BS Kapitel 4 + Fragen
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Betriebssysteme - Fragen.md
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@ -0,0 +1,161 @@
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Fragen und Fragestellungen zum Verständnis zur Vorlesung
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# Prozesszustände und Zustandsmodelle
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> 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?
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# Scheduler
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> 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?
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# Scheduling-Strategie und Scheduling-Algorithmus
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> Nennen Sie mögliche strategische Ziele des Scheduling.
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> Was ist der Unterschied zwischen Scheduling-Strategie und Scheduling-Algorithmus?
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# Kontextwechsel
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> 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?
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# Last und Lastmuster
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> 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?
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# Batch-Systeme, Interaktive Systeme und Echtzeitsysteme
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> Wodurch sind die genannten Systeme jeweils charakterisiert?
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> Nennen Sie jeweils geeignete Scheduling-Strategien und charakterisieren Sie diese.
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# Privilegierungsebenen
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> 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?
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# Synchronisation & Kommunikation
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> 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“?
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## Semaphor
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> Beschreiben Sie einen Semaphor?
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> Wozu wird er verwendet?
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## Monitor (Hoar‘scher)
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> Beschreiben Sie einen Monitor?
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> Wozu wird dieser verwendet?
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> Welche Vorteile bieten Monitore gegenüber Semaphoren?
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> 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?
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> a) bei Monitoren
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> b) Welche Verwendungsmöglichkeiten sind noch denkbar?
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@ -308,7 +308,7 @@ Ein Kontextwechsel umfasst:
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- bei Wechsel zwischen Threads desselben Prozesses
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- Stackkontext
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- Prozessorregister
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- floating point unit (hohe Kosten)
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- floating point unit (hohe Kosten) (FPU)
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- zusätzlicher Wechsel zwischen Threads verschiedener Prozesse
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- Speicherlayout (sehr hohe Kosten)
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- starke Auswirkungen auf
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@ -505,4 +505,234 @@ Botschaften
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Sämtliche Schutz- und Sicherheitsmechanismen von
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- Anwendungsprozessen
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- Betriebssystem
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beruhen elementar auf 2 Bits: „Current Privilege Level“ (CPL) im Prozessor-Status-Register (PSR)
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beruhen elementar auf 2 Bits: „Current Privilege Level“ (CPL) im Prozessor-Status-Register (PSR)
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# Kommunikation und Synchronisation
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## Elementare Konzepte
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Beispiele:
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- Aufträge an Geräte und (Dienstleistungs-)Prozesse, z.B.
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- Kooperative Arbeit von Betriebssystem-Komponenten
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- Arbeit verschiedener Betriebssystemkomponenten mit (gemeinsamen) Management-Datenstrukturen
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- Interaktionen zwischen Anwendungsprozessen
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Die Auftragstabelle ist eine (Software-)Ressource.
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- Problem: ein Fehler entsteht dadurch, dass zwei (oder mehr) Prozesse oder Threads „durcheinander“ auf der Ressource arbeiten
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- Lösung: Unkoordiniertes Arbeiten mit der Ressource muss verhindert werden!
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Erst wenn ein Prozess (oder Thread) seine Arbeit mit der Ressource vollständig abgeschlossen hat, darf der nächste aktiv werden.
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Die Befehlsfolge innerhalb der Prozesse, während deren Abarbeitung auf die Ressource zugegriffen wird, ist ein kritischer Abschnitt.
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- Außerdem: genauere Betrachtung eines einzelnen Auftrags; kann aus mehreren Komponenten bestehen
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- Problem: durch „unkoordiniertes“ Arbeiten mehrerer Threads kann es auch bei den Auftrags-Einträgen zu Inkonsistenzen kommen
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Fazit:
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- Gesamte Arbeit an Auftragstabelle ist kritischer Abschnitt.
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- Nur 1 Thread darf zu einem Zeitpunkt mit Auftragstabelle arbeiten.
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- Erst wenn dieser Arbeit beendet hat, darf ein neuer Thread mit der Auftragstabelle arbeiten.
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Definitionen:\\
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Es gibt Ressourcen, die als ganzes oder bzgl. einzelner Operationen nur exklusiv, d.h. zu einem Zeitpunkt nur durch einen einzigen Thread nutzbar sind.
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1. Eine Phase, in der ein Thread eine exklusive Operation auf einer Ressource ausführt, heißt kritischer Abschnitt.
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2. Kritische Abschnitte erfordern den wechselseitigen Ausschluss (die Isolation) konkurrierender Threads bzw. Prozesse.
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Beispiel 2: Kommunikation von 2 Prozessen über gemeinsamen Speicherbereich („Erzeuger-Verbraucher-Problem“)
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- Problembeschreibung:
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- Ein Prozess schreibt Daten in den Speicherbereich ...
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- Der zweite Prozess liest diese Daten ...
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- Die Datenmenge ist so umfangreich, dass dieser Vorgang mehrmals (abstrahiert: unendlich oft) wiederholt werden muss.
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- 1. Problem (Puffer voll, Puffer leer); unterschiedliche Geschwindigkeiten von Erzeuger und Verbraucher
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- 2. Problem (Puffer wird gerade benutzt); gleichzeitiges Lesen und Schreiben des selben Pufferelements
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## Algorithmen zum wechselseitigen Ausschluss
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Genauere Definition des Problems (Annahmen)
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1. konkurrierende Threads arbeiten asynchron, z.B. in einer unendlichen Schleife
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2. dabei betreten und verlassen sie irgendwann einen kritischen Abschnitt
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3. Betreten und Verlassen dieses Abschnitts: wird durch Algorithmen organisiert, die den kritischen Abschnitt umgeben (Entry/Exit-Code)
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Grundsätzliche Anforderungen
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1. Korrektheit: In einem kritischen Abschnitt befindet sich zu jedem Zeitpunkt höchstens ein Thread (**wechselseitiger Ausschluss**).
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2. Lebendigkeit: Falls ein Thread einen kritischen Abschnitt betreten möchte, dann betritt (irgendwann) (irgend) ein Thread diesen Abschnitt. [Folglich kann **irgendwann** auch der erstgenannte Thread **den kritischen Abschnitt betreten**.]
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3. Verhungerungsfreiheit: **Kein Thread wartet für immer** vor einem kritischen Abschnitt.
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Wechselseitiger Ausschluss: ein erster (naiver) Versuch
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- Ideen
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1. während Benutzung des Puffers: wird dieser als „busy“ markiert
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2. bei Vorfinden eines so markierten Puffers: wird gewartet
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- Verhungern: z.B. bei Pseudoparallelität (fortwährende Unterbrechung des Writers im kritischen Abschnitt)
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## Synchronisations- & Kommunikationsmechanismen
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- Austausch von Daten zwischen Prozessen $\rightarrow$ Kommunikation (Inter-Prozess-Kommunikation, IPC)
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- Abweichende Geschwindigkeiten von Sender und Empfänger $\rightarrow$ Synchronisation
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Betrachtete Mechanismen:
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- Semaphore
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- Hoare ́sche Monitore
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- Transaktionalen Speicher
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- Botschaften
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- Fernaufrufe
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### (binäre) Semaphore
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Idee: Flagge
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- mit 2 Zuständen
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1. frei
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2. belegt
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- mit 2 atomaren Operationen
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1. belegen: P( Semaphorname ) („Passeren“)
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2. freigeben: V (Semaphorname) („Vriegeven“)
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- Sämtliche Nutzer dieses kritischen Abschnitts müssen diese semaphore verwenden (Entry-/Exit-Code, Türwächter)
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- besser: kein aktives Warten
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```cpp
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// pic ← codePicFromCamStream();
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||||
if bufferBusy.zustand = frei then
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||||
bufferBusy.zustand ← belegt
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||||
else
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||||
bufferBusy.warteliste ← aufrufer
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||||
fi
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||||
//write(buffer, pic);
|
||||
if bufferBusy.warteliste = leer then
|
||||
bufferBusy.zustand ← frei
|
||||
else
|
||||
bufferBusy.warteliste.vorne.continue
|
||||
fi
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```
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Implementierung von Semaphoren z.B. als Klasse (Objekt-Orientiert),
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- die die Methoden P und V exportiert
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- mit einer lokalen Thread-Warteliste
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- mit (aus dem Maschinenraum) importierten Operationen atomicBegin und atomicEnd, die Atomarität herstellen
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```cpp
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P(semaphore s) {
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||||
atomicBegin(s);
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||||
if (s.zustand = frei)
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||||
s.zustand ← belegt;
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||||
else
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||||
s.warteliste ← aufrufer;
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||||
scheduler.suspend(aufrufer);
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||||
fi
|
||||
atomicEnd(s);
|
||||
}
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||||
V(semaphore s) {
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||||
atomicBegin(s);
|
||||
if (s.warteliste = leer)
|
||||
s.zustand ← frei;
|
||||
else
|
||||
scheduler.continue
|
||||
(s.warteliste.vorne)
|
||||
fi
|
||||
atomicEnd(s);
|
||||
}
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```
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Unterstützung durch Hardware: die TSL-Operation
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- Atomarität
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- Ausschluss paralleler Ausführung
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→ TestAndSetLock („TSL“) im Instruktionssatz eines Prozessors
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```cpp
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atomicBegin(s):
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TSL s.state, callingThread.Id // try to get lock
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CMP s.state, callingThread.Id // did I get it?
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JZE gotIt // yes
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CALL scheduler.yield // optional in manycores, mandatory
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// in monocores: yield processor
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JMP atomicBegin // try again
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gotIt: RET // got it, may enter critical region
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```
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Nutzung von Semaphoren:
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- Multi-Thread-Anwendungen (Webserver, PowerPoint, etc.)
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- auf Betriebssystem Ebene von allen nebenläufigen Aktivitäten
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Implementierung
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- im Ressourcenmanagement des Betriebssystems
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- mit Hilfe des „Maschinenraums“: atomicBegin(s), atomicEnd(s)
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!ungelöst: Geschwindigkeitsdifferenz
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```cpp
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//Writer-Thread:
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forever do {
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codePicFromCamStream(pic);
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||||
P(bufferEmpty);
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||||
P(bufferBusy);
|
||||
write(buffer,pic);
|
||||
V(bufferBusy);
|
||||
V(bufferFull);
|
||||
}
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||||
```
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- bufferBusy: verhindert gleichzeitigen Zugriff
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- bufferEmpty: gibt Weg frei, wenn der Puffer leer ist
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- bufferFull: gibt Weg frei, wenn er gefüllt ist
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Mehrwertiger Semaphor (oder Zählsemaphor) mit mehreren Semaphoren; maximaler Sem-Wert = n, bestimmt maximale Anzahl von Threads, die gleichzeitig aktiv sein können
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Zusammenfassend:
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| bei Eintritt in kritischen Abschnitt | Bei Verlassen eines kritischen Abschnitts |
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| -- | -- |
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| P(Sem) - binärer Semaphor | V(Sem) - binärer Semaphor |
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| Down(Sem) - Zählsemaphor | Up(Sem) - Zählsemaphor |
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| Wait(Sem) - allgemein | Signal(Sem) - allgemein |
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| Haben die gleiche Wirkung auf den Wert des Semaphors: | Haben die gleiche Wirkung auf den Wert des Semaphors: |
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| - Dekrementieren, bis Wert „Null“ erreicht | - Inkrementieren des Semaphorwertes |
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| - Trifft ein Thread auf den Wert „Null“, wird dieser blockiert (und in eine Warteliste eingefügt) | |
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| - Nimmt der Semaphor wieder einen Wert > 0 an, setzt (normalerweise) erster Thread in Warteliste fort | |
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### Hoare'sche Monitore
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- Problem bei Anwendung von Semaphoren: Softwarequalität
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- Problematisch in größeren Systemen:
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- Synchronisationsoperationen (P und V)
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- umgeben kritische Operationen (z.B. read/write)
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- müssen explizit gesetzt werden
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Korrektheitsproblem. Die unabdingbare
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- Vollständigkeit
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- Symmetrie
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der P- und V-Operationen ist schwierig erreichbar und nachweisbar.
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- Die Idee: implizite/automatische Synchronisation kritischer Operationen
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- Der Weg: Nutzung des Prinzips der Datenabstraktion
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- Zusammenfassung von Daten, darauf definierten Operationen und der Zugriffssynchronisation zu einem abstrakten Datentyp, dessen Operationen wechselseitigen Ausschluss garantieren
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- Zugriff auf Daten: über implizit synchronisierende Operationen („Inseln der Ruhe“ in turbulenten Multithread-Umgebungen)
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||||
- Die kritischen Abschnitte und die zugehörigen Daten liegen jetzt in einem durch einen Monitor geschütztem Bereich
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Aufrufer muss nicht wissen
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1. ob Synchronisation nötig ist
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2. mit welchen Mechanismen dies erfolgen muss
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3. welche Regeln dabei gelten
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Ziel der Regeln\\
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Wechselseitiger Ausschlusses der Monitoroperationen ⟺ zu jedem Zeitpunkt ist höchstens ein Thread in einem Monitor aktiv
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1. Jede Monitoroperation ist am Eingang und an den Ausgängen durch einen Türsteher gesichert
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2. Das Betreten des Monitors erfolgt nur mit dessen Zustimmung („Anklopfen“)
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3. Falls ein anderer Thread im Monitor aktiv ist, wird die Zustimmung verweigert und der anklopfende Thread suspendiert ( $\approx$ P-Operation)
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||||
4. Wenn ein Thread den Monitor verlässt, wird ein wartender Thread eingelassen (fortgesetzt), ( $\approx$ V-Operation)
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||||
5. Gerät ein Thread innerhalb einer Monitoroperation in eine Wartesituation (Warten auf Bedingungsvariable), so verlässt er den Monitor
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6. Bevor ein auf eine Bedingung wartender Thread fortgesetzt wird, muss er wieder am Türsteher vorbei
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Implementierung der Regeln basierend auf Semaphoren
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- je Monitor: ein Semaphor
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- jede Operation eines Monitors enthält
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- am Eingang: eine P-Operation
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||||
- an jedem (!) Ausgang: eine V-Operation
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$\rightarrow$ wechselseitiger Ausschluss
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||||
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||||
Bedingungsvariable „Puffer nicht voll“, „Puffer nicht leer“ mit 2 Operationen:
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1. Warten auf das Vorliegen der Bedingung
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||||
2. Signalisieren des Vorliegens der Bedingung
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$\rightarrow$ Monitore mit Bedingungsvariablen
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Monitore: komfortabler Mantel für Semaphore
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Allgemeines Erzeuger/Verbraucher-Problem
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Lösung 2er Aspekte der Synchronisation
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1. wechselseitiger Ausschluss der Zugriffe auf gemeinsame Daten („buffer“)
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- durch wechselseitigen Ausschluss von Monitoroperationen
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- kurzzeitiges Ausbremsen
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2. Anpassung unterschiedlicher Geschwindigkeiten von Erzeuger und Verbraucher
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||||
- durch Warten auf und Signalisieren von Bedingungen (nonFull, nonMt)
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||||
- längerfristiges Ausbremsen
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Methoden und Mechanismen verwendbar für
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1. Threads und Prozesse innerhalb eines Betriebssysteme
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||||
2. Threads innerhalb eines Anwendungsprozesses
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3. Anwendungsprozesse untereinander (notwendig: gemeinsamer Speicher!)
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||||
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