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Betriebssysteme, 4th Edition

by Eduard Glatz

September 2019

Intermediate to advanced

734 pages

21h 17m

German

dpunkt

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1.1 Zweck1.2 Definitionen1.3 Einordnung im Computersystem1.4 Betriebssystemarten1.4.1 Klassische Einteilungen1.4.2 Moderne Einteilungen1.4.3 Geschichte1.5 Betriebssystemarchitekturen1.5.1 Architekturformen1.5.2 Benutzer-/Kernmodus1.5.3 Monolithische Systeme1.5.4 Geschichtete Systeme1.5.5 Mikrokernsysteme (Client/Server-Modell)1.5.6 Multiprozessorsysteme1.5.7 Verteilte Betriebssysteme1.5.8 Beispiele von Systemarchitekturen1.5.9 Zukünftige Systemarchitekturen aus Sicht der Forschung
2.1 Rechner- und Prozessorgrundlagen2.1.1 Grundmodell eines Rechners2.1.2 Befehlsverarbeitung in der CPU2.1.3 Prozessoraufbau2.1.4 Allgemeine Prozessorregister (general purpose registers)2.1.5 Steuerregister (control registers)2.2 Grundlagen des Adressraums2.2.1 Adressraumtypen2.2.2 Bytereihenfolge (byte ordering)2.2.3 Adressraumbelegungsplan (memory map)2.2.4 Ausrichtungsregeln im Adressraum2.2.5 Adressraumbelegung durch Programme2.2.6 Adressraumnutzung durch C-Programme2.3 Grundlagen der Programmausführung2.3.1 Quell- und Binärcode2.3.2 Programmausführung und Programmzähler (PC)2.3.3 Funktionsweise des Stapels und Stapelzeigers (SP)2.3.4 Funktion des Programmstatusworts (PSW)2.3.5 Programmunterbrechungen (interrupts)2.3.6 Privilegierte Programmausführung (Benutzer-/Kernmodus)2.4 Unterprogrammmechanismen2.4.1 Unterprogrammaufruf und Komplettierung2.4.2 Formen des Unterprogrammaufrufs2.4.3 Parameterübergabe beim Unterprogrammaufruf2.4.4 Realisierung der Parameterübergabe und lokale Variablen

3.1 Wahl der Systemprogrammiersprache3.1.1 Mischsprachenprogrammierung3.1.2 Programmiersprache C++3.1.3 Java Native Interface (JNI)3.1.4 Microsoft .NET-Sprachen3.2 Laufzeitsystem der Programmiersprache C3.3 Unterprogrammtechniken3.3.1 Formale und aktuelle Parameter3.3.2 Idempotente Unterprogramme3.4 Grundlagen der Systemprogrammierung3.4.1 Dienstanforderung und Erbringung3.4.2 Dienstparameter und Resultate3.4.3 Umgebungsvariablenliste (environment list)3.4.4 Dateideskriptoren & Handles3.4.5 Systemdatentypen3.4.6 Anfangsparameter für Prozesse3.4.7 Beendigungsstatus von Programmen3.4.8 Fehlerbehandlung3.4.9 Programmierung für 32- und 64-Bit-Systeme3.5 Systemprogrammierschnittstellen3.5.1 Aufrufverfahren3.5.2 Unix-Programmierschnittstelle3.5.3 Windows-Programmierschnittstelle
4.1 Parallelverarbeitung4.1.1 Darstellung paralleler Abläufe4.1.2 Hardware-Parallelität4.1.3 Software-Parallelität4.1.4 Begriffe4.2 Prozessmodell4.2.1 Grundprinzip4.2.2 Prozesserzeugung und Terminierung4.2.3 Prozesse unter Unix4.2.4 Funktionsweise der Unix-Shell4.2.5 Prozesse & Jobs unter Windows4.2.6 Vererbung unter Prozessen4.2.7 Systemstart und Prozesshierarchie4.2.8 Ausführungsmodelle für Betriebssysteme4.3 Threads4.3.1 Thread-Modell4.3.2 Vergleich Prozesse zu Threads4.3.3 Implementierung des Multithreading4.3.4 Windows Threads, Fibers und Services4.3.5 Services4.3.6 Threads unter Unix4.3.7 Thread-Pool-Konzept4.3.8 Anwendungsprobleme
4.4.1 Quasiparallelität im Einprozessorsystem4.4.2 Prozess- und Thread-Zustände4.4.3 Konzeptionelle Prozessverwaltung4.4.4 Zuteilungsstrategien4.4.5 Multiprozessor-Scheduling4.4.6 POSIX-Thread-Scheduling4.4.7 Java-Thread-Scheduling4.4.8 Scheduling unter Windows4.4.9 Scheduling unter Unix
5.1 Synchronisationsbedarfe und Lösungsansätze5.1.1 Problem der Ressourcenteilung5.1.2 Verlorene Aktualisierung (lost update problem)5.1.3 Inkonsistente Abfrage (inconsistent read)5.1.4 Absicherung mit Selbstverwaltung – naiver Ansatz5.1.5 Absicherung mit Selbstverwaltung – korrekter Ansatz5.1.6 Absicherung mit Systemmitteln5.2 Semaphore5.2.1 Semaphortypen5.2.2 Implementierungsfragen5.3 Anwendung der Semaphore5.3.1 Absicherung kritischer Bereiche (mutual exclusion)5.3.2 Synchronisation von Abläufen (barrier synchronization)5.3.3 Produzenten & Konsumenten (producer and consumer)5.3.4 Leser & Schreiber (readers and writers)5.3.5 Problem der Prioritätsumkehrung (priority inversion)5.3.6 Weitere Anwendungsprobleme5.4 Implementierungen von Semaphoren5.4.1 Semaphore unter Unix5.4.2 Semaphore unter Windows
5.5.1 Idee & Grundprinzip der Unix-Signale5.5.2 Programmierung der Signale5.5.3 Signale im Multithreading5.5.4 Realtime-Signale5.6 Verklemmungsproblematik (deadlocks)5.6.1 Ursache5.6.2 Deadlock-Bedingungen5.6.3 Lösungsansätze und ihre Beurteilung5.7 Praktische Erwägungen zur Parallelprogrammierung5.7.1 Grenzen der Leistungssteigerung (Amdahl‘s Law)5.7.2 Korrektheitsbedingungen der Parallelität5.7.3 Vermeidung von Synchronisationsengpässen5.7.4 Speicherkonsistenz (memory consistency)
6.1 Überblick über Synchronisation und Kommunikation6.2 Nachrichtenbasierte Verfahren6.2.1 Allgemeine Aspekte6.2.2 Unix-Pipes6.2.3 Windows-Pipes6.2.4 Unix Message Queues6.2.5 Windows-Messages6.2.6 Windows-Mailslots6.3 Speicherbasierte Verfahren6.3.1 Gemeinsamer Speicher unter Windows6.3.2 Gemeinsamer Speicher unter Unix
6.4.1 Grundprinzip6.4.2 Java-Monitor6.4.3 Monitornachbildung mit Bedingungsvariablen6.5 Rendezvous6.5.1 Grundprinzip6.5.2 Synchronisation in Client/Server-Systemen (barber shop)6.6 Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation6.6.1 Netzwerksoftware6.6.2 Berkeley-Sockets6.6.3 Remote Procedure Call (RPC)6.6.4 Überblick über Middleware
7.1 Peripherie7.1.1 Einordnung im Rechnermodell7.1.2 Begriffsdefinitionen7.2 Ein-/Ausgabeabläufe7.2.1 Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe7.2.2 Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen7.2.3 Ein-/Ausgabe mittels DMA7.2.4 Ein-/Ausgabearten im Vergleich7.3 Ein-/Ausgabesystem7.3.1 Treiber7.3.2 Geräteverwaltung7.3.3 Treiberschnittstelle7.3.4 Ein-/Ausgabeschnittstelle7.3.5 Ein-/Ausgabepufferung7.3.6 Treibermodell in Linux7.3.7 Treibermodelle in Windows (WDM & WDF)7.4 Massenspeicher7.4.1 Wichtigste Massenspeicher7.4.2 Eigenschaften von Festplattenlaufwerken (HDD)7.4.3 Eigenschaften von Festkörperlaufwerken (SSD)7.4.4 Speicher-Anschlussmöglichkeiten7.4.5 Pufferung von Zugriffsdaten (disk cache)7.4.6 Speicher-Virtualisierung durch RAID
7.5.1 Allgemeines7.5.2 Systemarchitekturen7.5.3 Programmiermodelle7.5.4 Die Unix-Shell als Kommandointerpreter7.5.5 Funktionsweise und Programmierung des X-Window-Systems7.5.6 Funktionsweise und Programmierung des Windows-GUI
8.1 Speichersystem8.1.1 Einordnung im Rechnermodell8.1.2 Grundlegende Speicherprinzipien8.1.3 Speicherhierarchie & Lokalitätsprinzip8.1.4 Cache-Funktionsweise8.2 Dynamische Speicherbereitstellung (Heap)8.2.1 Verwaltungsalgorithmen8.2.2 Grundprinzip der Speicherzuordnung8.2.3 Übersicht Implementierungsvarianten8.2.4 Variante A: Variable Zuordnungsgröße8.2.5 Variante B: Feste Blockgrößen bzw. Größenklassen8.2.6 Variante C: Mehrfache einer festen Blockgröße8.2.7 Variante D: Buddy-System8.2.8 Heap-Erweiterung8.2.9 Heap-Management in Windows8.3 Verwaltung von Prozessadressräumen8.3.1 Adressraumnutzung durch Programme8.3.2 Adressraumverwaltung durch das Betriebssystem8.4 Realer Speicher8.4.1 Monoprogrammierung8.4.2 Multiprogrammierung mit Partitionen8.4.3 Verfahren für knappen Speicher
8.5.1 Adressumsetzung8.5.2 Seitenwechselverfahren (demand paging)8.5.3 Speicherabgebildete Dateien8.5.4 Gemeinsamer Speicher (shared memory)
9.1 Dateisystemkonzepte9.1.1 Logische Organisation9.1.2 Dateisystemfunktionen9.1.3 Gemeinsame Dateinutzung9.1.4 Speicherabgebildete Dateien
9.2.1 Konzeptionelles Modell9.2.2 Blockspeicher als Grundlage9.2.3 Organisationsprinzipien9.3 UFS – traditionelles Unix-Dateisystem9.3.1 Datenträgeraufteilung9.3.2 Dateihaltung und Verzeichnisorganisation9.3.3 Index Nodes (Inodes)9.4 FAT– traditionelles Windows-Dateisystem9.4.1 Datenträgeraufteilung9.4.2 Aufbau der Belegungstabelle (FAT)9.4.3 Verzeichnisdaten9.5 NTFS – modernes Windows-Dateisystem9.5.1 Entstehung und Eigenschaften9.5.2 Logische Struktur und Inhalt einer NTFS-Partition9.5.3 NTFS-Streams9.5.4 Dateispeicherung9.5.5 Dateiverzeichnisse9.6 ZFS – zukunftweisendes Dateisystem9.6.1 Datenträgerverwaltung9.6.2 Datenintegrität9.6.3 Pufferung und Deduplizierung9.6.4 Interoperabilität9.7 Netzwerkdateisysteme9.7.1 Logische Sicht9.7.2 Implementierung9.7.3 NFS – Network File System in Unix9.7.4 SMB – Netzwerkdateisystem in Windows9.8 Spezielle Dateisystemtechnologien9.8.1 Protokollierende Dateisysteme9.8.2 Schattenkopie9.8.3 Disk Scheduling9.9 Datenträgerpartitionierung9.9.1 Anwendungsbereiche9.9.2 Master Boot Record (MBR)9.9.3 GUID Partition Table (GPT)
10.1 Software-Entwicklungswerkzeuge10.1.1 Ablauf der Programmübersetzung10.1.2 Darstellung von Übersetzungsvorgängen mittels T-Notation10.1.3 Automatisierte Übersetzung10.1.4 Versionsverwaltung10.2 Adressraumbelegung und Relokation10.2.1 Storage Class10.2.2 Programmorganisation in Sektionen10.2.3 Relokation von Programmen10.3 Programmbibliotheken10.3.1 Grundlagen und Begriffe10.3.2 Anwendungsbereiche10.3.3 Programmbibliotheken unter Unix10.3.4 Programmbibliotheken unter Windows10.4 Skriptprogrammierung unter Unix10.4.1 Anwendungsbereiche10.4.2 Die Shell als Programminterpreter10.4.3 Portabilität und Kompatibilität10.4.4 Erstellung von Skriptprogrammen10.4.5 Ausführung von Skriptprogrammen10.4.6 Elemente der Skriptsprache10.4.7 Shell-Befehle
10.4.9 Stringoperatoren für Shell-Variable10.4.10 Metazeichen10.4.11 Synonyme und Funktionen10.4.12 Bedingte Tests (conditional tests)10.4.13 Arithmetik10.4.14 Kontrollstrukturen für Skripte10.5 Anwendungs- und Systemkonfiguration10.5.1 Konfiguration mit Textdateien10.5.2 Konfiguration mit Registrierungsdatenbank
11.1 Schutzziele11.2 Autorisierung und Zugriffskontrolle11.2.1 Grundlagen und Begriffe11.2.2 Schutzdomänenkonzept11.2.3 Schutzstrategien11.3 Hochsichere Betriebssysteme11.4 Sicherheit unter Unix11.5 Sicherheit unter Windows
12.1 Anwendungsbereiche12.2 Virtualisierungstypen12.2.1 Virtuelle Prozessoren12.2.2 Virtuelle Prozessumgebungen12.2.3 Virtuelles Betriebssystem12.2.4 Virtueller Desktop12.2.5 Virtuelle Ressourcen12.2.6 Sandboxing (virtuelles Laufzeitsystem)12.2.7 Virtuelle Computer (Stufe Computerhardware)12.3 Virtual Machine Monitor bzw. Hypervisor12.3.1 Anforderungen12.3.2 VMM-Funktionsweise12.3.3 VMM-Typen12.3.4 Unikernel12.4 Einsatzgebiete
13.1 Gemeinsame Eigenschaften13.1.1 Anforderungen durch die Plattform13.1.2 Middleware als Betriebssystem13.2 Google Android13.2.1 Überblick13.2.2 Architektur13.2.3 System- und Applikationsstart13.2.4 Lebenszyklus von Applikationen13.2.5 Nachrichtensystem13.3 Apple iOS
A.1 Maßeinheiten und DarstellungenA.1.1 Maßeinheiten in der InformatikA.1.2 Darstellung von BitmusternA.1.3 Oktal- und HexadezimalzahlenA.1.4 Kennzeichnung der ZahlensystemeA.1.5 Rechnerinterne ZahlendarstellungenA.1.6 Textzeichensätze

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4.4Prozessorzuteilungsstrategien

4.4.1Quasiparallelität im Einprozessorsystem

Für die Ausführung paralleler Prozesse wäre idealerweise pro Prozess ein eigener Prozessor nötig. Da dies aber sehr aufwendig ist, hat man Verfahren entwickelt, die es erlauben, mehrere Prozesse quasi gleichzeitig auf dem gleichen Prozessor auszuführen.

Abb. 4–27Grobe Sicht des zeitlichen Ablaufs (Ein- und Multiprozessorsystem)

Dabei geht man davon aus, dass die Prozesse nicht dauernd Rechenleistung benötigen, da sie zwischendurch auf Ereignisse irgendwelcher Art warten müssen. Dies können interne Ereignisse, wie z.B. Signale oder Meldungen von anderen Prozessen, Peripheriezugriffe ...