Fondamenti di informatica I. Sistemi operativi II

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1 Fondamenti di informatica I Sistemi operativi II

2 Multitasking In un dato istante possono essere presenti nel sistema centinaia o migliaia di task Un task può essere in uno di tre possibili stati: In attesa (wait): aspetta che succeda qualcosa Pronto (ready): può essere messo in esecuzione (aspetta la cpu) In esecuzione (executing): al massimo un task in esecuzione per ogni cpu

3 Schedulazione Un task in esecuzione rimane tale fino a quando: finisce il tempo che ha a disposizione (time slice). In Windows dopo 10 ms Oppure fa una richiesta che lo mette in attesa. A questo punto il sistema sceglie dalla coda dei task pronti (ready queue) il prossimo task da eseguire (se c è).

4 Schedulazione Eventi esterni possono modificare lo stato di un processo in attesa, ad esempio: Arrivano i dati richiesti Passa un tempo prefissato L utente agisce in qualche modo Il task interessato passa quindi nella ready queue e verrà preso in considerazione alla prossima schedulazione

5 Multitasking cooperativo Vecchi sistemi operativi o sistemi studiati per utilizzi particolari non interrompono un processo in esecuzione ma attendono che sia il processo a richiedere un servizio che lo mette in wait Se tutti i processi lo fanno frequentemente allora questo è un modo per aumentare l efficienza perché evita operazioni di schedulazione inutili Ma se un processo non rilascia la cpu potrà monopolizzarla, di fatto bloccando tutto il resto

6 Poiché il sistema operativo DEVE avere sempre un task da eseguire (altrimenti sarebbe costretto a bloccarsi) allora esiste un task (idle task) che è un semplice loop infinito da lanciare se la ready queue è vuota Idle

7 Fingiamo avere più memoria di quella che realmente abbiamo? MEMORIA VIRTUALE

8 Velocità e costo Abbiamo detto che il costo di una tecnologia di memoria è tanto maggiore quanto più questa è costosa i dischi costano meno della memoria centrale D altra parte ci piacerebbe avere tanta memoria centrale, perché i programmi chiedono di disporre di memoria, che però non usano, o almeno non tutta insieme

9 Prima della memoria virtuale La memoria era scarsa e i programmatori dovevano inserire nei programmi la logica per mettere su disco le cose non immediatamente necessarie Evidentemente questo complicava il codice, e la qualità del risultato dipendeva della capacità del programmatore di gestire la memoria

10 Località temporale In realtà una applicazione quasi sempre utilizza la memoria assegnata in modo non uniforme. Per periodi anche lunghi vene utilizzata una piccola porzione di memoria. La memoria viene utilizzata a macchia di leopardo, dove le macchie si muovono lentamente nello spazio della memoria disponibile

11 Memoria virtuale Il sistema operativo può sfruttare questo fatto per vendere più memoria di quella che ha Vengono tenute in memoria solamente le porzioni di memoria effettivamente utilizzate da ogni programma Le parti inutilizzate da un certo tempo vengono copiate su disco (page file) per essere riportate in memoria solamente quando verranno utilizzate

12 Memoria virtuale (in Windows) Windows ad esempio normalmente utilizza uno page file di dimensioni circa pari alla memoria reale, per cui finge di disporre del doppio della memoria effettiva In generale non esiste un limite logico alla dimensione della memoria virtuale, me se si esagera si finisce per avere una ram con le prestazioni di un disco

13 Ad esempio

14 Come funziona (in Windows x86) Ogni processo vede uno spazio di memoria lineare di 2 Gb, a cui può chiedere accesso Ogni processo ha i suoi 2 Gb Questi 2G sono divisi in pagine di 4096 byte Gli indirizzi utilizzati dal processo (logici) non corrispondono a quelli della memoria fisica L indirizzo fisico è ottenuto passando da una tabella di corrispondenze tra pagine di memoria logiche e fisiche

15 Come funziona (in Windows x86) Quindi nella memoria fisica le pagine saranno in disordine, e saranno mescolate pagine appartenenti a processi distinti E non tutte le pagine saranno presenti. Il sistema mantiene presenti in ram solo quelle usate di recente, le altre vengono copiate su disco. Se un processo accede ad una pagina che non è in memoria la cpu informa il sistema operativo, che la legge da disco e la mette al posto di una non usata, senza che il processo se ne accorga

16 Schematicamente X Gb (virtuali) Meno di 2X Gb X Gb (virtuali)

17 Quando il pc è lento Se il sistema operativo vende ai programmi troppa memoria virtuale rispetto a quella reale disponibile: Capiterà molto spesso che una pagina richiesta da un programma sia in quel momento su disco e per portarla un memoria si dovrà mettere su disco qualcos altro che facilmente sarà richiesto nuovamente poco dopo

18 Intervallo

19 Alcuni concetti importanti Kernel Bootstrap (loader) File system Semaforo Deadlock

20 Kernel Il kernel è il nocciolo del sistema operativo. Ha responsabilità delle funzioni fondamentali, che non possono essere gestite con processi o tools separati, come: Gestione memoria Gestione e schedulazione dei task Ricezione e gestione di eventi esterni, in generale generati dai controller delle periferiche

21 Kernel II Una distinzione importante tra l architettura di Linux e Windows è giusto nella implementazione del kernel In linux il kernel è una unica componente monolitica che contiene anche i device drivers, che in sostanza sono una componente integrante del sistema. In Windows il kernet è ridotto al minimo indispensabile (micro kernel) e i device driver vengono caricati dinamicamente se servono

22 Bootstrap loader Se il sistema operativo è responsabile tra le altre cose di caricare ed eseguire i programmi, chi carica il sistema operativo all avvio? In effetti si tratta di un processo non banale, che inizia con un semplice caricatore presente sulle rom del sistema (bootstrap loader) che legge da disco ad una posizione prefissata il codice che a sua volta leggerà il resto del sistema

23 Bootstrap loader II Quindi con un piccolo aiuto il sistema operativo è in effetti in grado di leggere se stesso da disco Si osservi quindi che il loader è specifico di ogni sistema operativo, mentre la componente su rom deve necessariamente essere generica When the hard disk is the startup disk, the system BIOS reads the master boot record (MBR) and loads it into memory. The system BIOS then transfers the execution of the startup process to the MBR. After the MBR loads a copy of the active partition's boot sector into memory, the boot sector code starts the operating system as defined by the operating system

24 L avvio di Windows

25 File system Uno degli elementi più importanti di un sistema operativo è il gestore della memoria di massa, ed in particolare dei dischi. Il formato con cui le informazioni vengono memorizzate ed organizzate è specifico del sistema operativo, per cui in generale un sistema non è in grado di leggere il file system di un altro, a meno che non sia dotato di una specifica componente software

26 Il file system in Linux

27 File System II L organizzazione gerarchica (directory dentro a directory) è di origine Unix ed è comune alla maggior parte dei sistemi. Si noti che in Unix, Linux e Windows una directory è in realtà uno speciale tipo di file La struttura del file system condiziona molte delle caratteristiche del sistema, tra cui la sicurezza, stabilità, velocità e la robustezza

28 Semaforo Abbiamo parlato dei processi e del fatto che spesso sono in attesa (wait) Il sistema gestisce le code di accesso ad una risorsa con i semafori : Una semplice struttura dati che indica se la risorsa è libera o occupata ed una lista di processi in attesa Quando un evento esterno forza il cambio dello stato che il semaforo rappresenta il sistema userà la coda associata al semaforo per identificare il prossimo processo a cui cedere la risorsa

29 Lock Vi sono situazioni in cui un processo o il sistema potrebbero desiderare di consentire ad un solo processo l accesso ad una data risorsa Ad esempio perché quel processo la sta modificando e si deve attendere che abbia finito prima di utilizzarla In questi casi il processo che utilizza la risorsa o l oggetto chiede al sistema di impedirne l accesso ad altri, mettendovi un lock (blocco) Fintanto che quel processo mantiene il lock altri processi non potranno accedere a quella risorsa

30 Deadlock Supponiamo che Il processo A detenga un lock sull oggetto X Il processo B detenga un lock sull oggetto Y Il processo A chieda di usare l oggetto Y Verrà bloccato in attesa che B lo liberi Il processo B (che ancora è in esecuzione) a questo punto chieda di usare X Verrà bloccato anche Y e nessuno dei due processi potrà mai riprendere

31 Deadlock II Questo scenario: È tutt altro che improbabile Può coinvolgere numerosi processi, chiusi in una sequenza circolare di lock ed attese È potenzialmente difficile da rilevare da parte del sistema operativo in quanto un processo normalmente detiene lock su decine o centinaia di oggetti e i processi sono centinaia o migliaia