Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme 11. Übung 08.01.2012
Organisation Anmeldung zur Klausur Klausur Grundlagen der Betriebssysteme Datum: 05.02.2013 Raum F414 (steht aber noch nicht sicher fest) Anmeldung bis 28.01.2013 über ihr KLIPS-Prüfungsverwaltungsmenü! Bei Anmeldung ist die Teilnahme verpflichtend!!! Rücktrittsmöglichkeit ist bis zum 04.02.2013 offen!!
Wechselseitiger Ausschluss Wechselseitiger Ausschluss: 1) Softwareansätze Dekker-Algorithmus Peterson-Algorithmus 2) Unterstützung durch Hardware Interrupt-Sperrung Spezielle Maschinenbefehle 3) Semaphore 4) Monitore
Peterson für N Prozesse #define draussen 0 #define N 100 common int marke[n]; common int interessiert[n+1]; P k : betrete_gebiet(int prozess){ int i,j; Lösung für N Prozesse (./manythreads) for (i=1;i<n;i++){ interessiert[prozess]=i; marke[i]=prozess; for(j=1;j<=n;j++){ if(j==prozess) continue; while(interessiert[j] >= i && turn[i]==prozess){} } } /*kritisches Gebiet*/ verlasse_gebiet(int prozess){ interessiert[prozess]=draussen; } Hinweis: Anzahl Prozesse/Threads muss nicht unbedingt vorher bekannt sein. N kann wesentlich größer als tatsächliche Anzahl an Prozessen sein. Lösung auch mit Vektoren oder Listen statt Arrays möglich. Hauptproblem der Softwarelösungen sind die Schleifendurchläufe (busy-waiting).
Vorteil Semaphore (Wiederholung) Nennen Sie einen wesentlichen Vorteil, den Semaphore gegenüber den reinen Softwareansätzen von Dekker und Peterson bieten? 1) Warteschlangen vs. Warteschleifen Semaphoren reihen Prozesse in Warteschlangen ein und blockieren somit die Prozess während diese warten! Bei den Softwareansätze von Dekker und Peterson hängen die Prozesse in Warteschleifen (busy waiting) hier bleibt der Prozess im rechenbereiten Zustand und verbraucht entsprechend CPU-Zeit. 2) Übersichtlichere Programmierung Semaphore sind eine durch das Betriebssystem oder die System-Bibliothek gestellte Möglichkeit des gegenseitigen Ausschlusses und werden entsprechend, z.b. durch den compiler, unterstützt. 3) Kann Prozessübergreifend vom Betriebssystem verwaltet werden! named Semaphore (POSIX)
Kritischer Abschnitt (Wiederholung) Was versteht man unter einem kritischen Abschnitt oder kritischen Gebiet (critical area)? Programmteile, die nicht unterbrochen werden dürfen, werden als kritische Abschnitte bezeichnet. Ist ein Codeabschnitt, der zu einer Zeit nur durch einen Prozess (Thread) durchlaufen und in dieser Zeit nicht durch andere nebenläufige Prozesse (Threads) betreten werden darf. Ein Prozess (Thread) der einen kritischen Abschnitt betritt, darf nicht unterbrochen werden. Sofern das Betriebssystem in dieser Zeit aufgrund einer Scheduling-Entscheidung eine Unterbrechung zulässt, darf der Prozess (Thread), der den kritischen Abschnitt belegt, nicht beeinflusst werden.
Atomarität (Wiederholung) Was bedeutet im Zusammenhang mit Synchronisation Atomarität und warum müssen die Semaphor Funktionen acquire() und release() atomar (atomic) sein. atomare Operationen dürfen selbst nicht unterbrochen werden und müssen als untrennbaren Schritt behandelt werden. Wären die Funktionen nicht atomar, so würde wenn nach Prüfung der Semaphorvariable ein anderer Prozess an die Reihe käme und dieser ebenso das kritische Gebiet betreten wollte, auch er feststellen, dass die Semaphorvariable noch nicht gesetzt ist und glauben, die kritische Ressource wurde zur Zeit nicht benutzt. daher unterbinden atomare Operationen die Prozessumschaltung für die Dauer ihrer Arbeit. Realisierung z.b. mit test-and-set Hardwareinstruktion
Dijkstra -> kritischer Abschnitt - Kriterien - Mutual exclusion: Zwei oder mehr Prozesse dürfen sich nicht gleichzeitig im gleichen kritischen Abschnitt befinden. - Es dürfen keine Annahmen über die Abarbeitungsgeschwindigkeit und die Anzahl der Prozesse bzw. Prozessoren gemacht werden. Der kritische Abschnitt muss unabhängig davon geschützt werden. - Kein Prozess außerhalb eines kritischen Abschnitts darf einen anderen nebenläufigen Prozess blockieren - Fairness Condition: Jeder Prozess, der am Eingang eines kritischen Abschnitts wartet muss ihn irgendwann betreten dürfen (kein ewiges Warten).
Deadlock (Wiederholung) Notwendige Bedingungen! (Design-Entscheidung des BS) 1) Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exklusion) Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann immer jeweils nur ein Prozess eine Ressource nutzen. 2) Besitzen und Warten (Hold & Wait) Ein Prozess kann auf die Zuteilung weiterer Ressourcen warten und darf dabei bereits Ressource besitzen. 3) Kein Ressourcenentzug (Non-Preemption) Ein Prozess, der im Besitz einer Ressource ist, kann diese nicht gewaltsam entzogen werden. Hinreichende Bedingung! (Situation) 4) Zyklisches Warten (Circular Wait) Es existiert eine geschlossene Kette von Prozessen, bei der jeder Prozess mindestens eine Ressource besitzt, die vom nächsten Prozess in der Kette benötigt wird!
Deadlock (Wiederholung) 1) Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion) Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann immer jeweils nur ein Prozess eine Ressource nutzen. Kann im Allgemeinen nicht ausgeschlossen/verhindert werden, da Ressourcen existieren, die nur einen exklusiven Zugriff erlauben. Bsp.: Schreibrecht auf Dateien.
Deadlock (Wiederholung) 2) Besitzen und Warten (Hold & Wait) Ein Prozess kann auf die Zuteilung weiterer Ressourcen warten und darf dabei bereits Ressource besitzen. Kann dadurch verhindert werden, dass ein Prozess alle von ihm benötigten Ressourcen gleichzeitig anfordern muss. Der Prozess wird solange blockiert bis ihm alle Ressourcen zugeteilt werden können. Wenig effizient ein Prozess blockiert auf längere Zeit Ressourcen ohne diese wirklich zu nutzen. praktisches Problem: in modularer Programmierung + Multithreading-Struktur: Kann ein Prozess wirklich alle je benötigten Ressourcen kennen?
Deadlock (Wiederholung) 3) Kein Ressourcenentzug (Non-Preemption) Ein Prozess, der im Besitz einer Ressource ist, kann diese nicht gewaltsam entzogen werden. Kann auf mehrere Arten verhindert werden: 1. Wird einem Prozess die Zuweisung einer Ressource verweigert, so muss der Prozess alle Ressourcen in seinem Besitz freigeben und sofern notwendig alle Ressourcen erneut anfordern. 2. Das Betriebssystem unterbricht den zweiten Prozess, der die angeforderte Ressource hält und zwingt ihn zur Freigabe. fordert Priorisierung der Prozesse und die konkurrierenden Prozesse dürfen nicht die gleiche Priorität besitzen. funktioniert nur mit Ressourcen, deren Zustand gesichert und wiederhergestellt werden kann.
Deadlock (Wiederholung) 4) Zyklisches Warten (Circular Wait) Es existiert eine geschlossene Kette von Prozessen, bei der jeder Prozess mindestens eine Ressource besitzt, die vom nächsten Prozess in der Kette benötigt wird! Kann dadurch verhindert werden, dass eine lineare Ordnung der Ressourcentypen festgelegt wird. Wenn einem Prozess Ressourcen des Typs R zugeteilt wurden, kann er nachfolgend nur Ressourcen eines Typs anfordern, der in der Ordnung auf R folgt. Bsp.: R i steht vor R j in der Reihenfolge (es gilt i < j). Angenommen zwei Prozess P1 und P2 sind verklemmt, da P1 die Ressource R i und P2 R j besitzt. P1 fordert zusätzlich R j an und P2 R i. Dieser Zustand ist ungültig: P2 hätte zuerst R i und dann R j anfordern müssen.
Synchronisation Wettstreit um Ressourcen zwischen Prozessen wechselseitiger Ausschluss zwei Steuerungsprobleme bei der Durchsetzung des wechselseitigen Ausschlusses. Deadlock (Verklemmung) Starvation (Verhungern)
Starvation (Verhungern) Beispiel: 3 Prozesse P1, P2, P3 greifen auf die Ressource R zu. P1 bekommt nun R zugewiesen und führt seine Aufgabe aus. Nach verlassen des kritischen Gebiets um R, bekommt P3 Zugriff auf R. Noch bevor P3 das kritischen Gebiet verlassen hat benötigt P1 erneut R. Das Betriebssystem entscheidet (womöglich aufgrund des Ergebnisses von P3) das P1 erneut R zugewiesen bekommt. Das Verhalten von P1 und P3 wiederholt sich nun beliebig oft und führt zu jeweils gleichen Entscheidungen des Betriebssystems. P2 bleibt der Zugriff auf R auf unbestimmte Zeit verweigert. Es liegt kein Deadlock vor! P1 und P3 können ihre Aufgabe bearbeiten! nur P2 ist verklemmt und kann nicht weiterarbeiten.
Livelock - ebenfalls eine Form der Verklemmung im Gegensatz zum Deadlock verharren die Prozesse nicht in einem Zustand, sondern wechseln ständig zwischen verschiedenen Zuständen. Zustände verharren nicht im Wait-Zustand, sondern sind weiterhin aktiv und wechseln zwischen mehreren Zuständen, können ihre eigentliche Aufgabe aber dennoch nicht bearbeiten. anschaulisches Beispiel: 2 Personen treffen auf einem Gehweg aufeinander und wollen aneinander vorbei gehen. Beide wechseln jedoch immer gleichzeitig die Gehwegseite und blockieren sich so weiterhin gegenseitig. Die beiden Personen sind zwar weiterhin in Bewegung, können sich aber nicht in ihrer eigentlich angestrebten Richtung fortbewegen.
Prozesswartegraph Prozesswartegraph (Betriebsmittelbelegungsgraph) R1 Ressource (Betriebsmittel), z.b. Datei, Netzwerkzugriff, Hardware (Drucker) P1 Prozess beantragt belegt von fordert <P1,R1> P1 fordert R1 ist R1 wird es P1 direkt zugeteilt, sonst bleibt es bei der Forderung. P1 R1 Die Ressource R1 ist von Prozess P1 belegt. (R1 wurde P1 zugeteilt) P1 R1 Prozess P1 fordert die Ressource R1 (P1 wartet auf R1)
Prozesswartegraph Prozesswartegraph (Betriebsmittelbelegungsgraph) Beispiel 1: <P1,R2>, <P1,R3>, <P3,R2>, <P2,R3>, <P1,R1>
Prozesswartegraph Prozesswartegraph (Betriebsmittelbelegungsgraph) Beispiel 2: <P1,R1>, <P2,R2>, <P3,R3>, <P1,R2>, <P2,R3>, <P3,R1>
Banker Algorithmus Umgeht Verklemmungen, indem er nur sichere Betriebsmittelzustände zulässt. Verschiedene Vektoren: Max = welche maximalen Betriebsmittelanforderungen haben die Prozesse. Curr = wie viele Betriebsmittelinstanzen werden von jedem Prozess zur Zeit belegt. Req = welche Betriebsmittelanforderungen bestehen noch Avail = wie viele Betriebsmittelinstanzen sind noch verfügbar. Exist = wie viele Betriebsmittelinstanzen gibt es insgesamt
Banker Algorithmus
Banker Algorithmus
Banker Algorithmus
Banker Algorithmus
Banker Algorithmus
Banker Algorithmus Beispiel:
Banker Algorithmus Bestimmen Sie die aktuelle Zuweisungsmatrix (Current) und die Anzahl der insgesamt existierenden Instanzen der einzelnen Betriebsmittel (Existence Vector).
Banker Algorithmus Ist der beschriebene Zustand sicher? Beweisen Sie Ihre Aussage.
Banker Algorithmus Ist der beschriebene Zustand sicher? Beweisen Sie Ihre Aussage.
Banker Algorithmus Prozess 1 belege 2 zusätzliche Instanzen des zweiten Betriebsmittels. Erstellen Sie die neue Request-Matrix. Ist dieser Zustand sicher?
Prozess Scheduling (Rückblick)
Prozess Scheduling (Rückblick)
Prozess Scheduling (Rückblick)
Prozess Scheduling (Rückblick)
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung Problem: - Viel zu große Programme sind ausgeschlossen alternativ: Programmerstellung durch Overlays nötig - Viel zu kleine Programme verschwenden Speicher Interne Fragmentierung: Teile der Partitionen bleiben unbenutzt
Speicherverwaltung - Programme in die am besten passende Partitionen - Eine oder mehrere Warteschlangen zur Verwaltung des Speichers - Best-Fit mit einer Prozess-Queue pro Partition - Eine Prozess-Warteschlange für alle Partitionen (Best-Fit sonst First-Fit) Problem: - externe Fragmentierung: einzelne, nicht zugewiesene Speicherbereiche sind zu klein, um die Anforderungen wartender Prozesse erfüllen zu können.
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung Swapping: einfache Speicherverwaltung mit dynamischer Partitionierung Prinzip - (blockierte) Prozesse werden auf die Festplatte ausgelagert - wartende Prozesse werden von der Festplatte in den Hauptspeicher eingelagert - jeweils vollständiger Prozess als Ganzes - im Betriebssystem realisierbar ohne zusätzliche Hardwareunterstützung - Betriebssystemscheduler sogt fürs Ein- und Auslagern Probleme: - Ein- und Auslagern ist sehr zeitaufwendig - Anforderung von freiem Speicher: bei Neustart eines weiteren Prozesses bzw. zur Laufzeit eines Prozesses (Subprozess); auch dynamisches Anfordern - Anforderung hat nur selten genau die Größe eines freien Speicherbereiches - Freispeicherplatzverwaltung ist notwendig, um (dynamisch) neue Prozesse in - freigegebene Speicher effizient zu laden
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung Speicherbelegungsstrategien: - First-Fit - Next-Fit - Best-Fit
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung Nachteile von Speicher Partitionierung und Swapping - Prozess komplett im Hauptspeicher, oft wird nur ein kleiner Teil benötigt - Platz für Programme und Daten ist durch Hauptspeicherkapazität begrenzt - zusammenhängende Speicherbelegung für einen Prozess verschärft Fragmentierung - Speicherschutz muss vom Betriebssystem explizit implementiert werden Lösung: virtueller Speicher - Prozessen mehr Speicher zuordnen als eigentlich vorhanden - nur bestimmte Teile der Programme werden in Hauptspeicher geladen - Rest wird auf dem Hintergrundspeicher (Festplatte) abgelegt - Prozesse werden ausgeführt, obwohl nur zum Teil im Hauptspeicher eingelagert - hysischer Adressraum wird auf einen virtuellen (logischen) Adressraum abgebildet
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung Paging - Verfahren - die Umsetzung der virtuellen Adresse erfolgt dynamisch - um für die momentan arbeitenden Prozesse genügend Platz zu haben, werden nicht benötigte Seiten auf den Hintergrundspeicher ausgelagert - wird eine Seite benötigt, die nicht im Hauptspeicher sondern nur auf dem Hintergrundspeicher lagert, so tritt ein Seitenfehler (page faults) auf die benötigte Seite muss in den Hauptspeicher geladen werden Laden nach Bedarf (demand paging) - falls der Hauptspeicher schon voll ist, muss eine bzw. mehrere geeignete Seiten ausgelagert werden - Abschließend wird die Seitentabelle entsprechend aktualisiert - Aktionen des Betriebssystem bei Seitenfehlern: Seitenersetzung Welche Seite kann zuerst entfernt werden? --> unterschiedliche Strategien zur Seitenersetzung
Speicherverwaltung Welche Seite kann zuerst entfernt werden? --> unterschiedliche Strategien zur Seitenersetzung