Grundlagen der Systemprogrammierung - Cheatsheet

Grundkomponenten eines Betriebssystems: Kernel, Shell, und Systembibliotheken

Definition:

Details:

• Kernel: Zentrale Komponente eines Betriebssystems, die direkten Zugriff auf die Hardware und Systemressourcen hat. Verantwortlich für Speicherverwaltung, Prozesssteuerung, Gerätetreiber und Dateisysteme.
• Shell: Schnittstelle zwischen Benutzer und Kernel. Ermöglicht die Eingabe von Befehlen und deren Ausführung. Arten: Kommandozeilen-Shell (z.B. Bash) und grafische Shells (z.B. GNOME).
• Systembibliotheken: Sammlung von Prozessen und Funktionen, die von Programmen verwendet werden können. Erleichtern die Programmierung, indem sie häufig benötigte Funktionen bereitstellen. Beinhaltet Bibliotheken wie libc, die grundlegende Ein-/Ausgabe-Funktionen abdecken.

Prozesskontrollblöcke und Kontextwechsel

Definition:

Prozesskontrollblöcke (PCB) speichern den Zustand eines Prozesses. Kontextwechsel bedeutet das Wechseln der CPU von einem Prozess zu einem anderen durch Speichern und Wiederherstellen von PCBs.

Details:

• PCB enthält: Prozesszustand, Programmzähler, CPU-Register, Speicherinformationen
• Kontextwechsel: Notwendig für Multitasking
• Kontextwechsel besteht aus Speichern des Zustands des laufenden Prozesses und Laden des Zustands des nächsten Prozesses
• Erfordert Overhead und Zeit

Prozessplanung und Scheduling-Algorithmen

Definition:

Prozessplanung: Zuweisung von CPU-Zeit zu Prozessen; Scheduling-Algorithmen: Strategien zur Durchführung der Prozessplanung

Details:

• CPU-Scheduling-Kriterien: Effizienz, Fairness, Durchsatz, Wartezeit
• Wichtige Algorithmen: First-Come-First-Served (FCFS), Kürzester Job Zuerst (SJF), Round Robin (RR), Prioritätenbasiertes Scheduling
• FCFS: Einfach, aber kann Prozessstarvation verursachen
• SJF: Minimiert durchschnittliche Wartezeit, benötigt Vorhersage der Prozess-Dauer
• Round Robin: Zeitscheibenverfahren, geeignet für Zeitsysteme
• Prioritätenbasiert: Prozesse mit höherer Priorität zuerst, kann zu Starvation führen, Lösung: Aging
• Notwendige Begriffe: Kontextwechsel, Dispatcher, Burst-Zeit

Virtueller Speicher: Paging und Segmentierung

Definition:

Seiten- und Segmentierungstechniken zur Speicherverwaltung in Betriebssystemen; Ziel: effiziente Nutzung physischen Speichers und Schutz

Details:

• Paging: Speicher in gleich große Seiten (4KB) unterteilt; Seitentabellen, seitennummerbasierte Zugriffe; virtuelle Adresse = Seitennummer + Seitenoffset
• Segmentierung: Speicher in variable Segmente unterteilt (z.B. Code, Daten); Segmenttabellen, segmentbasierte Zugriffe; virtuelle Adresse = Segmentnummer + Segmentoffset
• Vorteile Paging: Kein externer Fragmentierung, effiziente Speicherverwaltung
• Nachteile Paging: Interne Fragmentierung, Overhead durch Seitentabellen
• Vorteile Segmentierung: Logische Gruppierung von Speicherbereichen, einfache Zugriffsrechte
• Nachteile Segmentierung: Externe Fragmentierung möglich, komplexeres Speicher-Management

Dateisystemtypen und -strukturen

Definition:

Dateisystemtypen und -strukturen sind Konzepte zur Organisation und Verwaltung von Daten auf Speichermedien.

Details:

• Bekannte Dateisystemtypen: FAT32, NTFS, ext3, ext4, HFS+
• Strukturen: Hierarchische Struktur (Verzeichnisse, Unterverzeichnisse), Datei- und Verzeichnisattribute
• Funktionen: Speicherung, Zugriffskontrolle, Integritätssicherung
• Beispiel: In einem Unix-System können Verzeichnisse wie Bäume strukturiert sein \textdollar tree\ beispiel Verzeichnisstruktur
• Superblocks, Inodes, Datablöcke: Wichtige Strukturelemente im Unix Dateisystem

Netzwerkarchitektur und -modelle (OSI und TCP/IP)

Definition:

Netzwerkarchitekturmodelle helfen, die Kommunikation in Netzwerken zu standardisieren und zu vereinfachen.

Details:

• OSI-Modell: 7 Schichten (Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application)
• TCP/IP-Modell: 4 Schichten (Network Interface, Internet, Transport, Application)
• Zweck: Interoperabilität und Standardisierung
• Beispielprotokolle:
  • OSI: Ethernet (Physical), IP (Network), TCP (Transport)
  • TCP/IP: Ethernet (Network Interface), IP (Internet), TCP (Transport)

Verschlüsselungstechniken und sichere Kommunikation

Definition:

Verschlüsselungstechniken schützen die Vertraulichkeit von Daten, sichere Kommunikation stellt sicher, dass Daten nicht unbefugt abgefangen oder manipuliert werden.

Details:

• Symmetrische Verschlüsselung: gleicher Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung, z.B. AES
• Asymmetrische Verschlüsselung: öffentlich-privates Schlüsselpaar, z.B. RSA
• Hashing: Datenintegrität durch Erzeugen eines Hash-Werts, z.B. SHA-256
• Digitale Signaturen: Authentizität und Integrität von Nachrichten, z.B. mithilfe von RSA oder DSA
• Transport Layer Security (TLS): Protokoll für sichere Datenübertragung über Netzwerke
• Public Key Infrastructure (PKI): Verwaltung öffentlicher Schlüssel und Zertifikate

Speicherfragmentierung und deren Vermeidung

Definition:

Speicherfragmentierung: Problem, bei dem freier Speicher in kleine, nicht zusammenhängende Blöcke aufgeteilt ist.

Details:

• Externe Fragmentierung: Freier Speicher ist verteilt, kann nicht für große Datenblöcke genutzt werden.
• Interne Fragmentierung: Verteilung von Speicherblöcken führt zu ungenutztem Speicher innerhalb zugewiesener Blöcke.
• Vermeidung: Speicherkompaktierung, Paging, Verwendung von Speicherallokatoren wie malloc/free
• Algorithmus zur Speicherzuweisung: First Fit, Best Fit, Worst Fit