Peter Mandl Grundkurs Betriebssysteme Architekturen, Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation, Prozesskommunikation 2., uberarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 164 Abbildungen und 6 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER
1 Einfiihrung 1 1.1 Computersysteme 1 1.1.1 Einfiihrung 2 1.1.2 Aufgabe von Betriebssystemen 2 1.1.3 Hardwaremodelle 3 1.1.4 CPU-Registersatz 6 1.1.5 Beispiele fur Microprozessor-Architekturen 8 1.1.6 Multicore-Prozessoren und Hyperthreading-CPUs 12 1.1.7 Unser einfaches Modell der Hardware 13 1.2 Betriebssystem-Geschichte 14 1.2.1 Historische Entwicklung 15 1.2.2 Geschichte von Microsoft Windows und Unix 17 1.3 Ubungsaufgaben 21 2 Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten 23 2.1 Betriebssystemarchitekturen 23 2.1.1 Klassische Architekturen 23 2.1.2 Mikrokern-Architektur 25 2.1.3 Verteilte Systeme und Middleware 26 2.1.4 Betriebssystem-Virtualisierung 28 2.1.5 Architektur von Unix und Windows 29 2.2 Betriebsarten 32 2.2.1 Parallelisierung der Verarbeitung 33 2.2.2 Teilhaber- versus Teilnehmerbetrieb 34 2.2.3 Application-Server-Betrieb 37 2.2.4 Terminalserver-Betrieb 39 2.2.5 Handheld-Computing 40 IX
2.3 Ubungsaufgaben 41 3 Interruptverarbeitung 43 3.1 Interrupts 44 3.1.1 Uberblick 44 3.1.2 Interrupt-Bearbeitung 45 3.1.3 Interrupt-Verarbeitung bei IA32-Prozessoren 50 3.1.4 Interrupt-Bearbeitung unter Windows 53 3.1.5 Interruptverarbeitung unter Linux 57 3.2 Systemaufrufe 60 3.3 tibungsaufgaben 64 4 Prozesse und Threads 65 4.1 Prozesse 66 4.1.1 Prozessmodell 66 4.1.2 Prozessverwaltung 67 4.1.3 Prozesslebenszyklus 70 4.2 Threads 71 4.2.1 Threadmodell 71 4.2.2 Implementierung von Threads 71 4.2.3 Vor-/Nachteile und Einsatzgebiete von Threads 74 4.3 Programmierkonzepte fur Threads 76 4.3.1 Threads in Java 76 4.3.2 Threads in C# 80 4.4 Prozesse und Threads in konkreten Betriebssystemen 84 4.4.1 Prozesse und Threads unter Windows 84 4.4.2 Prozesse und Threads unter Unix und Linux 92 4.5 tibungsaufgaben 97 5 CPU-Scheduling 99 5.1 Scheduling-Kriterien 100 5.2 Scheduling-Verfahren 103 5.2.1 Verdrangende und nicht verdrangende Verfahren 103
5.2.2 tiberblick iiber Scheduling- Verfahren 103 5.2.3 Multi-Level-Scheduling mit Prioritaten 106 5.2.4 Round-Robin-Scheduling mit Prioritaten 107 5.3 Vergleich ausgewahlter Scheduling-Verfahren 109 5.3.1 CPU-Scheduling im ursprunglichen Unix 113 5.3.2 CPU-Scheduling unter Linux 115 5.3.3 CPU-Scheduling unter Windows 122 5.3.4 Scheduling von Threads in Java 129 5.3.5 Zusammenfassung 129 5.4 Ubungsaufgaben 131 Synchronisation und Kommunikation 133 6.1 Grundlegendes zur Synchronisation 134 6.1.1 Nebenlaufigkeit, atomare Aktionen und Race Conditions 134 6.1.2 Kritische Abschnitte und wechselseitiger Ausschluss 137 6.1.3 Eigenschaften nebenlaufiger Programme 139 6.2 Synchronisationskonzepte 141 6.2.1 Sperren 141 6.2.1 Semaphore 144 6.2.3 Monitore 149 6.3 Synchronisationstechniken moderner Betriebssysteme 154 6.3.1 Synchronisationstechniken unter Unix 154 6.3.2 Synchronisationstechniken unter Windows 154 6.3.3 POSIX-Synchronisationstechniken 155 6.4 Synchronisationsmechanismen in Programmiersprachen 155 6.4.1 Die Java-Synchronisationsprimitive synchronized" 156 6.4.2 Warten auf Bedingungen in Java 163 6.4.3 Weitere Synchronisationsmechanismen in Java 166 6.4.4 C#-Monitore 169 6.4.5 Die C#-Synchronisationsprimitive,,lock" 177 6.4.6 C#-Mutex-Objekte 178 XI
6.4.7 C#-Lese- und Schreibsperren 180 6.4.8 CMnterlocked-Klasse 181 6.4.9 Warten auf Bedingungen in C# 183 6.5 Kommunikation von Prozessen und Threads 183 6.5.1 Grundbegriffe der Kommunikation 184 6.5.2 Moglichkeiten fur eine rechnerinterne Kommunikation 189 6.5.3 Fallbeispiel: Pipes 193 6.5.4 Rechneriibergreifende Interprozesskommunikation 197 6.6 Ubungsaufgaben 199 7 Hauptspeicherverwaltung 201 7.1 Grundlegende Betrachtungen 202 7.1.1 Speicherhierarchien 202 7.1.2 Lokalitat 203 7.1.3 Adressen und Adressraume 204 7.1.4 Techniken der Speicherverwaltung 206 7.2 Virtueller Speicher 209 7.2.1 Grundbegriffe und Funktionsweise 209 7.2.2 Optimierung der Speicherverwaltung 218 7.2.3 Seitenersetzung und Verdrangung (Replacement) 223 7.2.4 Vergleich von Seitenersetzungsverfahren 232 7.2.5 Speicherbelegungs- und Vergabestrategien (Placement) 233 7.2.6 Entladestrategie (Cleaning) 236 7.2.7 Eine weitere Technik: Segmentadressierung 237 7.2.8 Shared Memory 239 7.3 Speicherverwaltung in ausgewahlten Systemen 240 7.3.1 Linux-Speicherverwaltung 240 7.3.2 Windows-Speicherverwaltung 244 7.4 Ubungsaufgaben 250 8 Gerate- und Dateiverwaltung 253 8.1 Auf gaben und Uberblick 254 XII
8.1.1 Grundlegendes 254 8.1.2 Geratearten 258 8.1.3 Gerateanbindung unter Unix 261 8.1.4 Memory-Mapped Ein-/Ausgabe und DMA 262 8.2 Dateiverwaltung 264 8.2.1 Allgemeines 264 8.2.2 Fallbeispiel: Dateisysteme unter Unix 266 8.2.3 Fallbeispiel: Dateisysteme unter Windows 268 8.3 Storage-Systeme 273 8.3.1 RAID-Plattensysteme 273 8.3.2 NASundSAN 278 8.4 Ubungsaufgaben 280 9 Schlussbemerkung 281 10 Losungen zu den Ubungsaufgaben 283 10.1 Einfiihrung 283 10.2 Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten 284 10.2 Interruptverarbeitung 287 10.4 Prozesse und Threads 291 10.5 CPU-Scheduling 295 10.6 Synchronisation und Kommunikation 303 10.7 Hauptspeicherverwaltung 310 10.8 Gerate-und Dateiverwaltung 318 Anhang 323 Al Zahlennamen 323 A2 Metrische Grundeinheiten 324 A3 Wichtige Datenstrukturen fur Betriebssysteme 325 Zeiger-und Referenztypen 326 Sequenzen, Listen 328 Stapelspeicher, Stack 334 Warteschlangen, Queues 336 XIII
Hashtabellen 338 A4 Java-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems 340 A5 C#-Implementierung des Dining-Philosophers-Problems 344 Literaturhinweise 349 Sachwortverzeichnis 351