Bsys

Datei:

- einfache, unstrukturierte Folge von Bytes

- Zugriffsrechte: lesen, schreiben, ändern

Verzeichnis:

- Baumförmige Struktur

- Knoten = Verzeichnisse

- Blätter = Verweise auf Daten

- Jeder UNIX Prozess ist immer in einem akiven Verzeichnis zugeordnet.

Wie ein Steckbrief einer Datei im Dateisystem - Speichert Informationen über die Datei

- Pro Datei ein Inode (128 Byte)

- Eindeutige Inode Nummer

Inhalt: 

- Dateityp

- Besitzer/Gruppenzugehörigkeit

- Zugriffsrechte

- Anzahl Hard Links

- Dateigrösse in Bytes

- Adresse der dazugehörigen Datenblöcke

Nebenläufigkeit: kausal unabhängig -> Prozesse verlaufen unabhängig voneinander

Parallelität: (Voraussetzung: Nebenläufigkeit) -> Ablauf ist zeitlich überlappend

- Ein laufendes Programm

- Eine sequenziell Ablaufende Aktivität

- Computer bearbeiten Aufgaben in definierten Arbeitsabläufen

- Programm + Bearbeitungszeit

- Benötigte Ressourcen/Betriebsmittel (Prozessor, Speicher, Kommunikation)

- Benötigte Rechtte (Dienste, Dateien, Kommunikation)

1) Prozess (oder Thread) erzeugen
- starten

- stoppen

- unterbrechen

- steuern

- terminieren

- ein- /auslagern

Prozesskommunikation
- Prozess <-> Prozess , Kernel <-> Prozess

Zuordnung Ressourcen

- Benutzer GUI/Shell
- Intern -> Systemaufruf

1. Prüfen notwendiger Voraussetzungen -> Rechte, Ressourcenverfügbarkeit

2. Namensvergabe (Identifikation)

3. Allokation von Ressourcen / Ressourcenzuweisung

4. Anlegen von Management datenstruktur (PCB) in die Tabelle

- Wie viel Arbeitsspeicher benöttigt der neue Prozess
- Zu welchem Zeitpunkt erhält er ihn?

- Wie ist der Prozess von anderen Prozessen geschützt/isoliert?

- Jeder Prozess bekommt 4 Speicher-Bereiche, die unterschiedliche Zwecke haben

1) Text-Segment (Code des aufgeführten Programms)

2) Daten-Segment (Speicher für Programmvariablen -> INTERGER/String)
3) Heap-Segment
4) Stack-Segment (Organisation des dynamischen Programmablaufs)

- Wann kriegt ein Prozessor CPU-Zeit?
echtzeitfähige-Systeme: (Scheduling)
 - Planung und Bereitstellung von CPU-Zeit für einen Prozess

- Wie viel CPU-Zeit wird benötigt

- Wann wird die CPU-Zeit benötigt?

nicht-echtzeitfähige-Systeme:

- dynamischer ad-hoch-Scheduling

Für die Verwaltung von Prozessen werden Informationen benötigt:

1) Prozessidentifikation 2)Rechtemanagement 3)Speichermanagment (Speicherorte) 
4) Prozessormanagement (Lastprofil, Priorität, Ablaufzustand) 5) Kommunikationsmanagement (Zukünftige Ereignisse)

Eine Datenstruktur, welche das Betriebssystem für jeden laufenden Prozess anlegt -> Process Control Block (PCB)

- Die Tabelle enthält alle wichtigen Informationen um den Prozess zu verwalten, zu unterbrechen, wieder aufzunehmen oder zu terminieren

1) Identifikation -> ID

2) Scheduling -> Prozesszustand

3) Prozessorkontext -> Programmzählen

4) Ereignismanagment -> anstehende Ereignisse, geplante Ereignisse

5) Accounting -> Startzeit etc.

Gründe:

- Aufgabe erledigt -> GUI: Logout, Compiler: Übersetzung abgeschlossen

- Fehler und weitermachen ist sinnlos: Datei nicht gefunden, Division durch 0

- Harter Fehler -> Prozess wird nicht mehr gebraucht, Fenster schliessen, Verklemmungsauflösung

Wie: 
- Benuzter -> GUI oder Shell

- Systemaufruf von Programm: Nach Beendigung des Programms
- Systemaufruf von BS: - Verklemmungsüberwachung

Ein kleiner Ausführungsstranginnerhalb eines Prozesses, der eine kostengünstige Parallelisierung ermöglicht.

- Ein Thread teilt sich einen Adressraum des übergeordneten Prozesses mit anderen Threads 

- Die Ressourcen werden ebenfalls geteilt

- Threads laufen zeitgleich mit anderen Threads desselben Prozesses

- Ein Kontextwechsel läuft deutlich effizienter und feiner

Ein laufendes Programm, welches sequenziell abläuft

- Jeder Prozess hat einen eigenen Adressraum

- Jeder Prozess hat eigene Systemressourcen

- Unabhängig von anderen Ressourcen (Isoliert)

- Kontextwechsel ist aufwendig und teuer

- Löst das Problem, wie Prozesse für CPU-Zeit ausgewählt werden sollen

Ziel: Effizientes Ressourcen Management durch präzise Erkennung von Threadzuständen

1) Aktiv -> Hat CPU-Zeit zugeteilt bekommen, arbeitet

2) Rechenbereit -> Hätte gerne CPU-Zeit

3) kurzfristig wartend (z.B. I/O Abfrage)

4) langfristig wartend (z.B. Timer-Ablauf)

5) frisch: erzeugt, aber Ressourcen und Rechte fehlen

6) Beendet: Ressourcen werden freigegeben

Komponent, welcher entscheidet, welcher Prozess als nächstes CPU-Zeit zugewiesen bekommt

Ablauf:

1) Scheduler Aktivierung (Durch Blockierung eines aktiven Threads)

2) Auswahlstrategie (Priorisierte, Zeitbasierende)

3) Zuteilung oder Entzuung von CPU-Zeit

- Jeder Thread hat einen eigenen TCB, wie bei den Prozessen PCB

- Scheduler speichert und lädt TCB bei Kontextwechsel

- CPUs greifen auf TCBs zu, um den Zustand zu wechseln

Das ist der Wechsel des Prozessors von einem Prozessor oder Thread zu einem anderen.

Dabei wird der komplette Zustand des alten Prozesses (PCB) gespeichert und der Zustand des neuen Prozesses (PCB) geladen.

Wann wird die letzte Scheduling-Entscheiden überprüft?

1)  Prozess/Threaderzeugung

2) Threadterminierung / Blockierung -> Ein Prozessor wird frei

3) Ereigniseintritt -> Thread wird rechenbereit 

4) Wechsel von Prioritäten 

5) Periodisch

- Einfaches FIFO Verfahren

- Threads werden in der Reihenfolge ihrer Ankunft abgearbeitet

- Arbeiten durch bis Sie warten müssen

Vorteile:

- einfach, schnell, geringer Kontextwechsel

Nachteile: 

- Lange Prozesse können kurze blockieren -> Convoy Effekt

- Nächster Thread ist der mit der kürzesten Verbleibenden Rechenzeit
- Preemptiv: Aktiver Thread kann unterbrochen werden
- Voraussetzunge: Schätzung der Restzeit ist vorhanden

Vorteil: minimale durschnittliche Wartezeit,

Nachteile: Schwere Vorhersehbarkeit, Gefahr von Aushungerung von langen Prozessen

- Wird bei interaktiven Systemen eingesetzt

Jeder Thread bekommt eine Zeitscheibe (20-50ms) Time Slicing
-  Nach Ablauf der Zeit -> Kontextwechsel zum nächsten Thread

-Grösse der Zeitscheibe (in ms)
  - Klein: Hohe Reakitvität, viel Overhead

  - Gross: wenig Overhead, trägigkeit

Jeder Thread erhält einen Prioritätenwert, welcher ihre wichtigkeit ausdrückt.

- Niedrige Priorität-> Hintergrunddienste (Demons), Wartungsaufgaben

- Hohe Priorität -> Auf Benutzereinagben reagierende Threads (GUI) -> Auf Aufträge reagierende Threads (in Server)

Idee: 

1) Jeder Thread erhält einen Prioritätenwert
2) Threads mit höheren Prioritäten erhalten CPU-Zeit

3) Falls Gleichstand -> Round Robin unter gleichen Priorität

ideale: -> beliebig schnell und gross. Billig und persistent (Speichern Daten ohne andauernde Energiezufuhr)
reale -> schnell, teuer, flüchtig (RAM). langsam, preiswert, persistent (HDD, SSD). Es gibt eine Vielzahl von Schattierungen dazwischen

- Management der Speicherhierachie

- Aufgabe des OS

- RAM -> HDD, SSD...

Merkmale:

- extrem einfaches Speichermanagement (fester Adressbereich für eine einzelne Anwendung)

- Keine Hardware unterstützung (z.B. kein MMU)

- Betriebssystem ist Bibliothek

- Zu jedem Zeitpunkt läuft nur ein Programm im Adressbereich -> Absolute Adressen

Merkmale:

- einfaches Speichermanagement (Freiliste, first-fit oder best-fit vergabe)

- parallele Prozesse (nicht nur ein Prozess im gesamten Adressbereich)

Negativ:

- Verletzbarkeit -> Zugriff auf Speicherbereiche durch fremde Prozesse

- Enge -> Nicht mehr so viel Adressbereich für einzelnen Prozess

- Komplexität -> Wachsen von Prozessen problematisch (nicht virtueller Speicher)

- Platzieren eines Prozesses an einer beliebigen Speicheradressse) Code denkt, dass er bei 0 startet

- Verschieben von Prozessen zwecks Vergrösserung/Speicherbereinigung (Defragmentierung z.B.)

- Prozesse müssen nicht mehr an festen Speicheradressen starten (0), sie können irgendwo im RAM liegen

- Compiler/Linker erzeugt relative Adresse (z.B. 10), welche relativ zur Speicheradresse (0) ist. 

- Beim Anlegen/Verschieben eines Prozesses werden markierte Adressen aktualisiert -> tatsächliche Adresse = relative Adresse + Prozessanfangsadresse

Erreicht:

- Anlegen eines Prozesses an beliebiger Adresse

- Verschiebbarkeit

Ziel: 

- Beseitigung der Enge durch Schaffung von freiem Arbeitsspeicher durch Auslagerung von Prozessen

- Prozess wird dabei komplett aus dem RAM entfernt um Platz für einen anderen Prozess zu schaffen

- Der Status geht dabei auf "suspended"

Negativ:

- Prozesswechsel werden teuer -> Aus/Einlagerungszeiten -> Relokation bei wiedereinlagerung an neue Adresse

- Der pro Prozess adressierbare Speicher wird nicht grösser durch Swapping (Limitiert durch physische Arbeitsspeichergrösse)

Voraussetzung für Swapping: 

- Der Prozess muss beim einlagern nicht wieder am gleichen Bereich liegen (Kann irgendwo angehangen werden)