPU im Kernel Interrupts werden nie abgeschaltet! Ausnahmen bei sehr guter Begründung und Absprache mit Tutor Stattdessen: Locking (Mutexes, SpinLocks, etc.) Stack Begrenzung 8kiB/4kiB Rekursionen vermeiden! debug Outputs

34 Beispiel Page Manager: Wie bekommt man eine freie (physikalische!) Seite? Hält Bitmap für alle Pages Anforderung einer freien Seite PageManager : : getfreephysicalpage Freigeben einer Seite (!) PageManager : : freepage wird z.b. verwendet von Loader : : loadonepagesafebutslow

35 Beispiel Threading: Laufende Threads? Anzeigen der Threadliste mit F12 Erstellen eines neuen Threads in main.cpp Ableiten von der Klasse Thread überladen der Run Methode Hinzufügen zur Liste der laufenden Threads Scheduler : : instance() >addnewthread

36 Beispiel Interrupts: InterruptUtils jedem Interrupt wird eine Funktion zugewiesen, die ausgeführt werden soll, wenn dieser Auftritt. siehe: arch_interrupts.s InterruptUtils.cpp zum Beispiel: ERROR_HANDLER (0,# DE : Divide by Zero ) Wichtigste: SyscallHandler, PageFaultHandler

37 Fragen?