Betriebssysteme (Vorlesung mit Übungen) - Cheatsheet

Unterschied zwischen Prozessen und Threads

Definition:

Prozesse und Threads sind Ausführungseinheiten, aber mit unterschiedlichen Ressourcen und Ausführungsumgebungen.

Details:

• Prozess: Schwergewichtige Ausführungseinheit, eigene Adressräume, interprozessale Kommunikation notwendig.
• Thread: Leichtgewichtige Ausführungseinheit, gemeinsamer Adressraum innerhalb eines Prozesses, einfachere und schnellere Kommunikation und Kontextwechsel.
• Prozesse haben unabhängige Resourcen (eigener Speicher, eigene Register).
• Threads teilen Resourcen eines Prozesses, reduzieren Overhead.
• Multithreading: Höhere Effizienz, parallele Ausführung innerhalb eines Prozesses, besser für komplizierte Anwendungen wie Webserver.
• Multitasking: Gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozesse, bessere Nutzung der CPU durch Kontextwechsel.

Prozessscheduling-Algorithmen

Definition:

Zuteilung von CPU-Zeit an Prozesse. Ziel: Maximierung der Effizienz und Fairness der Prozessausführung.

Details:

• FCFS: First Come, First Served. Einfache Implementierung, aber lange Wartezeiten möglich.
• SJF: Shortest Job First. Minimalisiert die durchschnittliche Wartezeit, aber schwer vorhersagbar.
• RR: Round Robin. Jeder Prozess erhält eine feste Zeitspanne (Zeitscheibe).
• Prioritätsbasiert: Zuteilung basierend auf Prozesspriorität. Hohe Priorität erhält mehr CPU-Zeit.
• Multilevel Queue: Kombination mehrerer Algorithmen durch Aufteilung in verschiedene Warteschlangen.
• Multilevel Feedback Queue: Prozess kann in eine andere Warteschlange wechseln, dynamische Anpassung der Priorität.

Physische und virtuelle Speicherverwaltung

Definition:

Verwaltung von physischem und virtuellem Speicher durch das Betriebssystem. Virtueller Speicher abstrahiert physische Hardware und ermöglicht eine bessere Speicherverwaltung und Schutzmechanismen.

Details:

• Physischer Speicher: Tatsächlich vorhandener RAM.
• Virtueller Speicher: Abstraktionsschicht, die es ermöglicht, mehr Speicher zu adressieren als physisch vorhanden ist; verwendet Paging und/oder Segmentierung.
• Paging: Unterteilung des virtuellen Speichers in gleich große Blöcke, sogenannte Seiten (\textit{Pages}).
• Page Tables: Datenstruktur zur Verwaltung von Seiten und deren Entsprechung im physischen Speicher.
• Page Fault: Tritt auf, wenn eine angeforderte Seite nicht im physischen Speicher ist. Betriebssystem muss diese Seite laden.
• Segmentierung: Alternative zu Paging. Aufteilung des Speichers in unterschiedlich große Segmente.
• Virtuelle Adressen: Adressen, wie sie vom Programm gesehen werden.
• Physische Adressen: Tatsächliche Speicheradressen im RAM.
• Translation Lookaside Buffer (TLB): Cache-Speicher für schnelle Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen.

Paging und Segmentation

Definition:

Speicherverwaltungstechniken zur effizienten Nutzung von Hauptspeicher und zum Schutz von Speicherbereichen.

Details:

• Paging: Teilt Speicher in gleich große Blöcke (Seiten, Frames).
• Segmentation: Teilt Speicher in logische Einheiten (Segmente).
• Paging-Tabelle: Übersetzt Seitenzahl zu Frame-Nummer.
• Segmenttabelle: Enthält Basisadresse und Länge der Segmente.
• Formeln:
  • Physikalische Adresse bei Paging: \[\text{PhysAddr} = \text{FrameNum} \times \text{FrameSize} + \text{Offset}\]
  • Physikalische Adresse bei Segmentierung: \[\text{PhysAddr} = \text{BaseAddr} + \text{Offset}\]
• Kombination: Paged-Segmented Memory Management.
• Anwendungen: Schutzmechanismen, effizientere Speicherzugriffe.

Speicherzuweisungsmethoden für Dateien

Definition:

Methoden zur Organisation und Verwaltung von Speicherplatz für Dateien auf Datenträgern; wichtig für Effizienz und Zugriffszeit.

Details:

• Kontinuierliche Speicherzuweisung: Dateien werden in einem zusammenhängenden Block gespeichert.
• Verkettete Speicherzuweisung: Dateien bestehen aus Blöcken, die durch Zeiger miteinander verbunden sind; sequentieller Zugriff effizient, zufälliger Zugriff weniger.
• Indirekte Speicherzuweisung: Zeiger auf Zeiger (mehrere Ebenen); besser für große Dateien.
• FAT (File Allocation Table): Tabelle mit Einträgen, die den Speicherort und die Folgeblöcke jeder Datei enthalten.
• Indexierte Speicherzuweisung: Verwenden Indexblöcke, die Zeiger auf Datenblöcke enthalten; effizient für große Dateien und wahlfreien Zugriff.

Gerätetreiber und Geräteschnittstellen

Definition:

Gerätetreiber sind Softwarekomponenten, die eine Kommunikationsschnittstelle zwischen Betriebssystem und Hardwaregeräten bereitstellen.

Details:

• Geräteschnittstellen: definieren, wie das OS mit Hardware interagiert
• Arten von Treibern: Gerätetreiber für Blockgeräte (z. B. Festplatten), Zeichengeräte (z. B. Tastaturen) und Netzwerkgeräte (z. B. Netzwerkkarten)
• Wichtige Funktionen: Initialisierung, Steuerung und Betrieb von Geräten
• Treiberarchitektur: monolithische Treiber vs. modulare Treiber
• API und ABI: Application Programming Interface und Application Binary Interface
• Wichtige Konzepte: Interrupts, DMA (Direct Memory Access), PIO (Programmed Input/Output)
• Beispiele: Unix/Linux-Gerätetreiber (char, block, net), Windows-Treibermodelle (WDM, KMDF)

Authentifizierungs- und Autorisierungsmethoden

Definition:

Überprüfung der Identität (Authentifizierung) und Zuweisung von Rechten (Autorisierung)

Details:

• Authentifizierung: Überprüfung der Identität des Benutzers
• Methoden: Passwörter, Biometrie, Tokens, Zwei-Faktor-Authentifizierung
• Autorisierung: Zuweisung und Überprüfung der Zugriffsrechte
• Zugriffssteuerungsmodelle: DAC (Discretionary Access Control), MAC (Mandatory Access Control), RBAC (Role-Based Access Control)
• Prinzip der minimalen Rechte: Benutzer erhalten nur die für ihre Aufgaben notwendigen Rechte
• Implementierung in Betriebssystemen: Benutzer und Gruppenverwaltung, ACLs (Access Control Lists)

Virtuelle Maschinen und Hypervisoren

Definition:

Virtuelle Maschinen (VMs) sind simulierte Rechnerumgebungen, die auf einem physikalischen Host laufen und durch Hypervisoren verwaltet werden.

Details:

• Hypervisor: Software zur Verwaltung von VMs, Typ 1 (bare-metal) und Typ 2 (hosted)
• VMs erlauben Ausführung mehrerer Betriebssysteme auf einer physischen Hardware
• Isolation der VMs sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene
• Ressourcenverteilung durch den Hypervisor, z.B. CPU, RAM, Netzwerke
• Wichtige Hypervisoren: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM
• Anwendungsfälle: Serverkonsolidierung, Tests, Sicherheit, Cloud-Computing