Informatik/Betriebssysteme - Fragen.md

Fragen und Fragestellungen zum Verständnis zur Vorlesung

# Einführung
> Wo sind Betriebssysteme zu finden?


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> Welches Spektrum decken sie ab?


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> Welche Arten von Betriebssystemen gibt es?


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> Welche funktionalen und nichtfunktionalen Eigenschaften spielen dabei eine Rolle?

# Prozesszustände und Zustandsmodelle
> Warum existieren Prozesszustände? Gehen Sie speziell auf die Prozesszustände „bereit“ und „blockiert“ ein.


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> Welches sind die in praktisch jedem Betriebssystem implementierten (grundlegenden) Prozesszustände?


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> Nennen Sie Gründe für die Einführung weiterer Prozesszustände. Welche weiteren Prozesszustände sind Ihnen bekannt?


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> Was ist die Aufgabe von Zustandsmodellen?


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> Charakterisieren Sie das 3/5- und das 7-Zustandsmodell.


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> Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Prozesszuständen, Zustandsmodellen und der Automatentheorie?


# Scheduler
> Aus welchen Gründen existiert im Betriebssystem die Komponente „Scheduler“ und welche Aufgaben hat diese?

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> Besitzt jedes Betriebssystem einen Scheduler?

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> Charakterisieren Sie die Arbeitsweise eines Schedulers.


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> Welche Vorkommnisse können allgemein zu einer Aktivierung des Schedulers führen?


# Scheduling-Strategie und Scheduling-Algorithmus
> Nennen Sie mögliche strategische Ziele des Scheduling.


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> Was ist der Unterschied zwischen Scheduling-Strategie und Scheduling-Algorithmus?


# Kontextwechsel
> Was bedeutet es, einen Kontextwechsel auszuführen? Was muss dabei alles getan werden?


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> Wodurch entstehen die Kosten eines Kontextwechsels und worauf wirken sich diese aus?



# Last und Lastmuster
> Was ist unter „Last“ in einem Computer-System zu verstehen?


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> Welche charakteristischen Lastmuster könnten dabei vorliegen?


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> Welcher mögliche Zusammenhang existiert zwischen verschiedenen Lastmustern und verschiedenen Schedulingstrategien?



# Batch-Systeme, Interaktive Systeme und Echtzeitsysteme
> Wodurch sind die genannten Systeme jeweils charakterisiert?



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> Nennen Sie jeweils geeignete Scheduling-Strategien und charakterisieren Sie diese.



# Privilegierungsebenen
> Welchen Sinn haben Privilegierungsebenen?



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> Welches sind die grundlegenden, typischerweise verwendeten Privilegierungsebenen?



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> Wie wirkt sich die Ausführung einer Aktivität in einer bestimmten Privilegierungsebene auf deren Arbeitsweise aus?



# Synchronisation & Kommunikation
> Was versteht man unter einem kritischen Abschnitt?

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> Warum darf sich in einem kritischen Abschnitt immer nur 1 Thread aufhalten?


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> Wie können kritische Abschnitte geschützt werden?


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> Was ist eine exklusiv nutzbare Ressource?


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> Welchen Zusammenhang gibt es zu kritischen Abschnitten?



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> Welcher Zusammenhang existiert zwischen „exkluviv nutzbarer Ressource“, „kritischer Abschnitt“ und „race conditions“?


## Semaphor
> Beschreiben Sie einen Semaphor?


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> Wozu wird er verwendet?


## Monitor (Hoar‘scher)
> Beschreiben Sie einen Monitor?


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> Wozu wird dieser verwendet?


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> Welche Vorteile bieten Monitore gegenüber Semaphoren? 



> Was bedeutet Atomarität (von Anweisungen)?


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> Wo ist Atomarität bei Semaphoren notwendig?


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> Wie kann Atomarität durch Maschinenbefehle unterstützt werden?


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> Wozu dienen Bedingungsvariable?
> a) bei Monitoren



> b) Welche Verwendungsmöglichkeiten sind noch denkbar?


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## Transaktionaler Speicher
> Welche Entwicklungen führten zu Entwicklungsarbeiten bezüglich dieses Konzepts?

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> Verbirgt sich hinter diesem Konzept eine pessimistische oder eine optimistische Herangehensweise an die Synchronisationsproblematik – und warum?



## Botschaften und botschaftenbasierte Kommunikation
> Unter welchen Bedingungen muss botschaftenbasierte Kommunikation zur Anwendung kommen?


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> Charakterisieren Sie die 2 elementaren Methoden zur Realisierung botschaftenbasierter Kommunikation!
## Fernaufrufe
> Warum wird unter den entsprechenden Bedingungen (siehe oben) nicht alle Kommunikation über Botschaften abgewickelt – was ist das Besondere an den stattdessen auch verwendeten Prozedurfernaufrufen bzw. Methodenfernaufrufen?


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> Wie ist die Kommunikation in Mikrokern-Betriebssystemen organisiert?


## Systemaufrufe
> Welchem Zweck dienen Systemaufrufe?

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> Welche Beispiele von Systemaufrufen sind Ihnen bekannt? – Wozu dienen diese jeweils?


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> Warum realisieren Systemaufrufe keinen direkten Einsprung in den Betriebssystemkern?


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> Mit welchen Problemen muss bei der Realisierung von Systemaufrufen umgegangen werden – und wie sehen die Lösungen aus?


## Ereignisse und Ereignismanagement
> Welche Dinge sind im Betriebssystemkontext Ereignisse?

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> Welche Möglichkeiten gibt es, mit Ereignissen umzugehen?

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> Welche Vorteile bieten Interrupts (Unterbrechungen)?

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> Welche drei Modelle gibt es zum Umgang mit Interrupts?

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> Was sind Interruptvektor, Interruptvektortabelle und Interrupt-Service-Routinen?

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> Warum und inwieweit ist die Rechner-Hardware in die Interrupt-Bearbeitung involviert?


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> Was versteht man unter Interrupts auf Anwendungsebene und wie kann damit umgegangen werden?

# Speichermanagement
> Welche Eigenschaften sollte ein idealer Speicher haben?

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> Warum gibt es stattdessen in der Praxis Speicher-Hierarchien?


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> Charakterisieren Sie (grob) die bei Speicherhierarchien zum Einsatz kommenden Technologien und Speicherklassen.

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> Was sollte ein Arbeitsspeicher können?

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> Aus welchem Grund wurde die Relokation von Prozessen erforderlich – und was wird hierdurch erreicht?

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> Welche Nachteile bringt die Relokation mit sich?

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> Wie „funktioniert“ Relokation – technisch gesehen? 

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> Welche Technik „steckt“ hinter dem Begriff „Swapping“? 


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> Welche Probleme werden hiermit gelöst – welche nicht? 



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> Welche neuen Probleme entstehen durch diese Technik (Swapping)?

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> Welche Verfahren der Speicherverwaltung werden als Realspeicherverwaltung (im Gegensatz zu virtueller Speicherverwaltung) bezeichnet?

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> Welches sind Grundidee und Zweck des virtuellen Speichers? 


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> Wie wird virtueller Speicher implementiert? 


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> Welche Rolle spielt dabei eine Memory Management Unit (MMU)? 


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> Was versteht man unter „virtueller Speicher“ und „virtuelles Speichermanagement“? 

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> Was versteht man ganz allgemein unter einem Adressraum? 

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> Erklären Sie die Begriffe „Adressraum eines Prozesses“, „physischer Adressraum“ und „virtueller Adressraum“ in ausreichender Tiefe. 

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> Welchem Zweck dient die genannte Abbildung $vm_p$? 


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> Warum wird für jeden virtuellen Adressraum eine individuelle Abbildung benötigt?


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> Aus welchem Grund gibt es unbenutzte bzw. undefinierte Adressbereiche? 


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> Wieso realisiert vm p nur eine partielle Abbildung des virtuellen in den physischen Adressraum? 


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> Durch welchen Effekt wird durch vm p die Isolation verschiedener virtueller Adressräume erreicht? 


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> Warum kann es Ausnahmen von dieser Isolation geben – und was soll hierdurch ermöglicht werden? 


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> Welche Aufgaben hat eine MMU? 


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> Könnten die Aufgaben einer MMU auch ohne eine solche gelöst werden – und welche Nachteile hätte dies gegebenenfalls?

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> Was versteht man jeweils unter „Seite“ (page) und Seitenrahmen (page frame) im Kontext der virtuellen Speicherverwaltung? 


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> Welche Aufgaben hat die Seiten(abbildungs)tabelle? 

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> Welche Struktur hat ein Seitentabelleneintrag? 

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> Welche Problemfelder existieren bei der virtuellen Speicherverwaltung (VMM)?

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> Welche Lösungsmöglichkeiten existieren für die Probleme 1 bis 3?

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> Was ist unter einem Seitenfehler zu verstehen – und wie kommt ein solcher zustande? 

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> Was ist ein Seitenfehler-Interrupt – und welchem Zweck dient er? 

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> Welche Aufgaben lösen jeweils die Hardware bzw. die Software im Zusammenhang mit einem Seitenfehler-Interrupt?

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> Was ist der Translation Look-aside Buffer und welche Funktion hat er? 

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> Was ist bei der Verwaltung (Management) des TLB zu beachten? 

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> Welche prinzipielle Frage stellt sich bei den Seitenaustausch-Algorithmen?

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> Was versteht man unter der optimalen Seitenaustausch-Strategie – und warum wendet man diese aber nicht an?

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> Worin besteht die Grundannahme bei der First-In-First-Out-Strategie und was ist von dieser zu halten? 

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> Welche Vorteile besitzt sie trotzdem? 

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> Wodurch verbessert die Second-Chance-Strategie die FIFO-Strategie?

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> Welche Vor- und Nachteile besitzt die Second-Chance-Strategie? 

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> Wie unterscheidet sich die Grundannahme der LRU-Strategie von derder Second-Chance-Strategie?

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> Warum sind die Voraussetzungen zur Realisierung von LRU „teuer“ – und wie sehen tatsächliche technische Realisierungen aus? 

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> Welche Komponenten eines Seitentabelleneintrags sind für die technischen Realisierungen von LRU erforderlich?

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> Was versteht man unter dem Working Set („Arbeitsmenge“) eines Prozesses?

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> Von welcher Grundannahme geht die Working-Set-Strategie aus – und welcher Typ von Seiten sind hier Auslagerungskandidaten? 

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> Wie ist die Arbeitsmenge eines Prozesses definiert? 

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> Welche Komponenten eines Seitentabelleneintrags sind zu einer technischen Realisierung der Working-Set-Strategie erforderlich? 

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> Wie ist die Working-Set-Strategie einzuschätzen (Bewertung)? 

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> Wie funktioniert die WSClock-Strategie?

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> Welche (schon vorher bekannten) Ideen wurden für die WSClock verwendet? 

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> Welche Probleme werden mittels Segmentierung gelöst?

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> Wie funktioniert Segmentierung mit Paging – und wozu ist diese Verfahrensweise gut?


# Dateisysteme
> Wozu werden Dateien benutzt?


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> Wie ist eine Datei definiert? 


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> Welche wichtigen Eigenschaften sollten Dateien haben – und warum?


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> Welche Aufgabe haben Dateimodelle?


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> Wodurch unterscheiden sich verschiedene Dateimodelle? 


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> Wozu werden (symbolische) Dateinamen benutzt?


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> Welche Transparenzeigenschaften können durch die Gestaltung der Dateinamen ausgedrückt werden? 


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> Was ist ein hierarchischer Namensraum und welche vorteilhafte


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> Eigenschaft besitzt dieser? 



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> Welche Vorteile besitzen unstrukturierte Dateien? 


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> Warum gibt es trotzdem strukturierte Dateien? 


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> Nennen Sie typische Dateiattribute. 


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> Was sind Sicherheitsattribute und wie können diese aussehen?


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> Welche Dateioperationen werden in jedem Dateisystem benötigt?


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> Welche Funktion haben die Operationen „lseek“ und „mmap“ – und käme man auch ohne diese beiden Funktionen aus?


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> Welche Aufgaben haben Dateisysteme?


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> Was ist Ihnen über das physische Layout von Magnetplatten bekannt?


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> Charakterisieren Sie den Begriff „Sektor“ – warum ist er wichtig?


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> Welches sind wichtige Parameter von Speichermedien?


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> Wie unterscheiden sich die Eigenschaften von Magnetplatten und SSDs prinzipiell?


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> Welche prinzipiellen Management-Datenstrukturen gibt es?


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> Welche Informationen enthält ein i-Node?



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> Welche Aufgaben haben Verzeichnisse?


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> Wie kann ein symbolischer hierarchischer Namensraum dargestellt werden?


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> Durch welche 2 Formen können freie Speicherbereiche beschrieben werden?


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> Was wird durch den Superblock beschrieben? 


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> Welche prinzipiellen Informationen sind hier zu finden?


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> Beschreiben Sie die einzelnen Schritte verschiedener Dateizugriffsarten


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> Welche Management-Datenstrukturen sind dabei und zu welchem Zweck beteiligt?

# Netzwerkmanagement
> Wie sind Sockets definiert?

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> In welchem Zusammenhang werden Sockets benutzt?


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> Wie kann man sich Sockets – symbolisch gesehen – vorstellen?


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> Warum treten Sockets immer paarweise auf?


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> Beschreiben Sie das durch Sockets implementierte Kommunikationsmodell. 


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> Wie und wozu sind Sockets konfigurierbar? 


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> Nennen Sie Beispiele für räumlich verteilte Systeme (Hardware) und verteilte Dienste und Anwendungen (Software).


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> Wozu dient das Socketframework des Betriebssystems?


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> Aus welchen Ebenen (levels) besteht die Implementierung dieses Frameworks?

# E/A Systeme
> Welche Aufgaben erledigt ein Geräte-Treiber?


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> Wie muss man sich seine Arbeitsweise vorstellen?


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> Welcher Zusammenhang besteht zwischen Geräte-Treibern und dem Interrupt-System?


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> Warum sind die Geräte-Treiber der fehleranfälligste Teil der Betriebssystem-Software?


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> In welcher Form werden Geräte-Register im Betriebssystem sichtbar?


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> Wie kann man sich prinzipiell die E/A-Arbeitsweise bei Verwendung eines eigenen E/A-Adressraums vorstellen?


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> Welche Probleme existieren in diesem Zusammenhang?



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> Wie funktioniert prinzipiell E/A unter Verwendung von Memory-Mapped-E/A?


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> Was ist von dem hierbei implementierten Schutzkonzept – auch im Vergleich zu E/A-Adressräumen zu halten?


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> Was sind in diesem Zusammenhang „nicht-cachebare Seiten“ und wodurch entstehen diese?

# High End Betriebssysteme
> Welche Entwicklungen und Erkenntnisse der Betriebssystem-Forschung zeichnen aktuelle „High-End-Betriebssysteme“ aus?


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> Welche Ziele sind mit diesen „modernen“ Entwicklungen verbunden – und warum ist dies wichtig und notwendig?


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> Welche nichtfunktionalen Eigenschaften von Betriebssystemen sind für gesellschaftlich relevante Industriezweige und Einrichtungen von herausgehobener Bedeutung – und warum?


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> Warum reichen die Sicherheitseigenschaften herkömmlicher Betriebssysteme für heutige Anforderungen nicht mehr aus – und was soll durch verbesserte 

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> Sicherheitseigenschaften erreicht werden?


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> Durch welche Maßnahmen wird SELinux zu einem Beispiel eines „zeitgemäßen“ Betriebssystem mit verbesserten Sicherheitseigenschaften?


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> Welche Rolle spielt der Security-Server bei SELinux?


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> Wie kann man sich prinzipiell die Sicherheitspolitik von SELinux vorstellen?



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> Was ist unter Robustheit zu verstehen?


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> Wodurch unterscheiden sich monolithische und Mikrokern-Architekturen von Betriebssystemen?


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> Durch welche prinzipiellen Gegebenheiten sind Mikrokern-Architekturen robuster als monolithische Betriebssystemarchitekturen?