Grundlagen: Betriebssysteme und Systemsoftware - Cheatsheet.pdf

Monolithische Architekturen

Definition:

Architekturstil bei dem ein System als eine einzige, untrennbare Einheit implementiert wird.

Details:

• Alle Komponenten (UI, Geschäftslogik, Datenzugriff) in einem einzigen Codebase.
• Häufig schwer skalierbar und wartbar.
• Gegensatz zu Microservices.
• Hohe Abhängigkeiten zwischen Modulen.

Prozesslebenszyklus

Definition:

Lebenszyklus eines Prozesses von seiner Erzeugung bis zur Terminierung.

Details:

• Zustände: erstellt, bereit, laufend, wartend, abgeschlossen
• Prozesswechsel durch Kontextwechsel
• Erstellung: \texttt{fork()}, \texttt{exec()}
• Terminierung: \texttt{exit()}, \texttt{abort()}
• Wechsel zu bereit: Ressourcen verfügbar
• Wechsel zu laufend: CPU zugeteilt
• Wechsel zu wartend: Ressourcen warten

Paging und Segmentierung

Definition:

Techniken zur Speicherverwaltung in Betriebssystemen zur effizienten Nutzung des Hauptspeichers.

Details:

• Paging: Zerlegung des Speicherraums in feste Seiten (Pages) und Zuweisung von Seitenrahmen (Page Frames) im physischen Speicher
• Segmentation: Zerlegung des logischen Adressraums in variable Segmente mit logischen Einheiten (z.B. Code, Daten, Stack)
• Virtuelle Adressen umgerechnet in physische Adressen mittels Seitentabelle (Page Table) und Segmenttabelle (Segment Table)
• Formeln:
  • Virtuelle Adresse in Paging: Virtuelle Adresse = Page-Nummer + Offset Physische Adresse = Frame-Nummer + Offset
  • Virtuelle Adresse in Segmentierung: Virtuelle Adresse = Segment-Nummer + Offset Physische Adresse = Basisadresse + Offset
• VorteilePaging: einheitliche Blockgröße, einfache Speicherverwaltung, keine externe Fragmentierung
• Vorteile Segmentierung: logische Strukturierung, flexible Speicherverwaltung, Schutzmechanismen

Journaling Dateisysteme

Definition:

Journaling-Dateisystem: Spezialisiertes Dateisystem zur Erhöhung der Konsistenz und Integrität durch Protokollierung von Änderungen in einem separaten Log (Journal).

Details:

• Schützt vor Datenverlust bei Systemausfällen.
• Änderungen in 2 Phasen: Log schreiben, dann eigentliche Daten schreiben.
• Verbessert Recovery-Prozesse (schneller Systemstart nach Absturz).
• Häufige Journalling-Dateisysteme: ext3, ext4, NTFS, ReiserFS.
• Journaling-Typen: Writeback, Ordered, Data.
• Nachteil: Zusätzlicher Overhead durch Journaling-Prozess.

Synchronisationstechniken

Definition:

Techniken zur Gewährleistung von Konsistenz und Ordnung in der Kommunikation und beim Zugriff auf gemeinsame Ressourcen in parallelen oder verteilten Systemen.

Details:

• Mutexe: Zustandsvariable zur Kontrolle des Zugriffs auf eine Ressource.
• Semaphore: Zählmechanismus zur Steuerung des Zugriffs auf mehrere Instanzen einer Ressource.
• Monitore: Höherstufige Synchronisationskonstrukte, die Mutexe und Konditionsvariablen vereinen.
• Spinlocks: Aktive Warteschleifen zur Ressourcenkontrolle.
• Bedingungsvariablen: Warten und Benachrichtigen von Threads in Monitorkonstrukten.
• Deadlock: Zustand, in dem sich zwei oder mehr Threads gegenseitig blockieren.

Benutzer- und Rechteverwaltung

Definition:

Verwaltung von Benutzerkonten und deren Berechtigungen im Betriebssystem.

Details:

• Benutzer: Identifizierte Entitäten im System.
• Rechte: Privilegien, die einem Benutzer zugewiesen werden.
• Zugriffssteuerung: Mechanismen zur Kontrolle, wer auf welche Ressourcen zugreifen darf.
• Sicherheitsrichtlinien: Festlegung der Zugriffsrechte und -beschränkungen.
• Dateisystemberechtigungen: Unix-/Linux- (chmod, chown) und Windows-Berechtigungsmodelle.
• Gruppen: Zusammenfassung von Benutzern zur gemeinsamen Rechteverwaltung.
• Authentifizierung: Prozesse zur Überprüfung der Benutzeridentität (z.B. Passwörter, biometrische Verfahren).

Kontextwechsel

Definition:

Interruption des aktuellen Threads, Speichern seines Zustandes, Laden des Zustandes eines anderen Threads.

Details:

• Prozess: Von Scheduler initiiert
• CPU-Register, Programmzähler, Stack-Zeiger müssen gespeichert und wiederhergestellt werden
• Speicherverwaltung: Kontextwechsel kann TLB und Cache ändern
• Zeitaufwand: Abhängig von Hardware und Betriebsystemoptimierung

Virtueller Speicher

Definition:

Methode zur Verwaltung des Arbeitsspeichers, indem physischer Speicher durch Zuordnung zu virtuellen Adressen effizient genutzt wird.

Details:

• Trennung von logischem und physischem Speicher
• Verwendet Seiten (Pages) und Seitenrahmen (Page Frames)
• Adressübersetzung über Seitentabellen (\texttt{Page Tables})
• Speicherverwaltungseinheit (Memory Management Unit, \texttt{MMU}) führt die Adressübersetzung durch
• Erhöht die Speicherverwaltungseffizienz und Prozessisolierung
• Belastungssteuerung (\texttt{Paging}) und Zuordnung von virtuell zu physischem Speicher