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1 Indice generale. Prefazione XIX Ringraziamenti dell Editore XXI Guida alla lettura XXII Parte 1 - Panoramica 2 1 Introduzione Viste di un sistema operativo Obiettivi di un SO Uso efficiente Convenienza per l utente Assenza di interferenze Funzionamento di un SO Gestione dei programmi Gestione delle risorse Sicurezza e protezione Introduzione del libro Introduzione ai sistemi operativi Gestire le elaborazioni degli utenti Gestione della memoria Gestione dei file e dei dispositivi di I/O Sistemi operativi distribuiti 22 Riepilogo 23 Domande 24 Problemi 24 Note bibliografiche 25 2 Il SO, il computer e i programmi utente Principi fondamentali del funzionamento di un SO Il computer La CPU Memory Management Unit (MMU) Gerarchia della memoria Input/Output Interrupt Interazione del SO con il computer e i programmi utente Controllare l esecuzione dei programmi 42

2 Indice VII Servire gli interrupt System call 47 Riepilogo 50 Domande 51 Problemi 51 Note bibliografiche 52 3 Panoramica dei sistemi operativi Ambienti di elaborazione e natura delle elaborazioni Classi di sistemi operativi Efficienza, prestazioni del sistema e servizio per l utente Sistemi di elaborazione batch Sistemi multiprogrammati Priorità dei programmi Sistemi time-sharing Swapping dei programmi Sistemi operativi real-time Sistemi hard e soft real-time Caratteristiche di un sistema operativo real-time Sistemi operativi distribuiti Tecniche speciali di sistemi operativi distribuiti Moderni sistemi operativi 77 Riepilogo 79 Domande 79 Problemi 80 Note bibliografiche 83 4 Struttura dei sistemi operativi Funzionamento di un SO Struttura di un sistema operativo Politiche e meccanismi Portabilità ed espandibilità dei sistemi operativi Sistemi operativi con struttura monolitica Sistemi operativi strutturati a livelli Macchina virtuale e sistemi operativi Sistemi operativi basati su kernel Evoluzione della struttura basata su kernel Sistemi operativi basati su microkernel Casi di studio Architettura di Unix Il Kernel di Linux Il Kernel di Solaris Architettura di Windows 107 Riepilogo 108 Domande 109 Problemi 109 Note bibliografiche 109

3 VIII Indice Parte 2 - Gestione dei processi Processi e thread Processi e programmi Cosa è un processo? Relazioni tra processi e programmi Processi figli Concorrenza e parallelismo Implementazione dei processi Stati del processo e transizioni di stato Il contesto del processo e il process control block Salvataggio del contesto, scheduling e dispatching Gestione degli eventi Condivisione, comunicazione e sincronizzazione tra processi Segnali Thread Thread POSIX Thread di livello kernel, di livello utente e ibridi Casi di studio: processi e thread Processi in Unix Processi e thread in Linux Thread in Solaris Processi e thread in Windows 163 Riepilogo 165 Domande 166 Problemi 166 Laboratorio: implementare una shell 168 Note bibliografiche Sincronizzazione dei processi: memoria condivisa Che cos è la sincronizzazione dei processi? Race condition Sezioni critiche Proprietà dell implementazione di una sezione critica Controllo della sincronizzazione e operazioni indivisibili Approcci alla sincronizzazione Ciclare o bloccare Supporto hardware per la sincronizzazione dei processi Approcci algoritmici, primitive di sincronizzazione e costrutti di programmazione concorrente Struttura dei sistemi concorrenti Problemi classici di sincronizzazione dei processi Produttori-consumatori con buffer limitati Lettori e scrittori I filosofi a cena Approccio algoritmico per implementare le sezioni critiche 197

4 Indice IX Algoritmi per due processi Algoritmi per n processi Semafori Uso dei semafori nei sistemi concorrenti Produttori-consumatori usando i semafori Lettori-scrittori utilizzando i semafori Implementazione dei semafori Un esempio di problema di sincronizzazione Soluzione Il codice C Monitor Monitor in Java Casi di studio relativi alla sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei thread POSIX Sincronizzazione dei processi in Unix Sincronizzazione dei processi in Linux Sincronizzazione dei processi in Solaris Sincronizzazione dei processi in Windows 228 Riepilogo 230 Domande 231 Problemi 232 Laboratorio 1: sincronizzazione 236 Laboratorio 2: comunicazione tra processi 236 Laboratorio 3: scheduler del disco 237 Note bibliografiche Scheduling Scheduling: terminologia e concetti Tecniche fondamentali di scheduling Il ruolo della priorità Politiche di scheduling nonpreemptive Scheduling FCFS Scheduling Shortest Job First (SJF) Scheduling Highest Response Ratio Next (HRN) Politiche di scheduling preemptive Scheduling Round-Robin con Time-Slicing (RR) Scheduling Least Completed Next (LCN) Scheduling Shortest Time to Go (STG) Scheduling in pratica Scheduler a lungo, medio e breve termine Strutture dati e meccanismi di scheduling Scheduling basato su priorità Scheduling Round-Robin con Time-Slicing Scheduling multilivello Scheduling fair share Prelazionabilità del kernel Scheduling: euristiche 263

5 X Indice Gestione del consumo di energia Scheduling real-time Precedenze e schedulabilità di un processo Scheduling della deadline Scheduling rate monotonic Casi di studio Scheduling in Unix Scheduling in Solaris Scheduling in Linux Scheduling in Windows Analisi delle prestazioni delle politiche di scheduling Analisi della prestazione attraverso implementazione Simulazione Modellazione matematica 280 Riepilogo 284 Domande 285 Problemi 286 Problemi avanzati 289 Note bibliografiche Deadlock Definizione di deadlock I deadlock nell allocazione delle risorse Condizioni per un deadlock di risorsa Modelli dello stato di allocazione delle risorse Gestione dei deadlock Individuazione e risoluzione dei deadlock Un algoritmo di individuazione dei deadlock Risoluzione dei deadlock Prevenzione dei deadlock Allocazione globale Ranking delle risorse Evitare i deadlock Algoritmo del banchiere con allocazioni variabili Soluzione Caratterizzazione dei deadlock delle risorse tramite i modelli a grafi Sistemi Singola-Istanza, Singola-Richiesta (SISR) Sistemi Istanza-Multipla, Singola-Richiesta (MISR) Sistemi Singola-Istanza, Richiesta-Multipla (SIMR) Sistemi Istanza-Multipla, Richiesta-Multipla (MIMR) Processi in deadlock Casi di studio Gestione dei deadlock in Unix Gestione dei deadlock in Windows 323 Riepilogo 324 Domande 325

6 Indice XI Problemi 325 Problemi avanzati 329 Note bibliografiche Sincronizzazione dei processi: message passing Panoramica sul message passing Denominazione diretta e indiretta Send bloccanti e non-bloccanti Eccezioni nel message passing Implementazione del message passing Buffering dei messaggi tra processi Consegna dei messaggi tra processi Mailbox Protocolli di alto livello che utilizzano il message passing Il Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Remote Procedure Call (RCP) Standard del message passing per la programmazione parallela Casi di studio Message passing in Unix Message passing in Windows 349 Riepilogo 351 Domande 351 Problemi 352 Note bibliografiche Sincronizzazione e scheduling nei sistemi operativi multiprocessore Architettura dei sistemi multiprocessore Architettura SMP Architettura NUMA Problematiche nei sistemi operativi multiprocessore Struttura del kernel Sincronizzazione dei processi Hardware speciale per la sincronizzazione dei processi Uno schema di software scalabile per la sincronizzazione dei processi Scheduling dei processi Casi di studio Mach Linux Supporto SMP in Windows 376 Riepilogo 378 Domande 378 Problemi 379 Note bibliografiche 379

7 XII Indice Parte 3 - Gestione della memoria Gestione della memoria Gestione della gerarchia di memoria Allocazione statica e dinamica della memoria Esecuzione dei programmi Rilocazione Linking Tipologie di programmi utilizzate nei sistemi operativi Allocazione della memoria a un processo Stack e heap Il Modello di allocazione della memoria Protezione della memoria Gestione dell heap Riuso della memoria Buddy system e allocatori potenza del Confronto tra allocatori di memoria Gestione dell heap in Windows Allocazione contigua della memoria Allocazione non contigua della memoria Indirizzo logico, indirizzo fisico e traduzione di indirizzo Approcci all allocazione non contigua della memoria Protezione della memoria Paginazione Segmentazione Segmentazione con paginazione Allocazione della memoria del kernel Utilizzo efficiente della RAM idle 428 Riepilogo 428 Domande 429 Problemi 430 Problemi avanzati 432 Note bibliografiche Memoria virtuale Principi di base della memoria virtuale Paginazione su richiesta Paginazione su richiesta: concetti preliminari Supporto hardware alla paginazione Organizzazione pratica delle tabelle delle pagine Operazioni di I/O in ambiente paginato Il gestore della memoria virtuale Panoramica del funzionamento del gestore della memoria virtuale Politiche di sostituzione delle pagine Esempi realistici di politiche di sostituzione delle pagine Controllo dell allocazione di memoria per un processo 475

8 Indice XIII 12.6 Pagine condivise Copy-on-write File mappati in memoria Casi di studio Memoria virtuale in Unix Memoria virtuale in Linux Memoria virtuale in Solaris Memoria virtuale in Windows Memoria virtuale con uso di segmentazione Gestione della memoria Condivisione e protezione Segmentazione con paginazione 496 Riepilogo 497 Domande 498 Problemi 500 Laboratorio: simulazione di un gestore della memoria virtuale 503 Problemi avanzati 504 Note bibliografiche 505 Parte 4 - File system e gestione dell I/O File system Elaborazione dei file: una panoramica File system e IOCS Elaborazione dei file in un programma File e operazioni sui file Fondamenti dell organizzazione dei file e metodi di accesso Organizzazione sequenziale dei file Organizzazione diretta dei file Organizzazione dei file indicizzata Metodi di accesso Directory Alberi di directory Grafi di directory Operazioni sulle directory Organizzazione delle directory Montaggio dei file system Protezione dei file Allocazione dello spazio sul disco Allocazione concatenata Allocazione indicizzata Il problema delle prestazioni Interfaccia tra file system e IOCS Elaborazione dei file Azioni del file system per la open Azioni del file system durante un operazione su file Azioni del file system per la close 543

9 XIV Indice Semantiche della condivisione dei file Affidabilità del file system Perdita di consistenza del file system Approcci all affidabilità del file system Journaling file system File system virtuale Casi di studio File system Unix File system di Linux File system di Solaris File system di Windows Prestazioni dei file system File system di tipo log-structured 571 Riepilogo 572 Domande 574 Problemi 574 Problemi avanzati 577 Note bibliografiche Implementazione delle operazioni su file Livelli dell input-output control system Panoramica dell organizzazione dell I/O Dispositivi di I/O Nastri magnetici Dischi magnetici Tecniche di organizzazione dei dati Tecnologie di collegamento dei dischi RAID Dischi ottici I/O a livello di dispositivo Programmazione dell I/O IOCS fisico Dispositivi logici Strutture dati del IOCS fisico Organizzazione del IOCS fisico Implementazione del IOCS fisico Driver di dispositivo Scheduling del disco Tempo di trasferimento nello scheduling del disco Soluzione Buffering dei record Blocking dei record Metodi di accesso Cache del disco e dei file Cache del disco unificata Casi di studio Unix 631

10 Indice XV Linux Windows 635 Riepilogo 638 Domande 639 Problemi 640 Problemi avanzati 642 Note bibliografiche Sicurezza e protezione Sicurezza e protezione: introduzione Obiettivi di sicurezza e protezione Minacce alla sicurezza e alla protezione Attacchi alla sicurezza Cavalli di Troia, virus e worm Tecnica del buffer overflow Aspetti formali di sicurezza Cifratura Attacchi ai sistemi di crittografia Tecniche di cifratura Autenticazione e sicurezza delle password Strutture di protezione Granularità della protezione Matrice di controllo degli accessi Liste di controllo degli accessi (ACL) Capability lists (C-list) Dominio di protezione Capabilities Sistemi basati su capability Capability software Aree critiche nell uso delle capability Classificazione della sicurezza informatica Casi di studio MULTICS Unix Linux Windows 682 Riepilogo 684 Domande 685 Problemi 686 Note bibliografiche 687 Parte 5 - Sistemi operativi distribuiti Sistemi operativi distribuiti Caratteristiche dei sistemi distribuiti Nodi di un sistema distribuito Integrazione dell attività dei nodi di un sistema distribuito 696

11 XVI Indice 16.4 Comunicazione affidabile tra processi Naming dei processi Semantica dei protocolli di comunicazione Protocolli IPC Paradigmi di calcolo distribuito Elaborazione client-server Chiamate a procedura remota Remote evaluation Casi di studio Networking Tipi di rete Topologia di rete Tecnologie di rete Strategie di connessione Instradamento Protocolli di rete Larghezza e latenza della banda di rete Modello di un sistema distribuito Problematiche progettuali di un sistema operativo distribuito 730 Riepilogo 732 Domande di riepilogo 734 Problemi 734 Note bibliografiche Problematiche teoriche di un sistema distribuito Le nozioni di tempo e stato Stati ed eventi in un sistema distribuito Stato locale e stato globale Gli eventi Tempo, clock e precedenze tra eventi Precedenza tra eventi Clock logici Vettori di clock Registrazione dello stato di un sistema distribuito Proprietà di uno state recording consistente Un algoritmo per la registrazione di state recording consistenti 751 Riepilogo 755 Domande 756 Problemi 757 Note bibliografiche Algoritmi di controllo distribuiti Funzioni degli algoritmi di controllo distribuiti Correttezza degli algoritmi di controllo distribuiti Mutua esclusione distribuita L algoritmo di Ricart e Agrawala 765

12 Indice XVII Algoritmi di mutua esclusione che utilizzano un token Gestione dei deadlock distribuiti Problemi delle tecniche centralizzate per la rilevazione dei deadlock Rilevazione dei deadlock distribuiti Prevenzione dei deadlock distribuiti Algoritmi di schedulazione distribuiti Rilevazione distribuita della conclusione Algoritmi di elezione Problemi pratici nell uso degli algoritmi di controllo distribuiti Gestione delle risorse Migrazione dei processi 787 Riepilogo 788 Domande 789 Problemi 789 Note bibliografiche File system distribuiti Problematiche di progetto in un file system distribuito Funzionalità di un file system distribuito Trasparenza Semantica della condivisione dei file Tolleranza ai guasti Disponibilità Guasti su client e server File server stateless Prestazioni di un FSD Accesso a file efficiente File caching Scalabilità Casi di studio Il network file system di Sun I file system Andrew e Coda GPFS Windows 817 Riepilogo 817 Domande 819 Problemi 819 Note bibliografiche Sicurezza nei sistemi distribuiti Problematiche di sicurezza in un sistema operativo distribuito Politiche e meccanismi per garantire la sicurezza Attacchi alla sicurezza di un sistema distribuito Sicurezza dei messaggi Distribuzione delle chiavi 830

13 XVIII Indice Prevenzione degli attacchi basati su replicazione dei messaggi Autenticazione reciproca Autenticazione di dati e messaggi Autorità di certificazione e certificati digitali Codici per l autenticazione dei messaggi e firme digitali Autenticazione basata su entità esterne Kerberos Secure sockets layer (SSL) 840 Riepilogo 842 Domande 843 Problemi 844 Note bibliografiche 845 Indice analitico 848

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