Sistemi Operativi COTRONEO NATELLA - CINQUE FRANCESCO VERGONA INGEGNERIA INFORMATICA N46

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1 2015 Sistemi Operativi COTRONEO NATELLA - CINQUE FRANCESCO VERGONA INGEGNERIA INFORMATICA N46

2 SOMMARIO 1 INTRODUZIONE SISTEMA OPERATIVO SINGLE USER SYSTEM BATCH SYSTEM SISTEMI BATCH MULTIPROGRAMMATI SISTEMI TIME-SHARING SISTEMI REAL-TIME SISTEMI OPERATIVI PER PERSONAL COMPUTER SISTEMI TRANSAZIONALI SISTEMI A MICROKERNEL RICHIAMI DI ARCHITETTURE DI SISTEMI DI ELABORAZIONE STRUTTURA DI UN SISTEMA DI ELABORAZIONE Il processore La memoria IL MECCANISMO DELLE INTERRUZIONI TECNICHE DI COMUNICAZIONE DI I/O I/O Programmato I/O Interrupt Driven Direct Memory Access (DMA) STRUTTURA DEI SISTEMI OPERATIVI MODELLI PRINCIPALI DI SISTEMI OPERATIVI Sistemi monolitici Sistemi modulari IL KERNEL LE SYSTEM CALL LE FASI DI UN SISTEMA OPERATIVO Avviamento Interruzione Eccezioni System calls 17 2 GESTIONE DEI PROCESSI STATI DI UN PROCESSO MODELLO A DUE STATI MODELLO A TRE STATI MODELLO A 5 STATI PROCESSI SWAPPED DESCRITTORI DI PROCESSO CODE DI PROCESSI CAMBIO DI CONTESTO CREAZIONE E TERMINAZIONE DEI PROCESSI 21 3 SCHEDULING E ALGORITMI 22 1

3 3.1 PARAMETRI PARAMETRI USER-ORIENTED PARAMETRI SYSTEM-ORIENTED ALCUNI CONCETTI FONDAMENTALI ALGORITMI DI SCHEDULING ALGORITMO FIRST-COME-FIRST-SERVED (FCFS) ALGORITMO SHORTEST-JOB-FIRST (SHORTEST PROCESS NEXT) ALGORITMO SHORTEST-REMAINING-TIME-FIRST (SRTF) ALGORITMO ROUND-ROBIN SCHEDULING A BASE PRIORITARIA SCHEDULING A CODE MULTIPLE SCHEDULING DI SISTEMI REAL-TIME RATE MONOTONIC EARLIEST DEADLINE FIRST (EDF) 30 4 I THREADS USER-LEVEL THREADS KERNEL-LEVEL THREADS CENNI SULLE ARCHITETTURE MULTIPROCESSORE 32 5 INTRODUZIONE ALLA PROGRAMMAZIONE CONCORRENTE TIPI DI INTERAZIONE TRA PROCESSI MODELLI DI INTERAZIONE Modello ad ambiente globale Modello ad ambiente locale I PROBLEMI DELLA COMPETIZIONE Il problema della mutua esclusione Il deadlock Starvation I PROBLEMI DELLA COMUNICAZIONE Produttore-Consumatore I SEMAFORI SOLUZIONE ALLA MUTUA ESCLUSIONE SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA COMUNICAZIONE Produttore Consumatore Lettori-Scrittori I MONITOR SINCRONIZZAZIONE NEL MODELLO AD AMBIENTE LOCALE: SEND E RECEIVE SINCRONIZZAZIONE TRA PROCESSI COMUNICANTI INDIRIZZAMENTO IL DEADLOCK LE RISORSE CARATTERIZZAZIONE DEI DEADLOCK GESTIONE DEI DEADLOCK Prevenzione statica Prevenzione dinamica 48 2

4 Deadlock detection 49 6 GESTIONE DELLA MEMORIA ASPETTI CARATTERIZZANTI LA GESTIONE DELLA MEMORIA RILOCAZIONE STATICA E DINAMICA MEMORY MANAGEMENT UNIT ALLOCAZIONE DELLA MEMORIA VIRTUALE ALLOCAZIONE DELLA MEMORIA FISICA DIMENSIONAMENTO DELLA MEMORIA VIRTUALE TECNICHE DI GESTIONE DELLA MEMORIA LA PAGINAZIONE Protezione della memoria Struttura della tabella delle pagine LA SEGMENTAZIONE MEMORIA VIRTUALE PAGINAZIONE SU RICHIESTA Sostituzione delle pagine GESTIONE DELLA MEMORIA IN LINUX CARATTERISTICHE GENERALI SPAZIO DEGLI INDIRIZZI VIRTUALE BUDDY SYSTEM PAGE FRAME RECLAIMING (PFRA) STATI DI UNA PAGINA Refill delle pagine inattive GESTIONE DELLA MEMORIA IN WINDOWS 62 7 GESTIONE DELLE PERIFERICHE CLASSIFICAZIONE DEI DISPOSITIVI I/O ORGANIZZAZIONE DEL SOTTOSISTEMA I/O LIVELLO INDIPENDENTE DAI DISPOSITIVI Il buffering LIVELLO DIPENDENTE DAI DISPOSITIVI: DEVICE DRIVERS I/O SU DISCO Struttura fisica di un disco Parametri prestazionali Scheduling su disco RAID (Redundant Array of Independent Disks) GESTIONE DELL I/O IN UNIX 71 8 IL FILE SYSTEM STRUTTURA LOGICA DI UN FILE SYSTEM IL FILE DIRECTORY ACCESSO AD UN FILE SYSTEM METODI DI ACCESSO AL FILE 74 3

5 8.3 ORGANIZZAZIONE FISICA TECNICHE DI ALLOCAZIONE DEI FILE Allocazione contigua Allocazione a lista concatenata Allocazione indicizzata IL FILE SYSTEM NTFS DI WINDOWS UNITÀ DI STORAGE NTFS MASTER FILE TABLE SYSTEM FILES 76 9 PROTEZIONE E SICUREZZA NEI SISTEMI OPERATIVI MECCANISMI DI PROTEZIONE DOMINI DI PROTEZIONE MODELLO MATRICE DEGLI ACCESSI Lista del controllo degli accessi (ACL) Lista della capability SISTEMA DI SICUREZZA CONTROLLO DEGLI ACCESSI BASATO SU POLITICA MAC CONTROLLO DEGLI ACCESSI BASATO SUI RUOLI (RBAC) BASI DI CALCOLO FIDATE AUTENTICAZIONE DEGLI UTENTI Autenticazione tramite parole chiave I SISTEMI OPERATIVI UNIX E LINUX ARCHITETTURA DEL SISTEMA OPERATIVO UNIX I PROCESSI Gli stati di un processo Immagine di un processo UNIX System call per la gestione dei processi Lo scheduling in UNIX GESTIONE DELLA MEMORIA IL FILE SYSTEM Virtual File System (VFS) Il file system ext Il file system ext Il file system ext GESTIONE DEI THREADS IN LINUX SCHEDULING DEI TASK La funzione schedule() Scheduler O(1) Load balancing in sistemi multiprocessore CFS Scheduler 91 4

6 1 INTRODUZIONE Un sistema operativo ha la funzione di gestire le risorse di calcolo. La conoscenza della struttura interna di un sistema operativo è indispensabile per la programmazione di sistema e permette di scrivere programmi più efficienti. Inoltre, permette di avere una visione d insieme di hardware e software. La programmazione concorrente nasce con i sistemi operativi, e la si può apprendere in questo contesto. Questo è un tipo di programmazione non sequenziale, non basata quindi su un unico flusso di esecuzione, ma su più flussi che vengono eseguiti contemporaneamente. Questa è infatti gestita dai sistemi operativi, che per inciso, non sono formati da un unico flusso di esecuzione, ma da più flussi che eseguono diversi calcoli contemporaneamente. 1.1 SISTEMA OPERATIVO Un sistema operativo è un insieme di programmi che operano sull hardware con l obiettivo di: Semplificare lo sviluppo dei programmi. Realizzare politiche di gestione delle risorse hardware. Un sistema operativo comprende inoltre un metodo per interfacciarsi con l utente. Ogni sistema operativo definisce una macchina virtuale, quindi delle astrazioni che semplificano lo sviluppo delle applicazioni Single User System Sono sistemi primitivi, privi di un vero sistema operativo, che consisteva in poche linee di codice che eseguiva poco lavoro. Tutto era demandato alle competenze dell utente utilizzatore. Il sistema operativo era infatti ridotto a librerie di uso comune, con delle funzioni prescritte. In più era dotato di un loader, che non faceva altro che prendere il programma e lanciarlo in esecuzione, preparando adeguatamente la CPU. Questo era un metodo poco efficiente, in quanto utilizzabile solo da un utente per volta, per lo più molto esperto Batch System Sono sistemi nei quali i programmi degli utenti venivano raggruppati in lotti e poi eseguiti sequenzialmente. Il sistema era comunque molto lento, ma si ridussero le tempistiche tra un esecuzione e l altra. A differenza dei sistemi precedenti, i sistemi batch hanno i programmi di sistema su memoria di massa, quindi dall accesso veloce. Inoltre l utente programmatore fornisce il proprio programma sorgente ad un operatore che agiva direttamente sulla macchina, inserendovi non più una scheda alla volta, ma un lotto di schede che veniva eseguito sequenzialmente. Nei sistemi batch viene infatti definito un nuovo programma di sistema, il monitor, anch esso residente in memoria, il quale si limita a leggere le schede e per ogni scheda di controllo ne interpreta il contenuto caricando in memoria il programma di sistema richiesto. 5

7 L intervento dell utente viene quindi richiesto nuovamente soltanto nel momento in cui è finito il batch di schede da leggere. Questo sistema quindi comporta: Incremento dell efficienza d uso delle risorse, ottenuto limitando l intervento manuale. Allontanamento dell utente dalla macchina: dovuto alla presenza dell operatore. Ciò ha conseguenze negative sulla fase di debugging. Tempi di attesa casuali: l utente attende un tempo casuale, indipendente dalla complessità del programma presentato. Il tempo di attesa dipende esclusivamente dalla posizione della scheda all interno del batch Sistemi batch multiprogrammati I primi sistemi batch avevano comunque efficienza molto bassa, a causa della notevole differenza tra la velocità della CPU e quella dei dispositivi periferici (come lettore di schede e stampante). I primi miglioramenti si ottengono al momento dell introduzione di memoria di massa ad accesso casuale, e di DMA. In questi sistemi venne introdotta anche la tecnica dello spooling, che consiste nel caricare tutti i job di un batch su disco, in maniera tale che durante la loro esecuzione la CPU interagisse soltanto con il disco. Mentre la CPU esegue i job di un batch, contemporaneamente vengono caricati su disco i programmi di un nuovo batch (tramite DMA). Grazie allo spooling, è stato possibile per la prima volta introdurre un meccanismo di scheduling, ovvero scegliere di volta in volta, seguendo una certa regola, quale job eseguire prima tra quelli presenti nel pool di job (disco). Altro drastico miglioramento si è ottenuto con l introduzione della multiprogrammazione, una tecnica che permette di alternare l esecuzione dei programmi, iniziando l esecuzione di un nuovo programma nel momento in cui quello che stava eseguendo precedentemente si interrompe in attesa dell intervento di dispositivi di I/O. Questo sistema è stato reso possibile grazie all introduzione del sistema di gestione delle interruzioni. Figura 1 Il passaggio tra le varie esecuzioni di diversi programmi è gestito dal sistema operativo. Un sistema multiprogrammato comporta un overhead relativo all utilizzo della CPU, a causa di quello che viene detto cambio di contesto. Il cambio di contesto consiste nel salvare in memoria lo stato della CPU (i suoi registri) nel momento in cui questa passa dall esecuzione di un programma ad un altro. Inoltre, nel momento in cui riprenderà l esecuzione del programma precedentemente interrotto, la CPU dovrà ripristinare i propri registri andando a recuperare dalla memoria i valori ad essi relativi. 6

8 1.1.4 Sistemi time-sharing I sistemi batch hanno iniziato a mostrare il fianco quando hanno iniziato a nascere i programmi interattivi, ovvero quei programmi che richiedono un interazione continua e tempestiva con l utente. Ciò ovviamente non risulta possibile con i sistemi batch, in quanto prevedono che il contatto tra sistema e utente sia indiretto, avvenendo tramite l operatore. I sistemi time-sharing sono sistemi interattivi, aventi contatto diretto con l utente, che permettono quindi di restituire risultati in tempi brevi. Anche questi sono basati sulla multiprogrammazione, infatti più utenti possono essere collegati contemporaneamente al sistema, che deve essere quindi in grado di gestire l esecuzione concorrente di programmi lanciati da diversi utenti. In questo tipo di sistemi vengono assegnati ad ogni programma una porzione di tempo (timeslice), dopo il quale, sia che il programma sia terminato, sia che abbia ancora delle istruzione da eseguire, il controllo della CPU passa su un altro programma tramite un cambio di contesto. In questo modo è impossibile che un programma possa monopolizzare la CPU. Per far ciò, esiste il timer interrupt, che decide in che modo gestire la CPU nella condivisione tra i vari programmi. Figura 2 Ogni volta che il timer scatta, il sistema operativo avvicenda i programmi nell uso della CPU. In questo modo dà l illusione che i programmi si stiano eseguendo contemporaneamente. Il numero di programmi caricabili contemporaneamente è ovviamente limitato, infatti ogni sistema ha un grado di multiprogrammazione. I sistemi time sharing hanno permesso la nascita del personal computing e i sistemi real time, sistemi caratterizzati da un tempo di risposta prestabilito Sistemi real-time Un sistema in tempo reale è un sistema dedicato a controllare il corretto funzionamento di un sistema fisico, del quale bisogna mantenere sotto controllo le grandezze fisiche che lo caratterizzano. Per questo motivo si effettuano di continuo delle letture delle grandezze fisiche, e, una volta fatte, il sistema esegue un programma (task) che stabilisce se questo valore rientra nell ambito dei valori corretti o meno. Anche i sistemi real-time fanno grande uso della multiprogrammazione, in quanto vi è un elevato numero di task da eseguire e gestire (si esegue almeno un task per ciascuna delle grandezze da controllare). 7

9 Durante i tempi di attesa di un task il sistema può eseguire gli altri task che sono in pronti per essere eseguiti. A differenza degli altri sistemi fin qui introdotti, i sistemi real-time non mirano a massimizzare l efficienza d uso delle risorse (come i sistemi batch) o di minimizzare i tempi di risposta (come i sistemi time sharing), ma vogliono garantire che tutti i task completino le proprie esecuzioni entro le rispettive deadline, ovvero un intervallo temporale imposto dall applicazione. Nei sistemi real time, ogni task è associato ad una priorità, che può essere: Statica: se definita una volta per tutte. Dinamica: se calcolata dinamicamente in base alle caratteristiche dei singoli task. I sistemi a tempo reale possono classificarsi in diversi modi: Sistemi hard real-time: o Sistemi in cui la violazione di una deadline può compromettere il funzionamento del sistema controllato, con conseguenze anche catastrofiche. Sistemi soft real-time o Sistemi in cui la violazione di una deadline non compromette il funzionamento del sistema controllato, ma ne riduce prestazioni. Sistemi embedded o Sistemi dedicati a singole applicazioni. In essi non vi è grande differenza tra software applicativo e sistema operativo, in quanto tutto il software è dedicato ad una singola applicazione ed inserito in un singolo chip o scheda Sistemi operativi per Personal Computer Con il diminuire dei costi di realizzazione dei componenti elettronici e dei microprocessori, iniziano a diffondersi a macchia d olio quelli che vengono detti Personal Computer. Come dice la parola, l uso del PC è personale, riservato cioè ad una sola persona alla volta. Per questo motivo i primi sistemi operativi per PC erano molto semplici, progettati senza ricorrere alla tecnica della multiprogrammazione. I PC nascono con l intento di consentire all utente di gestire le proprie informazioni e di facilitare la realizzazione di nuove applicazioni, fornendo un interfaccia di programmazione che faciliti l accesso ai dispositivi di I/O. Successivamente, anche per i sistemi operativi per PC è stata utilizzata la tecnica della multiprogrammazione, dando la possibilità agli utenti di lanciare più applicazioni contemporaneamente. La differenza principale tra i sistemi operativi prima introdotti e questo, è che in questo caso il criterio con cui la CPU viene commutata da un programma all altro è stabilito dall utente tramite la sua interfaccia di input Sistemi transazionali Si tratta di sistemi interattivi destinati ad eseguire transazioni, ovvero sequenze di operazioni elementari che richiedono ciascuna l esecuzione di un programma o di una sua parte. In un sistema transazionale, l utente principalmente interroga e aggiorna un database. La particolarità dei sistemi transazionali è che tutti gli utenti operano sullo stesso database e richiedono l esecuzione delle stesse operazioni elementari, fornendo i propri dati di accesso. 8

10 1.1.8 Sistemi a microkernel Sono caratterizzati dalla presenza di un kernel molto piccolo, che implementa solo i meccanismi essenziali. Riducendo i componenti privilegiati, il sistema è più affidabile e sicuro, perché i processi che possono accedere alla CPU sono pochi. 1.2 RICHIAMI DI ARCHITETTURE DI SISTEMI DI ELABORAZIONE Struttura di un sistema di elaborazione Figura 3 Per meglio comprendere i principi di funzionamento di un sistema operativo è necessaria una buona conoscenza della struttura fisica di un sistema. Un moderno calcolatore, come mostrato in figura (Figura 3), è composto da: Unità centrale di elaborazione (CPU) Memoria centrale (RAM) Dispositivi di I/O Questi componenti sono interconnessi tra loro dal bus di sistema, su cui viaggiano le informazioni (dati e indirizzi). La dimensione del bus corrisponde al numero di bit che possono essere letti o scritti in un ciclo di clock del bus, ed è una caratteristica di tale importanza da essere utilizzata per classificare i processori (8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit) Il processore Il processore è il componente principale di ogni calcolatore. Suo compito è infatti quello di eseguire le istruzioni di un programma contenuto in memoria, in maniera sequenziale. L aspetto che maggiormente caratterizza un processore è costituito dall insieme di registri interni (ai quali è possibile accedere molto più velocemente rispetto alle locazioni di memoria centrale). I registri interni si distinguono in: Registri generali o programmabili: Direttamente visibili ed utilizzabili dal programmatore Registri di stato e di controllo: Non direttamente accessibili dal programmatore, tengono conto dello stato della CPU. 9