Prefazione. Contenuti

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1 Prefazione Il sistema operativo costituisce uno dei componenti fondamentali di ogni sistema di elaborazione, in particolare è quello con cui l utente entra direttamente in contatto quando accede al sistema, sia nei casi in cui tali accessi siano finalizzati all esecuzione di programmi applicativi sia nel caso più particolare in cui l accesso sia finalizzato al progetto e alla realizzazione di nuove applicazioni. Lo scopo di questo testo è quello di classificare e presentare le principali funzioni che vengono svolte dal sistema operativo, introducendo i concetti fondamentali che sono alla base del loro sviluppo, illustrando le principali componenti che li caratterizzano e la loro organizzazione. Il libro è specificamente concepito come testo per un primo insegnamento sui sistemi operativi, insegnamento che rappresenta una parte essenziale di ogni corso di laurea in Ingegneria Informatica o in Informatica. Esso nasce da una lunga esperienza di ricerca e di insegnamento nel campo dei sistemi operativi in ambito sia universitario (presso le Università di Bologna e di Pisa e presso la Scuola Superiore di Studi Universitari Sant Anna di Pisa) sia industriale e applicativo. Il testo pertanto si rivolge prioritariamente a un pubblico studentesco, in particolare gli studenti dei corsi di laurea in Ingegneria Informatica e in Informatica e più in generale a quelli dei corsi afferenti alla Classe di lauree in Ingegneria dell Informazione, ma anche a un pubblico di professionisti, siano essi utenti o sviluppatori di nuove applicazioni. Contenuti Il libro si articola in nove capitoli e quattro appendici. I capitoli, a loro volta, sono suddivisi in tre parti: la prima, corrispondente al capitolo 1, è introduttiva all argomento; la seconda, corrispondente ai capitoli dal 2 al 7, è incentrata sulle cinque componenti principali di un sistema operativo dedicate rispettivamente alla gestione dell unità centrale di elaborazione, della memoria, dei dispositivi periferici, dei file e della protezione e sicurezza; la terza, corrispondente ai capitoli 8 e 9, è dedicata a due casi di studio, uno incentrato sui sistemi Unix e Linux e l altro sul sistema Windows. Le quattro appendici riguardano alcuni elementi introduttivi dei sistemi distribuiti, Appendice A, la gestione dei thread nel linguaggio Java, Appendice B, il linguaggio di comandi (shell) in Unix, Appendice C, e i sistemi operativi embedded, Appendice D.

2 XIV Prefazione Introduzione (Capitolo 1). In questo primo capitolo vengono introdotte le principali funzioni svolte dal sistema operativo e viene presentata una breve panoramica storica sull evoluzione dei sistemi operativi, per meglio comprendere i principi che stanno alla base del loro progetto e le motivazioni che hanno portato al loro sviluppo. Vengono quindi passate in rassegna le varie tipologie di sistemi operativi, distinguendoli in base alle finalità per cui sono stati progettati. Vengono inoltre presentate le principali strutture interne di un sistema operativo, le componenti che lo caratterizzano e il modo in cui tali componenti sono organizzate. Per meglio comprendere il modo in cui le funzioni del sistema operativo si interfacciano con le componenti fisiche della macchina, vengono richiamati alcuni concetti architetturali e, in particolare, le principali componenti destinate a fornire il supporto al sistema operativo. Infine, viene sinteticamente presentata la sintassi di uno pseudo-linguaggio di programmazione che verrà utilizzato nei successivi capitoli del testo per descrivere gli algoritmi e presentare gli esempi. Gestione dei processi e della CPU (Capitoli 2 e 3). Nel Capitolo 2 viene introdotto il concetto di processo, fondamentale per lo sviluppo dei moderni sistemi multiprogrammati, e le sue principali proprietà. Viene introdotta l astrazione CPU virtuale e viene illustrato come, per effetto di questa astrazione, possono essere ignorati dai singoli processi aspetti quali sospensione e riattivazione dei processi, criteri di assegnazione della CPU e trattamento dei segnali di interruzione. Viene inoltre mostrato come la CPU virtuale risulti arricchita in termini di istruzioni elementari, di primitive per la comunicazione e sincronizzazione con gli altri processi (compresa la comunicazione con i dispositivi di ingresso/uscita visti come processori esterni) e per la creazione ed eliminazione dei processi. Vengono descritte le principali funzioni e strutture dati che costituiscono il nucleo del sistema operativo. Il Capitolo 3 è viceversa dedicato alle interazioni tra processi, sia di tipo competitivo per l uso di risorse comuni sia di tipo cooperativo per lo scambio di informazioni tra processi. Infine viene descritto il fenomeno del blocco critico (deadlock) e le principali tecniche per la sua gestione. Gestione della memoria (Capitolo 4). Partendo dagli aspetti che accomunano i criteri di gestione delle due risorse CPU e memoria, quali per esempio i meccanismi per la creazione e gestione di risorse virtuali, vengono illustrati gli aspetti caratterizzanti la gestione della memoria, quali la sua organizzazione sia logica sia fisica, la rilocazione degli indirizzi logici nei corrispondenti indirizzi fisici, la protezione delle informazioni e la condivisione di codice e dati tra processi diversi. Con l obiettivo di illustrare le varie tecniche utilizzate per gestire la memoria principale, alla luce dei precedenti aspetti, vengono presentati i principali meccanismi e i relativi algoritmi di allocazione della memoria, con riferimento soprattutto ai supporti forniti a questo proposito direttamente in hardware, noti con l acronimo di dispositivi MMU (Memory Management Unit). Gestione dei dispositivi periferici (Capitolo 5). In questo capitolo vengono descritti i principali servizi offerti dal sistema operativo per assicurare ai processi un adeguato supporto all esecuzione delle operazioni di ingresso/uscita. Viene descritto come tali servizi siano generalmente suddivisi in due livelli gerarchici: il livello superiore, in cui sono contenute le componenti indipendenti dai dispositivi stessi, e lo strato inferiore, contenente le componenti device-dependent co-

3 Prefazione XV me i device driver. Vengono illustrati alcuni esempi di device driver, distinguendo i casi in cui il dispositivo lavora a interruzione di programma da quelli in cui è presente un canale di Accesso Diretto alla Memoria (DMA). Viene illustrato anche il caso della gestione del timer e più in particolare dei dispositivi di memoria di massa (dischi). Gestione dei file (Capitolo 6). Questo capitolo tratta i principali aspetti relativi alla gestione dei file, realizzata dal sistema operativo mediante una delle componenti più importanti, il file system. Il ruolo di questa componente all interno del sistema è fornire adeguate astrazioni e meccanismi per l archiviazione delle informazioni nei dispositivi di memoria di massa. Concetto centrale di questo capitolo è il file, che rappresenta l unità di archiviazione delle informazioni nel file system. Il capitolo descrive inizialmente l organizzazione del file system mediante la definizione di quattro livelli, ognuno dedicato alla soluzione di particolari problemi inerenti alla gestione dei file. Vengono quindi illustrate le funzionalità di ciascun livello e le soluzioni comunemente adottate per la loro realizzazione. In particolare, partendo dal livello più alto, vengono trattati gli aspetti relativi alla presentazione del file system alle applicazioni, introducendo il concetto di directory come contenitore di file; successivamente vengono prese in considerazione le problematiche relative all accesso ai file, includendo una breve trattazione sulla protezione del file system, requisito fondamentale nei sistemi multi-utente. Viene infine affrontato il tema delle tecniche di allocazione dei file, analizzando i pro ed i contro degli approcci più diffusi. Protezione e sicurezza (Capitolo 7). In questo capitolo viene presentato il problema del controllo degli accessi dei processi alle risorse di un sistema di elaborazione, illustrando il significato di alcuni concetti fondamentali quali modelli, politiche e meccanismi di protezione e indicando anche come questi ultimi vengono implementati a livello di sistema operativo. Viene introdotta la matrice di controllo degli accessi come modello per i vari sistemi di protezione e al tempo stesso come meccanismo per verificare l applicazione delle relative politiche. Infine, viene affrontato il problema centrale per la sicurezza di un sistema di elaborazione. Il sistema operativo Unix (Capitolo 8). In questo capitolo vengono presentate le caratteristiche di Unix, uno dei più diffusi sistemi operativi moderni. In particolare, dopo una breve illustrazione della storia di Unix e delle sue varie versioni, vengono descritte l architettura generale del sistema, lo shell e le principali system call. Viene spiegata la struttura di un processo Unix insieme al criterio di scheduling adottato per allocare la CPU. Vengono descritte l organizzazione sia fisica sia logica del file system, insieme alle principali strutture dati utilizzate nel kernel per quanto riguarda l accesso ai file. Relativamente alle interazioni tra processi vengono descritti, anche con esempi, i meccanismi dei segnali e delle pipe. Viene poi illustrata la gestione dei thread in Linux, introdotto come sistema derivato da Unix, descrivendo i meccanismi di sincronizzazione e confrontandoli con quelli offerti dalla libreria pthreads secondo lo standard POSIX. Il sistema operativo Windows (Capitolo 9). In questo capitolo viene fornita una breve panoramica sul sistema operativo Microsoft Windows. Si tratta di uno dei sistemi operativi più diffusi al mondo, sicuramente il più diffuso sistema operativo sui Personal Computer oltre che nel settore dei server. Di Windows esistono

4 XVI Prefazione diverse versioni, con caratteristiche anche molto differenti l una rispetto all altra. In questo capitolo l attenzione è focalizzata sulla struttura e le funzionalità fornite dalle versioni Windows NT, Windows 2000 e Windows XP. Dopo una breve introduzione sulla struttura del sistema e su come tale struttura sia evoluta nel passare da una versione all altra, vengono descritte la gestione dei processi e dei thread, la gestione della memoria e la struttura del file system. Elementi di sincronizzazione in ambiente distribuito (Appendice A). In questa appendice vengono forniti alcuni cenni relativi alla programmazione di applicazioni in ambiente distribuito. In particolare, vengono affrontate alcune problematiche relative all interazione tra processi nel caso in cui essi siano distribuiti in diversi nodi di una rete di calcolatori. A questo scopo viene introdotto il meccanismo delle socket come strumento di base per realizzare la sincronizzazione tra processi, esaminandone le proprietà e le modalità di utilizzo. Vengono infine mostrati alcuni esempi di utilizzo delle socket assumendo che i processi interagenti vengano eseguiti in ambiente Unix. Multithreading in Java (Appendice B). Java è un linguaggio concorrente, nel quale sono presenti, come costrutti linguistici, molti dei concetti esaminati nei vari capitoli del testo, in particolare i concetti di thread, di applicazioni multithreading e di condivisione di dati fra thread. Lo scopo di questa appendice è duplice: da un lato esemplificare tali concetti utilizzando uno strumento linguistico adatto a questo scopo, dall altro fornire un raccordo fra i contenuti del testo e quelli di un secondo volume relativo all approfondimento degli argomenti dei sistemi operativi e della programmazione concorrente e distribuita. Data per scontata una generale conoscenza dei principali concetti della programmazione object oriented e di come tali concetti sono stati calati nel linguaggio Java, vengono illustrati i meccanismi linguistici forniti da Java per creare e attivare thread, gli strumenti disponibili per controllarne la schedulazione sulla Macchina Virtuale Java e, infine, vengono illustrati alcuni esempi di interazione tra thread. Linguaggio di comandi (shell) in Unix (Appendice C). In questa appendice vengono approfondite le caratteristiche del linguaggio comandi bash introdotto nel Paragrafo 8.8. In particolare, vengono presentati alcuni tra i comandi di uso più comune, e vengono poi forniti i concetti necessari per lo sviluppo di programmi shell. Sistemi operativi embedded (Appendice D). Dopo aver richiamato le caratteristiche peculiari di questa importante categoria di sistemi operativi, vengono descritti i principali aspetti di quattro sistemi operativi che, per le loro caratteristiche e per la loro ampia diffusione, rappresentano quattro esempi paradigmatici della vasta categoria di applicazioni embedded: i systemi Embeded Linux, Windows CE, Symbian (per le applicazioni di telefonia mobile), e lo standard OSEK per la applicazioni automotive. Scelta degli argomenti e organizzazione del libro Il tema dei sistemi operativi è molto vasto e chiunque abbia avuto il compito di insegnare l argomento in un corso universitario si è trovato di fronte a delle scelte di fondo: quali argomenti trattare e approfondire e quali sorvolare o rimandare del tutto

5 Prefazione XVII ad altri insegnamenti. Anche nel caso di questo libro è stato necessario prendere delle decisioni relativamente a questo aspetto. La scelta che ha guidato gli autori, tenuto conto anche della loro pluriennale esperienza di insegnamento della materia, è stata quella di classificare gli argomenti in due categorie, non del tutto indipendenti: da un lato un insieme di argomenti di base, quelli trattati in questo libro, che si ritiene debbano far parte del bagaglio culturale e professionale di chiunque si laurei in Ingegneria Informatica o in Informatica; dall altro, gli argomenti a carattere più specialistico, come per esempio quelli relativi alle architetture di sistemi più complesse, tipiche dei sistemi distribuiti, e quelli relativi alle problematiche inerenti la programmazione di sistema, tipiche della programmazione concorrente e distribuita e che fanno parte di un secondo volume [2] dedicato a chi è interessato ad approfondire gli studi mediante un corso di Laurea Specialistica. In questo senso il libro risponde perfettamente alle esigenze del nuovo Ordinamento Didattico degli studi universitari. Da queste considerazioni discende il motivo per cui è stata privilegiata, nel libro, la scelta degli argomenti trattati, cercando di esaminare i concetti fondamentali comuni ad una varietà di sistemi operativi diversi e illustrando i concetti trattati mediante esempi ivi inclusi due importanti casi di studio (Unix e Windows). Sempre per i precedenti motivi è stato deciso di privilegiare la trattazione degli argomenti con riferimento ad una tradizionale architettura monoelaboratore e di non fare riferimento a nessuno specifico linguaggio di programmazione ma di utilizzare, come linguaggio di presentazione degli esempi, uno pseudo-linguaggio C-like. Infine, come raccordo al secondo volume relativo agli argomenti più specialistici, sono state inserite le due appendici sulla sincronizzazione in ambiente distribuito e sul linguaggio Java inteso come veicolo per la trattazione degli argomenti relativi alla programmazione concorrente e distribuita. All indirizzo internet sono disponibili, per gli studenti, le soluzioni dei problemi presentati nel testo e, per i docenti, i lucidi. Novità della seconda edizione La seconda edizione di Sistemi operativi è frutto non solo delle osservazioni emerse nell ambito dei corsi tenuti dagli Autori, ma anche dei numerosi e utili commenti ricevuti sulla prima edizione del libro. Gli interventi consistono in un aggiornamento e revisione trasversale di tutto il testo, nell integrazione di nuovi capitoli e sezioni per garantire una copertura di argomenti più aderente ai corsi e nello sviluppo di apparati pedagogici di utilità per lo studente. Di seguito indichiamo le modifiche più significative apportate alla precedente edizione: Nell ambito del Capitolo 2, relativo alla gestione dei processi, è stato completamente riscritto e notevolmente esteso il paragrafo relativo alle strategie di scheduling. In particolare, dopo aver definito i parametri in base ai quali viene valuta-

6 XVIII Prefazione ta la bontà di un sistema operativo, vengono descritti e illustrati i principali algoritmi di scheduling adottati sia nei sistemi operativi batch sia in quelli time-sharing e in quelli real-time. Nell ambito del Capitolo 3, relativo alla sincronizzazione dei processi, è stato approfondito l argomento sulla gestione delle condizioni di blocco critico, illustrando l algoritmo più famoso per quanto riguarda la prevenzione dinamica delle condizioni di stallo: l algoritmo del banchiere. È stato aggiunto un nuovo capitolo, il 7, relativo ai temi della protezione e della sicurezza. È stata aggiunta la nuova Appendice C, relativa allo shell di Unix. È stata aggiunta la nuova Appendice D, relativa ai sistemi operativi embedded. Alla fine di ogni capitolo, ivi incluse le appendici, sono state poste alcune domande di riepilogo e sono stati proposti alcuni problemi che, complessivamente, hanno lo scopo di consentire al lettore di verificare il livello di comprensione degli argomenti trattati. Le soluzioni dei problemi sono disponibili sul sito web Paolo Ancilotti Maurelio Boari Anna Ciampolini Giuseppe Lipari