Betriebssysteme und Betriebssystemtechnik - Cheatsheet

Systemaufrufe und Benutzer-Kernel-Interaktion

Definition:

Systemaufrufe ermöglichen die Kommunikation zwischen Benutzerprogrammen und dem Betriebssystemkern.

Details:

• Systemaufrufe (Syscalls) sind Schnittstellen, um Dienste des Betriebssystems in Anspruch zu nehmen und erfordern Wechsel in den Kernel-Modus.
• Beispiele: read(), write(), fork(), exec()
• Ablauf: Benutzerprozess → Syscall-Handler → Kernel → Rückgabe an Benutzerprozess
• Wichtige Register: eax für Syscall-Nummer, ebx bis edi für Argumente
• Übergang von Benutzermodus zu Kernelmodus mittels int- oder sysenter-Befehl

Scheduling-Algorithmen (z.B. FCFS, SJF, RR)

Definition:

Scheduling-Algorithmen in Betriebssystemen bestimmen die Reihenfolge, in der Prozesse zur Ausführung kommen.

Details:

• FCFS (First-Come, First-Served): Prozesse werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens abgearbeitet.
• SJF (Shortest Job First): Der Prozess mit der kürzesten Ausführungszeit wird zuerst ausgeführt. Nicht-präemptiv.
• RR (Round Robin): Jeder Prozess erhält für eine festgelegte Zeitspanne (Time Quantum) die CPU. Präemptiv, zirkuläres Verfahren.
• Punktuelle Bewertung: Wartezeit, Durchlaufzeit, Fairness und CPU-Auslastung

Speicherallokationsmethoden (z.B. Paging, Segmentation)

Definition:

Methoden zur Verwaltung und Zuteilung von Speicher im Betriebssystem, um Prozesse effizient auszuführen.

Details:

• Paging: Unterteilung des Speichers in gleich große Blöcke (Seiten); virtuelle Adressen in Seitenrahmen umgewandelt
• Segmentation: Speicher in logische Segmente unterschiedlicher Größe unterteilt, die verschiedenen logischen Einheiten entsprechen
• Virtuelle Adressierung: Trennung von logischen (virtuellen) und physischen Adressen
• Seitenersetzung: Strategien wie FIFO, LRU zur Verwaltung von Seitenfehlern
• Vorteile: Effiziente Speicherverwaltung, geringere Fragmentierung
• Nachteile: Overhead durch Verwaltungstabellen, mögliche Leistungseinbußen

Virtueller Speicher und seine Implementierung

Definition:

Ermöglicht Programmen, mehr Speicher zu nutzen, als physisch verfügbar; erreicht durch Abstraktionsebene zwischen physischem Speicher und Anwendungsprozessen.

Details:

• Trennung von logischen und physischen Adressen.
• Seitentabellen zur Adressübersetzung.
• Paging: Speicher in feste Größe (Seiten) unterteilt.
• Swapping: Austausch von Speicherinhalten zwischen RAM und Festplatte.
• Segmentation: logische Unterteilung des Speichers in Segmente.
• TLB (Translation Lookaside Buffer) zur Beschleunigung der Adressübersetzung.
• Virtuelle Adressen: von CPU generiert.
• Physische Adressen: auf Hardware (RAM) bezogen.
• Demand Paging: Seiten werden bei Bedarf geladen.
• Page Replacement Algorithmen: FIFO, LRU, etc.

Deadlocks: Ursachen, Vermeidung und Auflösung

Definition:

Deadlock: Zustand, in dem zwei oder mehr Prozesse aufeinander warten und somit keiner der Prozesse fortfahren kann.

Details:

• Ursachen: wechselseitiger Ausschluss, Hold and Wait, Kein Entzug, Zyklisches Warten
• Klassische Bedingungen für Deadlocks (Coffman):
  • Mutual Exclusion (\textit{wechselseitiger Ausschluss})
  • Hold and Wait (\textit{Schwebezustand})
  • No Preemption (\textit{Kein Entzug})
  • Circular Wait (\textit{zyklisches Warten})
• Vermeidung: Banker's Algorithmus, Sicherer Zustand, Ressourcenhierarchien
• Auflösung: Deadlock-Erkennung mit Wait-For-Graph, Deadlock-Abbruch (Prozessabbruch, Ressourcenfreigabe)

Gerätetreiber und ihre Implementierung

Definition:

Gerätetreiber sind spezielle Software-Komponenten, die die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und den Hardware-Geräten ermöglichen. Ihre Implementierung erfordert Kenntnisse über die spezifische Hardware sowie das Betriebssystem.

Details:

• Aufgabe: Vermittlung zwischen Hardware und Betriebssystem.
• Typen: Kernel-Modus Treiber (arbeitet im Kernel) und Benutzer-Modus Treiber (arbeitet im Benutzerraum).
• Aufbau: Initialisierung, Hauptfunktionalität, Bereinigung.
• Standard-Schnittstellen: z.B. POSIX ioctl, read, write.
• Synchronisation: Wichtig für Thread-Sicherheit, benutzt Mechanismen wie Mutexes und Semaphoren.
• Fehlerbehandlung: Kritisch für Systemstabilität, setzt oft Logging und spezifische Rückgabewerte ein.

Sicherheit und Zugriffsrechte in Dateisystemen

Definition:

Schutz sensibler Daten durch kontrollierten Zugriff auf Dateisystem-Objekte.

Details:

• Benutzer- und Gruppenberechtigungen: Zugriff für User (\texttt{u}), Gruppen (\texttt{g}), und Andere (\texttt{o}) definieren.
• Rechte: Lesen (\texttt{r}), Schreiben (\texttt{w}), und Ausführen (\texttt{x}).
• chmod: Befehl zur Änderung der Zugriffsrechte.
• chown: Befehl zur Änderung des Besitzers.
• ACLs: Fein-granulare Zugriffssteuerungen zusätzlich zu traditionellen Berechtigungen (posix1e ACLs, NFSv4 ACLs).
• SElinux/AppArmor: Erweiterte Sicherheit durch Richtlinien, die benutzerdefiniertes Verhalten und Programme einschränken.

Multithreading und parallele Ausführung

Definition:

Verwendung von mehreren Threads innerhalb eines Prozesses zur gleichzeitigen Ausführung von Aufgaben.

Details:

• Threads teilen sich den gleichen Adressraum
• Parallelität: Gleichzeitige Ausführung auf multiplen CPU-Kernen
• \texttt{pthread\textunderscore create()} und \texttt{pthread\textunderscore join()} für Thread-Erstellung und Synchronisation in C
• Race Conditions: Datenkonflikte bei unsynchronisiertem Zugriff
• \texttt{mutexes} und \texttt{semaphores} zur Synchronisation