Swapping Trasferimento temporaneo in memoria secondaria di processi o parti di processo.

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1 SISTEMI OPERA TIVI T (A nna Ciampolini) Definizioni di teoria Sistema operativo Programma intermediario tra utente e hardware del computer, mappa le risorse hardware in risorse logiche accessibili attraverso interfacce. Storia dei sistemi operativi La prim a generazione di computer era basata su valvole, di tipo manuale e si utilizzava il linguaggio macchina. Poi arrivarono i sistemi batch semplici basati su transistor, che sfruttano linguaggi ad alto livello e realizzano un esecuzione sequenziale dei job. Dopo si ebbero i sistemi batch multiprogrammati in cui viene caricata su disco un pool di job: il sistema operativo seleziona un sottoinsieme da caricare in memoria, ne sceglie uno da assegnare alla CPU, attende che un job termini o vada in attesa, così da assegna la CPU ad un altro job. Spooling Il disco viene utilizzato come buffer per memorizzare e leggere i dati. Swapping Trasferimento temporaneo in memoria secondaria di processi o parti di processo. Sistemi time-sharing Il sistema operativo time-sharing deve garantire la multiutenza, dedicando ad ogni utente una macchina virtuale, e l interattività, interrompendo l esecuzione del job corrente dopo un quanto di tempo. Si noti che la multiutenza porta alla necessità di una maggiore protezione. Scheduling Lo Scheduling viene realizzato dallo Scheduler ha due nature differenti: lo scheduling dei job consiste nella selezione, dalla memoria secondaria, del job da inserire nella coda dei processi pronti, situata in memoria centrale (scheduling dei job o a lungo termine); lo scheduling della CPU consiste invece nella selezione, dalla coda dei processi pronti, del job da assegnare alla CPU (scheduling della CPU o a breve termine). Context switch Viene realizzato dal Dispatcher e consiste nel cambio del job controllato dalla CPU con il successivo, scelto dalla coda processi pronti. Interrupt HW e SW Interruzioni asincrone per un evento scatenante, possono essere di tipo hardware o software (com e le system call). Direct Memory Access - DMA Mem oria e dispositivi realizzano l I/O in maniera autonoma dalla CPU, che viene notificata della fine del trasferimento, tramite interrupt, da parte del DMA Controller. Bit Mode 0 m odo kernel; 1 m odo user. Programma vs processo Il programma è un entità passiva presente in memoria secondaria, mentre il processo è un entità attiva residente in memoria centrale. Compiti del sistema operativo Il sistema operativo si occupa della gestione dei processi: creazione, terminazione sospensione e sincronizzazione. Inoltre si occupa della gestione: dei deadlock, della memoria centrale/secondaria, dei dispositivi di I/O e del file system. 1/9

2 Strutture dei sistemi operativi Monolitica: unico modulo contenente un insieme di procedure, l interazione avviene mediante chiam ate a procedura, il sistema risulta complesso. Microkernel: il nucleo ha poche funzionalità di base, è affidabile, personalizzabile ma ha una scarsa efficienza (per le troppe chiamate a procedura necessarie per operare). Kernel Ibribo: come la struttura a microkernel ma con più funzionalità. UNIX Si tratta di un sistema operativo multiutente (quindi multiprogrammato), time-sharing, con kernel monolitico, permette lo sviluppo di programmi in C ed è portabile. E caratterizzato dalla presenza di più processi utente ognuno con un solo thread che non condivide memeoria con gli altri (modello processo pesante). Memoria gestita con segmentazione e paginazione, possibilità di memoria virtuale. Linux Si tratta di un kernel, a differenza di GNU/Linux che è un sistema operativo libero (cioè accessibile da tutti) e open-source (codice riutilizzabile). Possiede le stesse caratteristiche di Unix, essendo un suo derivato, ma diversamente da UNIX è basato sul m ultithreading (i thread sono gestiti a livello kernel dall unità di scheduling). Lo spazio di indirizzamento è di 4 GB (32 bit). Processo Programma in esecuzione rappresentato da codice, dati, pc, registri e stack. Può essere in vari stati: init, ready, running, waiting e terminated. Le informazioni del processo sono contenute nel Process Control Block (PCB). I processi I/O bound sono caratterizzati da brevi utilizzi della CPU, mentre quelli CPU bound da lunghi utilizzi. Un processo leggero (detto anche thread) è un flusso di esecuzione che condivide codice e dati con gli altri thread che fanno parte dello stesso processo pesante (detto anche task o semplicemente processo). Nei sistemi operativi tradizionali (come UNIX) un processo è formato da un solo thread, mentre il term ine m ultithreading indica la capacità di associare ad un processo più thread. Interazione Nel m odello ad ambiente globale avviene mediante variabili condivise (attraverso i thread). Nel m odello ad ambiente locale avviene mediante scambio di messaggi o segnali, perché lo spazio di indirizzamento dei dati è privato per ogni processo. Istruzioni indivisibili Un istruzione è indivisibile quando il suoi parametri di ingresso non sono accessibile da altri processori, finché l istruzione non è finita. Produttore/consumatore Processi cooperanti tramite un buffer condiviso, necessità di sincronizzazione. Variabili d ambiente del processo Le variabili d ambiente sono ad esempio: argc/argv, path, direttorio corrente, user, gruppo. Stack, heap e dati globali Heap: area di memoria che contiene tutte le variabili allocate tramite la funzione malloc. Stack: area di memoria che contiene un insieme di record di attivazione, ognuno dei quali contiene le variabili locali ad ogni funzione. Dati globali: variabili globali. 2/9

3 Processo UNIX Il processo in UNIX è l unità di computazione, i processi sono pesanti e con codice rientrante (cioè condivisibile), i dati non sono condivisibili, codice e dati sono separati (modello a codice puro), modello ad ambiente locale. Il PCB è costituito da: 1) User Structure, che contiene le informazioni necessarie al SO quando il p rocesso è residente (es. copia registri CPU, info risorse allocate, info segnali, variabili d ambiente), può essere soggetta a swap-out ; 2) Process Structure, che contiene le informazioni necessarie al sistema operativo quando il processo è residente o swappato (es. riferimento a User Structure, pid, pid del padre, info scheduling: priorità, riferimento a: stack, Text Structure). Per ogni processo del intero sistema viene aggiunta una Process Structure all interno della Process Table. Il sistema gestisce, inoltre, una struttura dati globale (essendo il codice rientrante) detta Text Table, dove ogni elemento, detto Text Structure, contiene un puntatore all area di memoria in cui è allocato il codice. Immagine di un processo UNIX L im magine di un processo UNIX è l insieme delle aree di memoria e strutture dati associate al processo. Essa è costituita da: Process Structure, User Structure (che formano il PCB), dati globali, stack, heap e stack del kernel. Una parte dell immagine, inoltre, è riservata al kernel (US, PS, stack del kernel) e non tutta è swappable (PS e Text Structure). System call per la gestione dei processi La fork() genera un figlio con lo stesso codice del padre (vedono entrambi lo stesso codice) e una copia dei dati del padre (non essendo i dati condivisibili). Essa ritorna 0 al processo figlio e il pid del figlio al processo padre. La exit(status) termina il processo chiamante, chiude le sue risorse, i suoi (eventuali) figli vengono adottati da INIT e se ha un padre, entra nello stato zombie. La variabile status contiene lo stato di terminazione del processo. La wait(&status) rileva lo stato di terminazione dei figli, all interno della variabile status, e ritorna il pid del figlio terminato. La execl() sostituisce codice e argomenti del processo chiamante con quelli passati come parametro. Infine, tutte le system call ritornano un valore negativo se falliscono. Coda dei processi pronti Contiene i descrittori (PCB) dei processi pronti (in stato di ready) per essere assegnati alla CPU. Algoritmi di scheduling Gli algoritmi di scheduling hanno lo scopo di gestire la coda dei processi pronti. Vi sono 4 tipi di algoritmi di scheduling, ognuno può prevedere o meno la possibilità di sottrarre la CPU dal processo running per assegnarla ad un altro presente nella coda dei processi pronti. 1) First Come First Serverd: senza prelazione, coda gestita in modo FIFO. 2) Shortest Job First: senza prelazione, si stima il CPU-brust dei processi presenti in coda e si schedula quello con valore di CPU-brust più basso. 3) Scheduling con priorità: con prelazione, si schedula il processo con priorità maggiore o FCFS per quelli di uguale priorità. 4) Round Robin: con prelazione periodica e ciclica per un intervallo di tempo costante. 5) MLFQ: con prelazione, si schedula in base alle priorità suddivise per livelli, ognuno dei quali è gestito con Round Robin (usato in UNIX). 3/9

4 Sincronizzazione in UNIX Perm ette di imporre dei vincoli sulle operazioni interagenti, gestibile tramite segnali da: term inale, da parte di processi o dal kernel (eccezioni HW). Il processo ricevente può ignorare il segnale, eseguire un operazione di default o gestirlo tramite funzione apposita (handler). La system call kill(pid, sig) serve per inviare un segnale sig ad un processo il cui pid è indicato come parametro. E inoltre necessario includere la libreria signal.h. La system call signal(sig, handler) server per associare una particolare funzione, handler, ad un segnale, sig, dato come parametro. Il valore di handler può essere una funzione definita dal programmatore oppure si possono usare le costanti: SIG_IGN, SIG_DFL, SIGKILL e SIGSTOP (che danno l ordine di terminare l esecuzione). La funzione handler deve prevedere sem pre un parametro intero che indica il segnale ricevuto. Altre system call sleep(n) restituisce N meno il numero di secondi passati prima di ricevere un segnale, 0 se non riceve nessun segnale. alarm(n) dopo N secondi invia SIGALARM al processo che la esegue. pause() è come la sleep, ma a tempo infinito. In generale le system call non sono interrompibili a meno che non siano delle slow system call. File system E una parte del sistema operativo che fornisce i meccanismi di accesso e memorizzazione di dati nelle memorie di massa, realizza i concetti astratti di file, direttorio, partizione. File Sono un insieme di record logici di dimensione variabile contenuti all interno di blocchi di dim ensione fissa, la cui corrispondenza è stabilita dal SO. Accesso a file Vi sono 3 tipi di accesso: sequenziale, diretto ad uno specifico record logico o ad indice. Direttorio Un direttorio è una struttura dati adatta a contenere più file e può essere organizzata in varie strutture logiche: a 1 o 2 livelli, ad albero o a grafo ciclico (UNIX). Allocazione blocchi 1) Contigua (blocchi contigui => frammentazione esterna) 2) A lista concatenata (FAT) 3) Ad indice (blocco indice che contiene i puntatori ai vari blocchi - UNIX) File system in UNIX Vi sono 3 tipologie di file system in UNIX: file ordinari, direttori e dispositive fisici. Ogni file è descritto da un i-node ed identificato da un i-number. L i-node contiene attributi come: 1) Tipo di file 2) Data di creazione 3) Proprietario 4) Bit di protezione I blocchi sono allocati ad indice e l intero file system è partizionato in: 5) i-list 6) data block 7) boot block (bootstrap) 8) super block (puntatore ad i-node liberi) Bit di protezione UNIX La protezione in UNIX avviene tramite il controllo dell accesso ad un generico file tramite 12 bit di protezione (i-node), strutturati come segue: suid, sgid, sticky (immagine swappata), (r-w-x) per User, (r-w-x) per Group, (r-w-x) per Others. Gli ultimi 9 bit servono per gestire l accesso in lettura (r), scrittura (w) o esecuzione, 0 per negarlo e 1 per permetterlo. La m odifica dei diritti sui file si realizza tramite4 la system call chmod(). 4/9

5 File descriptor (fd) E un intero che identifica un determinato file aperto. La stdio.h del C definisce di defalut alcuni descrittori di file tra i quali: stdin (0), stdout (1) e stderr (2). System call per accesso a file La open(nomefile, flag, mod_prot) apre un file nella modalità flag (che può essere O_RDONLY, O_WRONLY, O_APPEND), abbinabili tramite il simbolo. Stessa cosa viene realizzata dalla create(nomefile, mod_prot) in cui però il file viene sempre creato ed aperto in scrittura. La close(fd) chiude il file. La read(fd, buff, N) permette di leggere dal file, identificato da fd, N byte all interno del buffer buff, fornito come parametro; la read restituisce il numero di byte effettivamente letti. La write(fd, buff, N) permette di scrivere sul file, identificato da fd, N byte dal buffer buff, fornito come parametro. La lseek(fd, offset, origine) permette di s postare l I/O pointer di offset byte rispetto all origine che può valere SEEK_SET (=0), SEEK_CUR (=1), SEEK_END (=2). Comunicazione processi UNIX Avviene mediate PIPE o FIFO essendo UNIX ad ambiente locale. La PIPE è un canale di com unicazione unidirezionale (o bidirezionale ma va gestito), a capacità limitata, la com unicazione avviene in m odo indiretto tra processi appartenenti alla stessa gerarchia, la sincronizzazione è automatica. La system call pipe(fd) crea un pipe il cui descrittore deve essere un vettore di 2 interi; modalità: int fd[2], dove fd[0] è usato per la lettura e fd[1] per la scrittura. Tramite la close(fd[n]), dove n è 0 o 1, è possibile chiudere un lato della PIPE. La FIFO, invece, ha visibilità globale, è persistente ed unidirezionale. La system call m kfifo(nomefifo, mod_prot) permette di creare una FIFO; per l accesso in lettura o scrittura ci si com porta come un file generico tranne che per l eliminazione che viene fatta nella m odalità: unlink( NomeFifo ). Apertura di un file in UNIX In UNIX esistono essenzialmente 3 strutture dati globali: 1) Tabella dei file attivi 2) Tabella dei file aperti di sistema 3) Tabella dei file aperti di processo Nel m omento in cui si apre un file da un processo il sistema realizza le seguenti azioni: 1. Crea un nuovo elemento nella tabella dei file aperti di processo e di sistema 2. Copia i-node del file che si sta aprendo nella tabella dei file attivi Binding Il binding è l associazione tra indirizzo logico e indirizzo fisico di una risorsa, è compito del sistema operativo e può essere realizzato in modo statico o dinamico. Frammentazione esterna Realizzando la segmentazione della memoria, con l'andare del tempo e il susseguirsi dei processi in esecuzione, la memoria viene allocata e deallocata in blocchi di varie dimensioni che lasciano un sempre maggior numero di "buchi" vuoti, troppo piccoli per poter essere utilm ente allocati. Questo provoca una frammentazione, detta esterna, della memoria. Allocazione della memoria centrale La m emoria centrale può essere allocata in maniera: 1) Contigua con partizione singola (no multiprogrammazione) con partizione multipla (sì multiprogrammazione, quindi: protezione spazio di indirizzamento; partizioni variabili o fisse per ogni processo) 2) Non contigua con paginazione (se la dimensione della pagina è troppo grane di ha una fram mentazione interna) con segmentazione (struttura indirizzo: segmento + offset, porta ad un fram mentazione esterna) con segmentazione paginata (spazio logico suddiviso in segmenti che, a loro volta, sono suddivisi in pagine; adottato in Linux) 5/9

6 Memoria virtuale La m emoria virtuale consente uno spazio virtuale illimitato e si realizza mediante paginazione su richiesta, cioè in base al bisogno. In realtà è possibile utilizzare anche al tecnica della segmentazione (con il difetto della frammentazione esterna), ma la paginazione è il metodo più adottato. Il meccanismo è il seguente. Quando il bit di validità di una pagina va a 0 (pagina invalida) viene lanciato un interrupt software page fault per il quale la pagina viene caricata sul primo frame libero della memoria centrale, così il processo può riprendere l esecuzione come se niente fosse. Se non si trova un frame libero, si usa il metodo di sovrallocazione. Metodo di sovrallocazione Consiste nel scegliere una vittima (pagina) dalla memoria centrale e salvarla sul disco per far posto alla nuova. La scelta della vittima avviene tramite 3 algoritmi: FIFO, Last Frequency Used (meno frequenti), Last Recently Used (meno recenti). Mutua esclusione La m utua esclusione impone che le operazioni con le quali i processi accedono a variabili com uni non si sovrappongano nel tempo. La sezione critica è l insieme delle istru zioni di accesso e modifica di tali variabili comuni. Più sezioni critiche formano una classe di sezioni critiche. Soluzioni alla mutua esclusione 1) Disabilitazione delle interruzioni durante le sezioni critiche (non corretta) 2) Utilizzo di una variabile booleana libero (non corretta) Prologo: libero = 0 (prima della sezione critica) Epilogo: libero = 1 (dopo la sezione critica) 3) Utilizzo di una variabile intera turno che può assumere i valori 1 o 2 (non corretta) Ogni processo attende il proprio turno (esaminando la variabile turno) prima di accedere alla sezione critica 4) Due variabili busy inizializzate a 0 che diventano a 1 durante la sezione critica (non corretta) 5) Algoritmo di Dekker (corretta) Utilizza 2 variabili busy e una variabile turno Starvation-free, in quanto al sezione critica è accessibile solo per un tempo finito 6) Algoritmo di Peterson (corretta) 7) Utilizzo di lock(x) e unlock(x): lock(x) = salva il valore di x, assegna un nuovo valore ad x (maggiore di 0), controlla che il valore salvato sia uguale 0, altrimenti ricomincia unlock(x) = pone x a 0 struttura: lock(x); <sezione critica> unlock(x); Istruzioni indivisibili 8) Utilizzo dei semafori, monitor o clausola synchronized Definizione di Semaforo Il semaforo è uno strumento di sincronizzazione tra thread. Si tratta di una struttura dati accessibile solo tramite le operazioni (primitive) p e v. L istruzione p serve a verificare lo stato del semaforo: se il suo valore è positivo, questo viene decrementato di un unità e il processo prosegue l esecuzione; se il valore è nullo, il processo viene sospeso e il suo PCB viene inserito nella coda del semaforo. L istruzione v serve a risvegliare eventuale processi sospesi: se non esistono processi nella coda, il valore del semaforo viene aumentato di 1; altrimenti, estrae il primo processo in coda e lo riattiva. La v è sospensiva se si risveglia un processo con priorità maggiore rispetto ad uno già attivo. 6/9

7 Realizzazione del Semaforo typedef struct int value; queue Qs; int lock; // Inizializzato ad 1 semaphore; void p (semaphore *s) lock(s->lock); if(s->value == 0) unlock(s->lock); <aggiunta del processo in s->qs> lock(s->lock); else s->value--; unlock(s->value); void v (semaphore *s) lock(s->lock); if(<s->qs non è vuota>) <Il primo processo in s->qs viene risvegliato e tolto dalla coda> else s->value++; unlock(s->lock); Semaforo mutex Il semaforo mutex, o binario o di mutua esclusione, può assumere solo i valori 0 o 1 e serve ad assicurare la mutua esclusione su una risorsa R. Utilizzo: p(&mutex); <sezione critica> v(&mutex); Thread in Java Ogni programma in Java ha almeno un thread, il main. Sono realizzabili in due modi: estendendo la classe Thread o, se la classe è già estesa, implementando l interfaccia Runnable. I threads appartenente allo stesso processo condividono le stesso spazio di indirizzamento, quindi hanno le stesse variabili globali ma diverse variabili locali. Possibile schema: public class SimpleThread extends Thread public SimpleThread() super(); public void run () <corpo programma eseguito da ogni thread di questa classe> public class 2Threads public static void main(string[] args) Sim plethread t1 = new Sim plethread(); t1.start(); // invoca il metodo run JVM La JVM è l interprete del linguaggio intermedio (bytecode), si tratta di una macchina virtuale m ultiprogrammata e che supporta il multithreading (NB: non tutti i sistemi multiprogrammati forniscono il supporto ai threads). Inoltre la JVM implementa i thread a livello utente o kernel in base alle caratteristiche del sistema operativo, rendendo i programmi indipendenti. 7/9

8 Variabili condizione Si tratta di uno strumento di sincronizzazione che permette ai threads di sospendere la propria esecuzione in attesa che sia soddisfatta una condizione logica. Ogni variabili condizione rappresenta una coda, senza stato, di thread sospesi volontariamente tramite la prim itiva wait e risvegliati con la signal. Tale meccanismo viene anche utilizzato in Java. Gestione I/O a controllo di programma Il processo applicativo per gestione dell input/output realizza le seguenti operazioni: 1) Prepara un comando 2) Inivia il comando 3) Attende la fine del comando, tramite un do; while (flag==0); detto ciclo di attesa attiva. 4) Controlla se tutti i dati sono stati inviati, altrimenti torna al punto (1) Come si vede dal punto (3), è il programma applicativo che si occupa di verificare lo stato dell operazione tramite i registri del controllore e, per questo motivo, viene chiamato a controllo di programma. Questo tipo di gestione non è adatta per un sistema m ultiprogrammato dove, per evitare le attese attive, un processo che per proseguire attende un particolare evento viene sospeso (tramite una context switch) e riattivato al termine di tale operazione. Gestione I/O basata su interruzioni Per evitare che il processo applicativo rimanga in attesa sul flag in maniera attiva, è possibile associare ad ogni dispositivo un semaforo inizializzato a 0 e sostituire al ciclo di attesa una wait su tale semaforo. In questo modo il processo si sospende quindi, quando sarà presente il dato nei registri del controllore, sarà lui stesso a notificare il processo applicativo e a risvegliarlo. Essendo il controllore un processo esterno in realtà non in esecuzione, è necessario affidare alla funzione di gestione delle interruzioni del dispositivo il compito di eseguire la signal sul semaforo e risvegliare il processo applicativo appena si verifica la transizione del flag da 0 a 1, tramite interrupt hardware. Per fare ciò è necessario abilitare il dispositivo alle interruzioni. Blocco critico Quando un processo A richiede una risorsa trattenuta da un processo B che è a sua volta in attesa di una risorsa del processo A (attesa circolare). I metodi del trattamente del blocco critico consistono nel prevenire, in maniera statica o dinamica il blocco, o individuare il blocco e successivamente ripristinare il corretto funzionamento. La prevenzione statica avviene m ediante 3 meccanismi: 1) Ogni processo dichiara all inizio le risorse che necessita e prosegue solo se sono tutte disponibili; 2) Nel m omento in cui un processo attende una risorsa, rilascia le proprie; 3) Sfruttare una gerarchia a livelli. La prevenzione dinamica si basa su algoritmi in grado di capire se si sta per verificare un blocco critico (es. algoritmo del banchiere) Synchronized in Java Quando si opera su un oggetto condiviso in mutua esclusione (sincronizzazione indiretta), è necessario usare la clausola synchronized. Si basa sul fatto che ad ogni oggetto la JVM associa un lock ed una entry set (insieme di threads in attesa del lock). La clausola si usa: Su un blocco: synchronized (obj) Su un m etodo di una classe: public synchronized nomefunzione () Concetto chiave: due metodi entrambi synchronized non possono essere eseguiti contemporaneamente sullo stesso oggetto. I due modi di utilizzo non sono indipendenti: un m etodo dichiarato synchronized in realtà è un metodo standard il cui intero corpo viene m esso all interno di un blocco synchronized(this), controllato dall oggetto su cui il m etodo viene eseguito. Un metodo synchronized può richiamare un altro metodo synchronized sullo stesso oggetto senza bloccarsi, per evitare il blocco critico. 8/9

9 Wait e Notify in Java All'interno di un blocco/metodo synchronized è possibile realizzare una sincronizzazione diretta tramite i m etodi: 1) wait(), che rilascia il lock sull oggetto, sospende il thread e lo inserisce nella wait set dell oggetto, che la JVM associa ad ogni oggetto (deve essere usato all interno di un try-catch (InterruptException e) ) 2) notify(), che sposta il thread dalla wait set alla entry set, in modo che possia riacquisire il lock ed eseguire; se la wait set dell oggetto è vuota: nessuna azione. 3) notifyall(), che porta nella entry set tutti i threads della wait set dell oggetto Il lock viene rilasciato solo al termine del blocco/metodo synchronized e la wait set trattiene i threads per un tempo massimo di time-out, dopo il quale essi vengono comunque risvegliati. Infine si noti che con la notifyall() è necessario inserire la wait all interno di un ciclo per valutare la condizione, visto che un semplice if non basterebbe. 9/9