Betriebssysteme: Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Heidelberg
dpunkt-Verl.
2006
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| Ausgabe: | 1. Aufl. |
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| adam_text | Die
matik-Grundausbildung
Ohne Kenntnisse der hauptsächlichen Struktu¬
ren, Mechanismen und der Programmierschnitt-* ...
stelle eines Betriebssystems ist es nicht möglich,
spezielle Systemdienste zu benutzen oder die
Effizienz eines Systems zu optimieren.
0 Dieses didaktisch anspruchsvolle Lehrbuch bietet
eine umfassende Einführung in die Grundlagen
f der Betriebssysteme und in die Systemprogtam
mierung aus einer praktischen Perspektive Ls ¿t i
1
:; Systemen, sondern auch deren Nutzung bei der »*•
- ■ systemnahen Programmierung aufgezeigt
Methodisch wird ein Weg zwischen der
-■ tung anfallender Probleme und ihren Lösungen
¡
Basis beschriften. Dabei orientiert sich der Au toi
an den beiden am meisten verbreiteten System
i... weiten, nämlich Unix/Linux und Windows. Die %W
; ! wichtigsten Prozessorgrundlagen werden etklarL,
soweit sie für das Verständnis des Betriebssys- L:
tems und der systemnahen Programmierung hilf-
ij reich sind. Die zahlreichen Beschreibungen von
Systemfunktionen dienen dazu, die Programm-;];
m beispiele
Themen wie Multiprozessorsysteme, Handheld-
-• Betriebssysteme, Virtualisierungstechnologien :
und Sicherheitsaspekte werden behandelt.
Auf der Buch-Website befinden sich u.a. Übungs¬
aufgaben mit Lösungen sowie alle Abbildungen „,
des Buches und Vorlesungsfolien für Dozenten.
vili
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 Zweck ................................................ 1
1.2 Definitionen............................................ 3
1.3 Einordnung im Computersystem............................ 4
1.4 Betriebssystemarten. ...................................... 6
1.4.1 Klassische Einteilungen............................. 6
1.5 Betriebssystemarchitekturen................................ 7
1.5.1 Architekturformen ................................ 7
1.5.2 Benutzer-ZKernmodus.............................. 8
1.5.3 Monolithische Systeme............................ 10
1.5.4 Geschichtete Systeme.............................. 10
1.5.5, Mikrokernsysteme................................ 11
1.5.6 Beispiele von Systemarchitekturen.................... 12
1.5.7 Abstraktionen aus Benutzer- und Entwicklersicht........ 14
2 Grundlagen der Programmausführung und Systemprogrammierung 19
2.1 Programmausführung und Hardware........................ 19
2.1.1 Rechner- und Prozessorgrundlagen................... 21
2.1.2 Grundlagen des Adressraums ....................... 30
2.1.3 Grundlagen der Programmausführung ................ 40
2.1.4 Unterprogrammmechanismen....................... 48
2.2 Systemprogrammierung.................................. 61
2.2.1 Wahl der Systemprogrammiersprache................. 61
2.2.2 Laufzeitsystem der Programmiersprache............... 62
2.2.3 Unterprogrammtechniken .......................... 63
2.2.4 Grundlagen der Systemprogrammierung............... 64
2.2.5 Systemprogrammierschnittstellen .................... 82
I viii
3 Prozesse und
3.1 Parallelverarbeitung......................................89
3.1.1 Darstellung von parallelen Abläufen ..................89
3.1.2 Hardware-Parallelität . ............................90
3.1.3 Software-Parallelität...............................91
3.1.4 Begriffe.........................................91
3.2 Prozessmodell ..........................................94
3.2.1 Grundprinzip....................................94
3.2.2 Prozesserzeugung und Terminierung ..................98
3.2.3 Prozesse unter Unix..............................101
3.2.4 Funktionsweise der Unix-Shell......................108
3.2.5 Prozesse & Jobs unter Windows ....................111
3.2.6 Vererbung unter Prozessen.........................114
3.2.7 Prozesshierarchie ................................114
3.2.8 Systemstart.....................................114
3.3
3.3.1 Thread-Modell.................................. 119
3.3.2 Vergleich Prozesse zu
3.3.3 Implementierung des
3.3.4
3.3.5
3.4 Prozessorzuteilungsstrategien..............................136
3.4.1 Quasiparallelität im Einprozessorsystem ..............136
3.4.2 Prozess- und Thread-Zustände......................137
3.4.3 Zuteilungsstrategien..............................142
3.4.4 Multiprozessor-Scheduling.........................155
3.4.5 POSIX-Thread-Scheduling.........................157
3.4.6 Java-Thread-Scheduling........................... 159
3.4.7
3.4.8
4 Synchronisation von Prozessen &
4.1 Synchronisationsbedarfe und Lösungsansätze................. 173
4.1.1 Problem der Ressourcenteilung ..................... 173
4.1.2 Verlorene Aktualisierung
4.1.3 Inkonsistente Abfrage
4.1.4 Absicherung mit Selbstverwaltung................... 177
4.1.5 Absicherung mit Systemmitteln ..................... 178
Inhaltsverzeichnis ix
4.2
4.2.1 Semaphortypen................................. 180
4.2.2 Implementierungsfragen.......................... 180
4.3 Anwendung der
4.3.1 Absicherung kritischer Bereiche
4.3.2 Synchronisation von Abläufen
(barrier synchronization)
4.3.3 Produzenten & Konsumenten
(producer and consumer)
4.3.4 Leser & Schreiber
4.3.5 Problem der Prioritätsumkehrung
4.3.6 Weitere Anwendungsprobleme..................... 197
4.4 Implementierungen von Semaphoren....................... 197
4.4.1
4.4.2
4.5 Unix-Signale.......................................... 214
4.5.1 Idee &c Grundprinzip der Unix-Signale............... 214
4.5.2 Programmierung der Signale....................... 217
4.5.3 Signale im
4.5.4 Realtime-Signale................................ 225
4.6 Verklemmungsproblematik
4.6.1 Ursache....................................... 225
4.6.2 Deadlock-Bedingungen........................... 229
4.6.3 Lösungsansätze und ihre Beurteilung................. 230
5 Kommunikation von Prozessen &
5.1 Überblick über Synchronisation und Kommunikation .......... 239
5.2 Nachrichtenbasierte Verfahren............................ 241
5.2.1 Allgemeine Aspekte.............................. 241
5.2.2
5.2.3
5.2.4 Unix Message Queues............................ 263
5.2.5 Windows-Messages.............................. 267
5.2.6 Windows-Mailslots.............................. 269
5.3 Speicherbasierte Verfahren............................... 272
5.3.1 Gemeinsamer Speicher unter Windows............... 273
5.3.2 Gemeinsamer Speicher unter Unix................... 275
Inhaltsverzeichnis
5.4 Monitor..............................................277
5.4.1 Grundprinzip...................................277
5.4.2 Java-Monitor...................................281
5.4.3 Monitornachbildung mit Bedingungsvariablen..........282
5.5 Rendezvous...........................................288
5.5.1 Grundprinzip...................................288
5.5.2 Synchronisation in Client/Server-Systemen
(barber shop)...................................
5.6 Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation.............291
5.6.1 Netzwerksoftware ...............................291
5.6.2
5.6.3 Remote
5.6.4 Überblick über Middleware........................308
6 Ein-und Ausgabe 311
6.1 Peripherie ............................................311
6.1.1 Einordnung im Rechnermodell......................311
6.1.2 Begriffsdefinitionen ..............................312
6.2 Ein-/Ausgabeabläufe ....................................312
6.2.1 Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe...................313
6.2.2 Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen........314
6.2.3 Ein-/Ausgabe mittels DMA......................... 321
6.2.4 Ein-/Ausgabearten im Vergleich.....................325
6.3 Ein-/Ausgabesystem.....................................326
6.3.1 Treiber........................................ 326
6.3.2 Geräteverwaltung................................ 327
6.3.3 Treiberschnittstelle............................... 328
6.3.4 Ein-/Ausgabeschnittstelle .......................... 329
6.3.5 Ein-/Ausgabepufferung............................ 333
6.3.6 Treibermodell in Linux ........................... 334
6.3.7 Treibermodelle in Windows (WDM 6c WDF) .......... 341
6.4 Massenspeicher........................................346
6.4.1 Verfahren der Datenaufzeichnung ...................347
6.4.2 Wichtigste Massenspeicher.........................350
6.4.3 Eigenschaften von Plattenspeichern ..................350
6.4.4 Zugriffsplanung für Plattenspeicher
(disk Ì/O
6.4.5 Pufferung von Plattendaten
Inhaltsverzeichnis
6.5 Benutzerinteraktion aus Systemsicht (Benutzeroberflächen)...... 359
6.5.1 Allgemeines.................................... 359
6.5.2 Systemarchitekturen ............................. 361
6.5.3 Programmiermodelle............................. 366
6.5.4 Die Unix-Shell als Kommandointerpreter ............. 368
6.5.5 Funktionsweise &C Programmierung des
X-Window-Systems.............................. 370
6.5.6 Funktionsweise und Programmierung des
Windows-GUI.................................. 383
7 Speicherverwaltung 401
7.1 Speichersystem........................................ 402
7.1.1 Einordnung im Rechnermodell..................... 402
7.1.2 Grundlegende Speicherprinzipien ................... 403
7.1.3 Speicherhierarchie &c Lokalitätsprinzip............... 407
7.1.4 Cache-Funktionsweise............................ 411
7.2 Verwaltungsgrundlagen................................. 416
7.2.1 Abstraktionen mittels Abbildungsfunktionen .......... 417
7.2.2 Aufgaben der Systemsoftware...................... 421
7.2.3 Dynamische Speicherbereitstellung.................. 423
7.3 Verwaltung von Prozessadressräumen ...................... 443
7.3.1 Adressraumnutzung durch Programme............... 443
7.3.2 Adressraumverwaltung durch das Betriebssystem....... 446
7.4 Realer Speicher........................................ 448
7.4.1 Monoprogrammierung........................... 449
7.4.2 Multiprogrammierung mit Partitionen ............... 449
7.4.3 Verfahren für knappen Speicher .................... 453
7.5 Virtueller Speicher ..................................... 457
7.5.1 Adressumsetzung................................ 459
7.5.2 Seitenwechselverfahren
7.5.3 Speicherabgebildete Dateien ....................... 499
7.5.4 Gemeinsamer Speicher
xH Inhaltsverzeichnis
8 Dateisysteme 503
8.1 Aufgaben des Dateisystems...............................503
8.2 Dateisystemkonzepte....................................504
8.2.1 Logische Organisation............................504
8.2.2 Dateisystemfunktionen............................515
8.2.3 Gemeinsame Dateinutzung.........................532
8.2.4 Speicherabgebildete Dateien........................537
8.3 Realisierung von Dateisystemen............................537
8.3.1 Konzeptionelles Modell...........................537
8.3.2 Blockspeicher als Grundlage........................538
8.3.3 Organisationsprinzipien...........................539
8.4 UFS - traditionelles Unix-Dateisystem.......................545
8.5
8.5.1 Struktur der Gesamtplatte .........................550
8.5.2 Aufbau der Belegungstabelle
8.5.3 Verzeichnisdaten ................................552
8.5.4 Lange Dateinamen (VFAT) ........................554
8.6 NTFS - modernes Windows-Dateisystem ....................555
8.7 Netzwerkdateisysteme...................................559
8.7.1 Logische Sicht ..................................559
8.7.2 Implementierung ................................560
8.7.3 NFS - Network File System in Unix..................563
8.7.4 SMB - Netzwerkdateisystem in Windows .............565
8.8 Spezielle Dateisystemtechnologien..........................566
8.8.1 Protokollierende Dateisysteme......................566
8.9 Festplattenpartitionierung................................567
8.9.1 Anwendungsbereiche.............................567
8.9.2 Festplattenpartitionierung der PC-Systeme.............568
9 Programmentwicklung 573
9.1 Software-Entwicklungswerkzeuge..........................573
9.1.1 Ablauf der Programmübersetzung ...................574
9.1.2 Darstellung von Übersetzungsvorgängen mittels
T-Notation.....................................578
9.1.3 Automatisierte Übersetzung........................581
9.1.4 Versionenkontrolle...............................583
Inhaltsverzeichnis__________________________________________________________________xiii |
9.2 Adressraumbelegung und Relokation....................... 585
9.2.1
9.2.2 Programmorganisation in Sektionen................. 586
9.2.3 Relokation von Programmen....................... 587
9.3 Programmbibliotheken.................................. 594
9.3.1 Grundlagen und Begriffe.......................... 594
9.3.2 Programmbibliotheken unter Unix .................. 596
9.3.3 Programmbibliotheken unter Windows............... 600
9.4 Skriptprogrammierung unter Unix......................... 605
9.4.1 Anwendungsbereiche............................. 605
9.4.2 Die Shell als Programminterpreter................... 607
9.4.3 Portabilität und Kompatibilität..................... 607
9.4.4 Erstellung von Skriptprogrammen................... 608
9.4.5 Elemente der Skriptsprache........................ 608
9.4.6 Shell-Befehle................................... 609
9.4.7 Shell-Variablen................................. 611
9.4.8 Metazeichen ................................... 615
9.4.9 Synonyme und Funktionen........................ 617
9.4.10 Bedingte Tests
9.4.11 Arithmetik..................................... 621
9.4.12 Kontrollstrukturen für Skripte...................... 621
10 Sicherheit 627
10.1 Schutzziele ........................................... 627
10.2 Autorisierung und Zugriffskontrolle........................ 628
10.2.1 Grundlagen und Begriffe.......................... 629
10.2.2 Schutzdomänenkonzept........................... 631
10.2.3 Schutzstrategien ................................ 639
10.3 Hochsichere Betriebssysteme ............................. 641
10.4 Sicherheit unter Unix................................... 642
10.5 Sicherheit unter Windows................................ 646
xiv Inhaltsverzeichnis
11 Spezielle Technologien 649
11.1 Multiprozessorsysteme ..................................649
11.1.1 Einprozessorsysteme..............................650
11.1.2 Multiprozessorsysteme (Klassifikation nach Flynn) ......652
11.1.3 Rechenleistung paralleler Prozessoren
11.1.4 Strukturen von Multiprozessorsystemen...............658
11.1.5 Leistungsbewertung von Computern .................664
11.2 Handheld-Computing...................................665
11.2.1 Allgemeines ....................................666
11.2.2 Spezielle Anforderungen an das Betriebssystem .........667
11.2.3 Palm OS.......................................669
11.2.4 Windows
11.2.5
11.2.6 Symbian OS....................................679
11.3 Virtualisierungskonzepte und ihre Anwendung................684
11.3.1 Anwendungsbereiche.............................684
11.3.2 Virtuelle Prozessoren .............................684
11.3.3 Virtuelle Prozessumgebungen.......................685
11.3.4 Virtuelle Ressourcen..............................685
11.3.5 Virtuelle Computer (Stufe Computerhardware).........685
11.3.6 Virtuelle Sekundärspeicher
11.3.7 Virtuelle Netzwerke
A
A.1 Maßeinheiten und Darstellungen........................... 691
A.1.1 Maßeinheiten in der Informatik..................... 691
A.1.2 Darstellung von Bitmustern........................ 692
A.1.3 Oktal- und Hexadezimalzahlen ..................... 692
A.1.4 Kennzeichnung der Zahlensysteme................... 693
A.1.5 Rechnerinterne Zahlendarstellungen ................. 693
A.1.6 Textzeichensätze ................................ 697
A.2 Instruktionssatz der Intel iA32-Prozessoren................... 702
Literaturhinweise 707
Index 709
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