Betriebssystemtechnik - Cheatsheet

Systemaufrufe und Betriebssystemschnittstellen

Definition:

Systemaufrufe (Syscalls) sind von Anwendungen genutzte Schnittstellen, um Betriebssystemdienste anzufordern.

Details:

• Systemaufrufe: Brücke zwischen Benutzer- und Kernel-Modus, ermöglichen den Zugriff auf Betriebssystemdienste.
• Wichtige Syscalls:
  • fork(): Prozess duplizieren
  • exec(): Neues Programm ausführen
  • wait(): Auf Kindprozess warten
  • read(), write(): Datei- und IO-Operationen
• Nutzung: Durch die int 0x80 (x86) oder syscall (x86_64) Anweisung.
• Error Codes: Rückgabewerte < 0 indizieren Fehler, Zugriff mit errno.
• Betriebssystemschnittstellen: API für Anwendungen zur Interaktion mit dem Kernel, abstrahiert Hardwaredetails.

Prozessplanung und Scheduling-Algorithmen

Definition:

Prozessplanung bestimmt, welcher Prozess zu einer Zeit ausgeführt wird. Scheduling-Algorithmen sind Methoden zur Auswahl der nächsten zu laufenden Prozesse.

Details:

• Ziele: Effizienz, Fairness, Reaktionszeit, Durchsatz
• FCFS (First-Come-First-Served)
• SJF (Shortest Job First)
• Round Robin
• Prioritätsbasiertes Scheduling
• Mischung aus präemptiven und nicht-präemptiven Strategien
• Wartezeit: \(WT_i = T_i - B_i\)
• Durchschnittliche Wartezeit: \(\frac{\text{Summe aller Wartezeiten}}{\text{Anzahl an Prozessen}}\)
• Durchlaufzeit: \(TAT_i = C_i - A_i\)
• Durchschnittliche Durchlaufzeit: \(\frac{\text{Summe aller Durchlaufzeiten}}{\text{Anzahl an Prozessen}}\)

Prozess- und Thread-Synchronisation

Definition:

Koordination zwischen mehreren Prozessen oder Threads, um konsistente und konfliktfreie Zugriffe auf gemeinsame Ressourcen zu gewährleisten.

Details:

• Vermeidung von Race Conditions durch Synchronisation primitives wie Mutex, Semaphore, Monitore
• Mutex: Sperrmechanismus für exklusiven Zugriff
• Semaphore: Signalisierungsmechanismus, zählt erlaubte Zugriffe
• Monitore: Kombination aus Mutex und Bedingungsvariablen, höhere Abstraktion
• Wichtige Konzepte: wechselseitiger Ausschluss, Deadlock, Verklemmung, Verhungern
• Deadlock: Zyklische Wartebedingungen
• Verhungern: Ein Prozess/Thread wartet ewig auf Ressourcenzugriff

Physischer und virtueller Speicher

Definition:

Physischer Speicher (RAM) und virtueller Speicher (Vergrößerung des Arbeitsspeichers durch Festplattenspeicher).

Details:

• Physischer Speicher: Konkreter Hardware-Speicher
• Virtueller Speicher: Simuliert mehr Speicher durch Paging und Swapping
• Paging: Aufteilung in Seiten (\textit{pages})
• Swapping: Auslagern von Seiten auf die Festplatte
• Adressraum: Virtueller vs. Physischer Adressraum
• Seitentabelle: Übersetzung von virtuellen zu physischen Adressen
• \textit{TLB (Translation Lookaside Buffer)}: Cache für Seitentabelleneinträge
• Seitenfehler (\textit{Page Fault}): Anforderung einer nicht im RAM befindlichen Seite

Paging und Segmentierung

Definition:

Paging und Segmentierung sind Speicherverwaltungsstrategien.

Details:

• Paging:

• Unterteilt Speicher in feste Blockgrößen (Pages).
• Virtuelle Adresse: Seitennummer + Offset.
• Seitenverwaltungstabelle (Page Table): Zuordnung von Seiten zu physischem Speicher.

• Segmentierung:

• Unterteilt Speicher in logische Segmente variabler Größe.
• Virtuelle Adresse: Segmentnummer + Offset.
• Segmenttabelle: Enthält Basisadresse und Länge jedes Segments.

Dateisystem-Layouts und -strukturen

Definition:

Organisation und Anordnung von Daten auf Speichermedien; Strukturierung für effiziente Datenverwaltung und -zugriff.

Details:

• Block-basierte und loggestützte Dateisysteme
• Inode-basierte Strukturen
• Freispeicherverwaltung
• Directory-Layouts
• Dateiattribute und Metadaten
• Journaling für Konsistenz

Ein-/Ausgabe-Steuerungsarchitektur

Definition:

Struktur zur Verwaltung von Ein- und Ausgabegeräten in einem Betriebssystem.

Details:

• Ziel: Effiziente Kommunikation zwischen Prozessor und Peripheriegeräten
• Nutzt Controller zur Vermittlung
• Unterstützt Interrupt-gesteuerte, programmiert-gesteuerte und DMA-gesteuerte Datenübertragung
• Treiber für spezifische Geräte notwendig
• Beispiele: Tastatur, Maus, Drucker, Festplatten

Direkte Speicherzugriffe (DMA)

Definition:

DMA ermöglicht Geräte den direkten Zugriff auf den Hauptspeicher ohne CPU-Beteiligung.

Details:

• Effizientere Datenübertragung zwischen Geräten und Speicher.
• CPU wird entlastet.
• Verwendet DMA-Controller.
• Typische Nutzung: Daten von Festplatten, Netzwerkadaptern, etc.
• DMA-Transfermodi: Burst-Modus, Zyklischer Modus.