Systemprogrammierung - Cheatsheet

Erstellung und Terminierung von Prozessen

Definition:

Prozesserstellung und -beendigung in Betriebssystemen: Erzeugen (fork), Initialisieren (exec), Beenden (exit).

Details:

• Erstellung: fork() erzeugt Kindprozess
• Initialization: exec() lädt neues Programm in Prozessraum
• Beendigung: exit() beendet Prozess
• Prozesszustände: neu, bereit, laufend, wartend, beendet
• Warteschlange und Planung: Scheduler, Kontextwechsel
• Wichtige Systemaufrufe: fork(), exec(), wait(), exit()
• Zustandstransitionen durch Scheduler bestimmt

Interprozesskommunikation (IPC)

Definition:

Austausch von Daten zwischen mehreren Prozessen zur Koordination und Datenkonsistenz.

Details:

• Pipes: unumkehrbar, einfache Kommunikation zwischen Prozessen.
• Message Queues: persistente Nachrichtenwarteschlangen.
• Shared Memory: gemeinsamer Speicherbereich, schnelle Kommunikation.
• Sockets: Kommunikation über Netzwerke, flexibel.
• Semaphores: Synchronisation von Prozessen, Vermeidung von Race Conditions.
• Signals: einfache Steuerungsmechanismen für Prozessereignisse.

Prozesssynchronisation und Deadlock-Behandlung

Definition:

Koordination von Prozessen, um konsistente Zugriffe auf geteilte Ressourcen zu gewährleisten und Vermeidung von Deadlocks.

Details:

• Wichtige Mechanismen: Semaphoren, Monitore, Spinlocks
• Deadlock-Bedingungen: Mutual Exclusion, Hold and Wait, No Preemption, Circular Wait
• Strategien zur Deadlock-Behandlung: Vermeidung, Verhinderung, Erkennung und Behebung
• Banker's Algorithm zur Deadlock-Vermeidung
• Warteschlangen-Grafen für Erkennung/Analyse

Paging und virtuelle Speichertechniken

Definition:

Trennung von physischen und virtuellen Adressen zur effizienten Nutzung des Speichers.

Details:

• Virtueller Adressraum wird in Seiten (Pages) aufgeteilt.
• Physischer Speicher wird in Rahmen (Frames) aufgeteilt.
• Seitentabelle (Page Table) zur Verwaltung der Zuordnungen zwischen Pages und Frames.
• Adressumsetzung durch Hardware: MMU (Memory Management Unit).
• Seitenaustausch über lokale Platte bei Speichermangel.
• Effiziente Nutzung durch Vermeidung von Fragmentierung.
• Formel: Effektive Zugriffszeit \( EAT = (1 - p) \times MA + p \times (P + S + MA) \), wobei \( p \) die Fehlerrate, \( MA \) die Speicherzugriffszeit, \( P \) die Swap-Seitenladezeit, und \( S \) die Zeit zum Speichern der Seite ist.

Journaling-Dateisysteme

Definition:

Dateisysteme, die Änderungen in einem Journal protokollieren, um Datenintegrität zu erhöhen und schnellere Wiederherstellung nach einem Absturz zu ermöglichen.

Details:

• Verwendet ein Journal, um Metadaten und manchmal Nutzdaten zu speichern
• Reduziert das Risiko von Datenverlust bei plötzlichen Ausfällen
• 3 Modi des Journalings: writeback, ordered, journal
• Beispiele: ext3/ext4, XFS, JFS
• Metadaten-Journaling vs. Voll-Journaling

Systemaufrufe und ihre Implementierung

Definition:

Systemaufrufe (Syscalls) ermöglichen Programmen die Kommunikation mit dem Betriebssystem, um Dienste wie Dateioperationen oder Speicherverwaltung zu nutzen.

Details:

• Syscall-Interface als Vermittler zwischen User- und Kernel-Mode
• Übergabe von Parametern über Register oder Stack
• Wechsel vom User- in den Kernel-Mode durch Software-Interrupt (z. B. \texttt{int 0x80} auf x86)
• Implementierung in Betriebssystem-Kernel
• Fehlerbehandlung durch Rückgabewerte (meistens -1) und Setzen von \texttt{errno}

Socket-Programmierung

Definition:

Erstellen von Anwendungen, die über Netzwerke kommunizieren, unter Verwendung von Sockets.

Details:

• Sockets bieten eine Schnittstelle für die Kommunikation zwischen zwei Endpunkten.
• Wichtig: IPv4 vs. IPv6, TCP vs. UDP.
• Wesentliche Funktionen: socket(), bind(), listen(), accept(), connect(), send(), recv(), close().
• Verwaltung von Verbindungsabbrüchen und Fehlern notwendig.
• Beispiel TCP-Server:

  sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)sock.bind((host, port))sock.listen()conn, addr = sock.accept()data = conn.recv(1024)conn.send(data)conn.close()

Asynchrone und parallele Netzwerkprogrammierung

Definition:

Netzwerkprogrammierung, bei der Aufgaben unabhängig und gleichzeitig bearbeitet werden, um Effizienz und Performance zu steigern.

Details:

• Asynchrone Programmierung: Tasks starten ohne auf das Ende anderer zu warten; verwendet Callback-Funktionen, Promises oder async/await.
• Parallele Programmierung: Mehrere Tasks laufen gleichzeitig auf verschiedenen Kernen/Threads; verbessert durch Hardware-Multithreading.
• Wichtige Konzepte: Event Loop (asynchron), Threads und Prozesse (parallel), Race Conditions, Synchronisation.
• Bibliotheken: Boost.Asio (C++), asyncio (Python), Tokio (Rust)
• Typische Paradigmen: Non-blocking I/O, Futures, Channels