Introduzione ai Sistemi Operativi

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1 Introduzione ai Sistemi Operativi Daniel P. Bovet, Vito Asta corso di Sistemi Operativi Facoltà di Ingegneria Università di Roma 1 La Sapienza - sede di Latina Anno Accademico Versione 0.7, aprile 2003 Il materiale contenuto in queste dispense è soggetto al copyright GNU GENERAL PUBLIC LICENSE

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(This alternative is allowed only for noncommercial distribution and only if you received the program in object code or executable form with such an offer, in accord with Subsection b above.) The source code for a work means the preferred form of the work for making modifications to it. For an executable work, complete source code means all the source code for all modules it contains, plus any associated interface definition files, plus the scripts used to control compilation and installation of the executable. However, as a special exception, the source code distributed need not include anything that is normally distributed (in either source or binary form) with the major components (compiler, kernel, and so on) of the operating system on which the executable runs, unless that component itself accompanies the executable. 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4 Indice 1 Classificazione dei Sistemi Operativi Introduzione Definizione e ruolo di un Sistema Operativo Software di base Classificazione dei Sistemi Operativi Gestione a lotti Gestione a lotti multiprogrammata Sistemi a partizione di tempo Sistemi personali Sistemi transazionali Sistemi di controllo di processi Una classificazione complementare Sistemi di sviluppo Sistemi paralleli Sistemi distribuiti Sistemi in tempo reale Sviluppi futuri Struttura dei Sistemi Operativi Introduzione Standardizzazione e Sistemi Aperti Componenti di un Sistema Operativo Gestione dei processi Gestione della memoria primaria Gestione della memoria secondaria Gestione del sistema di I/O i

5 ii INDICE Gestione dei file system Sistema di protezione Networking L interprete di comandi Servizi e funzionalità di un Sistema Operativo Panoramica delle chiamate di sistema Chiamate di sistema e API Implementazione di un Sistema Operativo La programmazione di sistema Struttura dei Calcolatori Elettronici Introduzione Architettura dei sistemi di calcolo Interruzioni hardware Interruzioni software I due modi della CPU Protezioni hardware Protezione della CPU Protezione della memoria Protezione dell I/O Acceso diretto alla memoria (DMA) Dispositivi di memorizzazione Il caching Appendice - Gestione dello Stack Software di Base Introduzione Messa a punto di programmi Assemblatori, compilatori e interpreti Linkaggio di programmi Librerie statiche e dinamiche Immissione di programmi Caricamento in memoria di un file eseguibile Supporto durante l esecuzione Salvataggio/ripristino di dati Amministrazione del sistema

6 INDICE iii 5 Il File System Introduzione Ruolo di un file system Protezione delle informazioni Strutturazione di un file system Struttura dei file Struttura dei nomi di file Attributi dei file Struttura e implementazione delle cartelle Operazioni su file e cartelle Implementazione dei file system Dimensione dei blocchi Allocazione di blocchi ai file Gestione dello spazio libero Ottimizzazione delle prestazioni Il file system di Unix Strutturazione del file system File e cartelle Link hard e soft Tipi di file Inode, i-number, descrittore di file Diritti d accesso e file mode Chiamate di sistema per la gestione di file Apertura di un file Indirizzamento di un file Chiusura di un file Cambiamento di nome e cancellazione di file Esempi Appendice - Funzioni di hashing

7 iv INDICE 6 Interfaccia con l Utente Introduzione Interfaccia a menu Interfaccia a comandi Lo shell di Unix Struttura dello shell Interfacce grafiche Interfacce grafiche per Unix Interfaccia grafica o a comandi Gestione dei Processi e della CPU Introduzione Multitasking Cicli di uso della CPU e di I/O Processi Operazioni su processi Stati di un processo Eventi e risorse Descrittore di processo Cambio di contesto Thread Scheduling di processi Code di scheduling Tipi di scheduler Criteri di scheduling Scheduling a breve termine Algoritmi di scheduling della CPU Scheduling a lungo termine Processi Concorrenti Introduzione Programmi concorrenti Controllo di processi in Unix Sincronizzazione tra processi Ruolo delle risorse consumabili

8 INDICE v Paradigma della mutua esclusione Paradigma produttore/consumatore Primitive di sincronizzazione Primitive di sincronizzazione in Unix Stallo tra processi Programmazione in tempo reale Spazio degli Indirizzi di un Processo Introduzione Indirizzi e regioni Modifiche dello spazio degli indirizzi Linking dinamico Mapping di file in memoria Altri tipi di mapping Struttura Interna del Nucleo Introduzione Nucleo e processi Che cosa è il Nucleo Ruolo dei segnali di interruzione Gestori delle interruzioni Implementazione delle chiamate di sistema Descrittori di risorse Interrompibilità del Nucleo Microkernel e kernel monolitici Implementazione dei processi in Linux Scelta del linguaggio di programmazione Gestione della Memoria Primaria Introduzione Indirizzamento della RAM Paginazione Indirizzi logici riservati ai programmi del Nucleo L algoritmo Buddy System Estensioni del Buddy System Demand Paging Swapping

9 vi INDICE 12 Gestione della Memoria Secondaria Introduzione Gestione dello spazio su disco Scheduling del disco Scheduling FCFS Scheduling SSTF Scheduling SCAN Scheduling C-SCAN Scheduling LOOK e C-LOOK Gestione dei dischi Formattazione dei dischi Gestione del blocco di bootstrap Gestione dei blocchi difettosi Gestione della zona di swap Gestione dei Dispositivi di I/O Introduzione Architettura di I/O Dispositivi di I/O riconosciuti dal file system Programmazione di un device file Supporto del Nucleo Sincronizzazione tra CPU e dispositivo di I/O Uso di cache nei driver per dischi

10 Elenco delle tabelle 4.1 Confronto tra linguaggi compilati e interpretati Differenza di produttività indotta dal multitasking Esempio di processi per l algoritmo di scheduling SJF Esempio di processi per gli algoritmi di scheduling SJF e RR vii


12 Elenco delle figure 1.1 Componenti di un sistema di calcolo - schema Organizzazione della memoria RAM per un sistema batch monoprogrammato Organizzazione della memoria RAM per un sistema batch multiprogrammato Stati dei task in un sistema a partizione di tempo Schema architetturale di un sistema SMP Esecuzione di una chiamata di sistema mediante Trap API, chiamate di sistema e Nucleo Architettura di un sistema di calcolo Struttura della ALU Struttura fisica di un disco Gerarchia dei dispositivi di memorizzazione Organizzazione di uno stack Un esempio di riferimenti tra moduli Un esempio di collegamento tra moduli Fasi di messa a punto di un programma Organizzazione di un file system di Unix Collocazione dei file nello spazio dei nomi Tecnica delle tabelle di hashing Architettura minima di riferimento per un sistema concorrente Un esempio di esecuzione multitasking di programmi Stati di un processo e relative transizioni ix

13 x ELENCO DELLE FIGURE 7.4 Commutazione e cambio di contesto tra due processi Code di scheduling dei processi Migrazione dei processi tra le code di scheduling Diagramma degli stati dei processi e ruolo degli scheduler Punti di intervento dello scheduler di CPU Scheduling FCFS, primo caso Scheduling FCFS, secondo caso Scheduling FCFS, senza prelazione Scheduling FCFS, con prelazione Scheduling SJF, confronto con RR Scheduling RR Un esempio di sincronizzazione tra processi Creazione di una pipe e condivisione con un processo figlio Interazione tra processi di sistema in un sistema per la gestione a lotti Esempio di stallo tra due processi Spazio degli indirizzi di un processo Struttura interrupt driven del Nucleo Esecuzione di una chiamata di sistema da parte del Nucleo Esecuzione annidata di programmi del Nucleo Chiamata di sistema che pone il processo in uno stato di attesa Esecuzione di un processo prioritario con gestione interruzione incompiuta Interazione client/server tra processo utente e processo di sistema Trasformazione di un indirizzo logico in un indirizzo fisico Swapping Architettura di I/O

14 Premessa La presente dispensa è una versione derivata da quella omonima scritta dal Prof. Daniel P. Bovet, con adattamenti ed ampliamenti a cura dell ing. Vito Asta, ed è destinata ai corsi di Sistemi Operativi tenuti da quest ultimo per i corsi di laurea e di laurea specialistica in Ingegneria Gestionale, Ingegneria delle Telecomunicazioni e Ingegneria Elettronica dell Università Tor Vergata - Roma 2, nonché per i corsi di laurea in Ingegneria Informatica e Ingegneria delle Telecomunicazioni dell Università La Sapienza - Roma 1 (sede distaccata di Latina). La maggior parte degli argomenti trattati è accompagnata, ovunque possibile, con esempi concreti di codice in ambiente Unix/Linux, in particolare per illustrare l uso reale delle chiamate di sistema o funzioni di libreria trattate. Ogni esempio di codice è preceduto dalla sua esposizione sintetica in pseudo-codice, per facilitarne la comprensione ed eventualmente per permettere anche al lettore non pratico del linguaggio C di capirne il significato e la logica. Nel testo, i riferimenti a comandi, chiamate di sistema e funzioni di libreria sono annotati in questa font di caratteri; i corrispondenti riferimenti a pagine di manuale sono invece annotati secondo la convenzione invalsa nella documentazione del Sistema Operativo Unix, nome(sezione). Così read() è un generico riferimento alla omonima chiamata di sistema, mentre read(2) è un riferimento alla relativa pagina di manuale, nella sezione 2 (e quindi un esplicito invito al lettore a consultarla). Per informazioni sulla strutturazione delle sezioni della manualistica Unix, si veda Asta [3]. La dispensa è al momento in uno stato non ancora definitivo; pertanto alcuni degli argomenti sono accennati solo schematicamente. Lo studente è invitato, per queste parti, a far riferimento alle dispense dalle lezioni, pubblicate sul sito WEB del corso: 1

15 Capitolo 1 Classificazione dei Sistemi Operativi 1.1 Introduzione Lo studio del software di base in generale e dei Sistemi Operativi in particolare si rivela complesso in quanto doppiamente condizionato, sia dalla architettura (hardware) del calcolatore per cui è progettato tale software, sia dalle diverse esigenze dell utenza a cui il sistema finale (hardware più software) è destinato. L approccio seguito in questo testo è quello di scindere, per quanto possibile, le esigenze dell utenza, e quindi le caratteristiche funzionali del software di base, dalle tecniche di realizzazione. A tale scopo, si introducono in questo capitolo alcuni concetti preliminari attinenti alla definizione stessa e al ruolo di un Sistema Operativo, quindi all area del software di base; successivamente si illustrano, prescindendo dai criteri realizzativi, le funzionalità di varie classi di Sistemi Operativi, mettendo in evidenza al tempo stesso l evoluzione storica che tali sistemi hanno subìto in funzione delle innovazioni tecnologiche conseguite. Tecnicamente parlando, un Sistema Operativo consiste essenzialmente in quattro moduli principali: un programma di inizializzazione che viene eseguito quando viene avviato l elaboratore 1 ; un Nucleo che esegue chiamate di sistema, ossia particolari procedure mediante le quali i programmi possono richiedere uno dei vari servizi offerti dal Nucleo 2 ; un sistema d archiviazione (file system) 3 ; un interfaccia che consente all utente di esprimere le proprie richieste 4. 1 Questo argomento è trattato nel Paragrafo 10.3 pag Argomento trattato nel Paragrafo pag Argomento trattato nel Capitolo 5. 4 Argomento trattato nel Capitolo 6. 2

16 1.2. DEFINIZIONE E RUOLO DI UN SISTEMA OPERATIVO 3 In effetti, i testi di Sistemi Operativi più accreditati si limitano a trattare i suddetti argomenti. Dato il carattere introduttivo di questo testo, si ritiene tuttavia opportuno studiare i Sistemi Operativi seguendo un approccio top down, partendo quindi da una descrizione delle varie componenti di un sistema di calcolo, fino ad arrivare (nei prossimi capitoli) all analisi delle varie componenti importanti di un Sistema Operativo. 1.2 Definizione e ruolo di un Sistema Operativo A differenza di altre macchine, il calcolatore, considerato come congerie di circuiti hardware, non è un oggetto facilmente utilizzabile di per se stesso: esso è in grado di eseguire istruzioni e quindi programmi, purché tali programmi siano scritti in linguaggio macchina binario, l unico riconosciuto dal calcolatore. Inoltre, quando un calcolatore inizia ad operare in seguito all accensione, esso cerca in una area di memoria (generalmente, su una traccia di disco prefissata) le istruzioni da caricare in memoria e da eseguire per prime. Com è ovvio, questa inizializzazione della macchina, chiamata bootstrapping, sarà effettuata con successo, a condizione che la traccia di disco letta contenga effettivamente un programma scritto in linguaggio macchina. Si desume da quanto appena detto che è praticamente impossibile per l utente utilizzare direttamente l hardware di un calcolatore, anche accettando di programmare in linguaggio binario, a meno di non disporre di strumenti che gli consentano, da un lato, di immettere programmi nella macchina e, dall altro, di estrarre dalla memoria verso l esterno i risultati dei calcoli eseguiti. È da queste considerazioni, ed altre ad esse correlate, che scaturisce la necessità di disporre di Sistemi Operativi. Un Sistema Operativo è un programma (o un insieme di programmi) che agisce da intermediario tra l hardware e l utente. Gli scopi di un Sistema Operativo sono fondamentalmente due: eseguire programmi dell utente e rendere più facile la soluzione dei suoi problemi; rendere il calcolatore conveniente ed efficiente da usare. Si noti, ed è questo un dettaglio non da poco, che i termini convenienza (cioè facilità d uso) ed efficienza sono spesso in contraddizione tra loro: molto spesso la facilità d uso viene ottenuta ampliando gli strati intermedi di software, per aggiungere funzionalità più sofisticate o più ergonomiche, e ciò appesantisce inevitabilmente il sistema globale. Si pensi, per fare un esempio tipico, alla pesantezza (in termini di risorse di calcolo, di dispositivi hardware, di spazio in memoria centrale e su disco) di un qualunque sistema di interfaccia grafica: tale interfaccia è con tutta evidenza piacevole e potente, tanto da permettere tipicamente l uso di un calcolatore anche a persone senza nessuna esperienza informatica; ma è estremamente più pesante rispetto ad una semplice interfaccia a carattere (cioè a riga di comando), come quella offerta dallo shell di Unix 5. 5 Lo shell di Unix viene trattato nel Paragrafo pag. 90; si veda inoltre Asta [3] e [4].

17 4 CAPITOLO 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI OPERATIVI User 1 User 2 User 3 User N... Compilatore Assembler Editor di testo Sistema di database Software di base Nucleo Hardware del computer Figura 1.1: Componenti di un sistema di calcolo - schema. Da un punto di vista macroscopico, un Sistema Operativo può pensarsi diviso in due componenti principali 6 : un Nucleo, o Kernel, che è la parte residente di un Sistema Operativo (sempre in memoria e sempre pronta ad eseguirsi); Un insieme di programmi 7 e di funzioni di libreria a corredo, facente parte stabile della distribuzione del Sistema Operativo, detto software di base. Tale insieme, commentato più in dettaglio nel Paragrafo 1.3, comprende a sua volta diverse categorie. Allargando la visuale, e ricordando come detto che il Sistema Operativo fa da intermediario tra l hardware e l utente, si può dire che le componenti di un sistema di calcolo sono dunque quattro, illustrate nella Figura 1.1: hardware fornisce le risorse di calcolo basilari: CPU (unità centrale), memoria, dispositivi di I/O (ingresso/uscita); Nucleo controlla e coordina l uso dell hardware tra i vari programmi per tutti gli utenti; come già detto, è la parte di un Sistema Operativo sempre in memoria e sempre pronta a eseguirsi; 6 Alcuni autori tendono a definire un Sistema Operativo come la sola parte sempre residente in memoria, cioè lo identificano col solo Nucleo. 7 Tali programmi sono talvolta divisi in due gruppi: programmi detti di sistema e programmi applicativi di base; la distinzione comunque non è netta ed univoca nella letteratura.

18 1.3. SOFTWARE DI BASE 5 software di base tale strato definisce i modi in cui le risorse del sistema vengono usate per risolvere i problemi computazionali degli utenti, e comprende tra l altro compilatori 8, sistemi di data base, sistemi di automazione d ufficio, etc. utenti sono in definitiva coloro che devono usufruire delle capacità dei sistemi di calcolo, e possono essere, in pratica, non solo persone fisiche, ma anche macchine dedicate, o altri calcolatori. 1.3 Software di base Si è già accennato, in apertura di capitolo, alla necessità di disporre di adeguati strati di software che permettano all utente di non dover gestire l hardware di un calcolatore in modo diretto; da ciò scaturisce, tra l altro, l esigenza di disporre di programmi di base e di funzioni di libreria che permettano all utente di porsi ad un livello più macroscopico ma più agevole nel servirsi di una macchina da calcolo. Fortunatamente, già negli anni 40 i progettisti delle prime macchine scoprirono che era conveniente sviluppare programmi in maniera modulare, introducendo sottoprogrammi (o subroutine) generiche richiamabili dal programma principale; il concetto si è poi esteso a programmi standard di uso comune, presenti nella distribuzione di un dato Sistema Operativo: era nato, in nuce, il software di base, inteso come corredo di programmi e funzioni di libreria standard accessibili all utente con lo scopo di facilitare l interazione uomo/macchina. Da allora, il software di base è evoluto di pari passo all hardware con delle marcate interdipendenze: sviluppi nel campo delle architetture e delle apparecchiature periferiche rendono necessario lo sviluppo di nuovo software di base; allo stesso tempo, tecniche di programmazione collaudate condizionano la progettazione dei più recenti microprocessori. Anche se non esistono definizioni rigorose, si indica dunque come software di base l insieme di programmi e funzioni di libreria, a disposizione di tutti gli utenti di un sistema, che complementano il Nucleo nel fornire le funzionalità di un Sistema Operativo. Il software di base fornisce un ambiente standard per lo sviluppo e l esecuzione di programmi e di procedure di comandi, e più in generale per l utilizzazione pratica del sistema. Il software di base può essere diviso in varie categorie 9 : Programmi a complemento delle funzionalità del kernel (lilo, init, etc.; vari daemon 10 : telnetd, ftpd, httpd, sendmail, etc.) 8 Il meccanismo di funzionamento di compilatori ed interpreti verrà descritto più in dettaglio nel Paragrafo pag Per ognuna delle categorie si danno esempi reali, propri del Sistema Operativo Linux; per maggiori dettagli, si veda Asta [3], o si consultino le relative pagine di manuale: ad es., init(8), bash(1), cc(1); per le librerie di funzioni, si consulti intro(3). 10 Il termine daemon, in ambiente Unix, indica genericamente un programma che funge da server per un applicazione di rete; così ad esempio ftpd indica il server per l applicazione FTP (File Transfer Protocol) di trasferimento di file su reti di tipo Internet, cioè basate

19 6 CAPITOLO 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI OPERATIVI Interfaccia utente (sh, ksh, bash, etc.) Librerie di funzioni standard di uso comune (libc, libm, libcrypt, etc.) Supporto per linguaggi di programmazione (cc, as, ld, ar, pc, perl, python, javac, etc.) Caricamento, esecuzione e profiling di programmi (sh, adb, sdb, prof, time, etc.) Modifica di file (ed, vi, emacs, etc.) Manipolazione di file e cartelle (cp, mv, rm, mkdir, etc.) Informazione sullo stato del sistema (date, ls, who, df, du, etc.) Comunicazione (vari client: telnet, ftp, mutt 11, netscape, rlogin, rcp, rsh, ping, etc.) A tal proposito, è importante notare che la maggior parte degli utenti vede (e giudica) un Sistema Operativo proprio dai programmi appartenenti al software di base, e non dalle chiamate di sistema e dalle funzioni di libreria; i primi sono di fatto l interfaccia verso l utente, e quindi costituiscono l interfaccia di base tra l utente e il Sistema Operativo(interfaccia utente), mentre le seconde realizzano un secondo tipo di interfaccia (interfaccia di programmazione), che però è visibile solo a quel sottoinsieme di utenti che scrivono programmi. A differenza dei programmi applicativi veri e propri, che servono, come il nome indica, a specializzare il calcolatore per risolvere problemi legati al mondo della produzione e del lavoro, i programmi nell area del software di base si collocano a un livello intermedio tra l hardware e i programmi applicativi. Anche qui la linea di demarcazione è alquanto soggettiva, ma si può dire ad esempio che un programma di gestione magazzino sviluppato per una azienda è senz altro un esempio di programma applicativo; viceversa, un programma flessibile che consente, partendo da uno schema generale, di costruire un programma di gestione magazzino, fornendo informazioni specifiche sul modo in cui l azienda registra i prodotti immagazzinati, può essere considerato software di base. 1.4 Classificazione dei Sistemi Operativi Risulta opportuno, prima di procedere oltre nello studio dei Sistemi Operativi, dare una schematica classificazione di tali sistemi che metta in evidenza le sulla suite di protocolli TCP/IP. Il nome di questi server, come si può notare dagli esempi, termina di solito con la lettera d, che sta appunto ad indicare che si tratta di un daemon. Il client corrispondente (cioè il programma che viene attivato dall utente e interagisce con esso, richiedendo servizi al server con il quale si collega) di norma ha lo stesso nome, ma senza la d finale; così il client FTP si chiama appunto ftp. I server (o daemon) sono programmi che di regola vengono lanciati automaticamente all avvio del sistema, e non terminano mai (se non all arresto del sistema). Per approfondimenti sulle reti di calcolatori e sulla programmazione TCP/IP secondo il paradigma client-server, si veda Tanenbaum [16] e Stevens [14]. 11 Mutt è un client molto potente del protocollo SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), per la gestione della posta elettronica.

20 1.4. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI OPERATIVI 7 caratteristiche dell utenza che essi devono soddisfare, più che le tecniche realizzative hardware e software. Com è ovvio, sono possibili più tipi di classificazioni, che riflettono differenti approcci di analisi. Una prima suddivisione, che tiene in conto sia aspetti funzionali che di cronologia evolutiva, distingue quattro tipi principali di Sistemi Operativi, chiamati rispettivamente: sistemi batch (o a lotti) si dividono a loro volta in sistemi batch monoprogrammati sistemi batch multiprogrammati sistemi interattivi (o a partizione di tempo; in inglese, time-sharing) sistemi personali sistemi dedicati divisibili anch essi in sistemi transazionali sistemi per il controllo di processi I Sistemi Operativi dei primi tre tipi offrono all utente la possibilità di scrivere, mettere a punto ed eseguire programmi arbitrari scritti in uno dei linguaggi di programmazione supportati dal sistema. L utente tipico di tali sistemi, che saranno descritti nel seguito del paragrafo, è quindi in molti casi un programmatore, che accede al calcolatore tramite un terminale. Il dialogo utente-sistema si svolge normalmente inviando comandi da terminale e ricevendo in risposta messaggi audiovisivi dal sistema. Come si vedrà in seguito, le funzioni del Sistema Operativo nell assistere il programmatore vanno ben oltre la semplice compilazione ed esecuzione controllata di programmi, per cui si parla comunemente di ambiente di sviluppo offerto dal Sistema Operativo, intendendo con tale termine l insieme di servizi offerti che consentono una maggiore facilità nella progettazione, nella stesura e nella verifica di nuovo software. Come meglio evidenziato nel seguito del capitolo, invece, i sistemi del quarto gruppo sono dedicati ad un tipo specifico di applicazione, e non permettono lo sviluppo di nuovi programmi Gestione a lotti Tralasciando le primissime implementazioni, che risalgono alla prima metà del secolo trascorso, la prima forma sufficientemente organizzata di Sistema Operativo vide la luce grazie all introduzione di lettori di schede perforate. Nacque così, all inizio degli anni 50, una modalità di colloquio chiamata gestione a lotti (batch processing). Le principali caratteristiche di tale forma di colloquio possono così essere sintetizzate: Le richieste degli utenti sono costituite da pacchi di schede perforate; ogni pacco, chiamato lavoro o job inizia con una scheda di identificazione dell utente e consiste in una sequenza di passi o step. Il job viene fisicamente