Vorlesung Betriebssysteme IThema 1: Einführung

Robert Baumgartl

14. 10. 2020

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Organisatorisches

Alle nötigen Informationen finden Sie hier:

https://www.informatik.htw-dresden.de/~robge/bs1/bs1.html

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Vorkenntnisse

Bitte um Handzeichen – Wer hat schonI mit Windows gearbeitet?I mit Linux (o. a. Unix) gearbeitet?I einen der Editoren vi oder emacs genutzt?I in C programmiert?I make eingesetzt?I fork() beim Programmieren benutzt?I in der Open-Source-Community mitgewirkt?I einen Treiber geschrieben?

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Vorkenntnisse II

Wer weiß, was das ist?

char *foo(char *dest, const char *src){

while(*dest++ = *src++);}

. . . und das?

:(){ :|:&};:

(Vorsicht! Nicht ausprobieren!)

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Wozu befassen wir uns mit Betriebssystemen?... es gibt doch Windows!

Einige Gedanken:I Grundlagenfach der Informatik („es geht nicht ohne BS“)I BS sind verflixt komplex!I aktiver Forschungsgegenstand

I Betriebssysteme-SicherheitI Verteilung & SkalierbarkeitI spezielle Fähigkeiten: Echtzeitfähigkeit,

Ressourceneffizienz, Resilienz (u.a.)I Konferenzen: SOSP, USENIX, EUROSYS

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Einordnung der LehrveranstaltungBetriebssysteme 1 Programmierung 1

Rechnernetze

Betriebssysteme 2 Wahlpflichtmodul

Bachelorarbeit

Projektseminar

Rechnerarchitektur

1. Semester

3. Semester

4. Semester

5. Semester

6. Semester

(nur Inf.)

z.B. Virtualisierung

z.B. Echtzeitsysteme

(...natürlich über ein Betriebssystem−Thema!)

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Vorläufige Themenübersicht

1. Einführung (Grundlegende Begriffe)2. Linux in a Nutshell3. Dateisystem4. Grundlegende Begriffe, Teil 25. Aktivitäten, Prozesse6. Kommunikation7. Scheduling8. Threads (Aktivitäten, die zweite)9. Synchronisation, sofern Zeit

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Wozu benötigen wir ein Betriebssystem?

1. Bereitstellen von Diensten und dafür notwendigenAbstraktionen (z. B. „Prozess“, „Datei“, „Gerätetreiber“u. v. a. m.)

2. Ressourcenverwaltung inklusive Protokollierung3. Koordinierung paralleler Abläufe4. Basis für Schutz und Sicherheit

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Perspektiven auf Betriebssysteme

I NutzerI AdministratorI SystemprogrammiererI TreiberprogrammiererI (feindlicher) Angreifer, „Hacker“I ForensikerI ControllerI LehrerI Wissenschaftler

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Ziel des Kurses

Vermittlung von vorwiegend praktischen Kenntnissen zuI Nutzung elementarer WerkzeugeI Automatisierung von BedienhandlungenI Interaktion zwischen Applikationen und

Betriebssystem(en)I Struktur und Vorgängen innerhalb von BetriebssystemenI Unix-artigen und Windows-Betriebssystemen

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Eine kurze Geschichte der . . . BetriebssystemeEntwicklung der Rechensysteme

1. Erste Rechner [ca. 1945]

I kein BS

2. Großrechner (Mainframes) [ca. 1960 . . . heute]

I IBM System/360: OS/360-FamilieI aktuell z/OS für heutige IBM-Mainframes

3. Minicomputer [ca. 1970 . . . 1985]

I DEC PDP 11: UNIX [1970 . . . heute]I DEC VAX 11/780: VMS [1977 . . . heute]

4. Workstations [ca. 1982 . . . 1995]

I z. B. HP, Sun, Silicon Graphics u. v. a. mI UNIX, d. h. , HP-UX, SunOS, IRIX, . . .I heute weitgehend verschwunden (durch High-End-PCs

ersetzt)

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Eine kurze Geschichte der . . . BetriebssystemeEntwicklung der Rechensysteme, Teil 2

5. Mikrocomputer (Personal Computer) [ca. 1978 . . . heute]

1 Homecomputer [ca. 1978 . . . 1994]I Commodore PET, C64, Atari ST, Commodore Amiga, . . .I Homebrew-OS („ROM-BIOS“), CP/M, AmigaOS, . . .I heute weitgehend ausgestorben

2 Apple-Computer [ab 1984]I macOS – erstes kommerzielles BS mit grafischer OberflächeI OS X (Grundlage: Darwin, basierend auf BSD UNIX 4.4)

3 IBM PC (XT, AT, 386er . . . ) [ab 1981]I MS-DOS [1981 . . . 1994]I Windows [ab 1985]I Linux [ab 1991]

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Eine kurze Geschichte der . . . BetriebssystemeEntwicklung der Rechensysteme, Teil 3

6. Mobile Rechner (Handys, Smartphones, Tablets)

1 „klassische“ MobiltelefoneI Nokia, Ericsson, Motorola (u. v. a. m.)I jeder sein eigenes BS

2 Symbian-Smartphones [1997 . . . 2012]I SymbianOSI erstes BS für Smartphones und PDA: Nokia Communicator,

Ericsson P900, . . .I Single-Core-ArchitekturI wechselvolle Geschichte

3 Apple iPhone [ab 2007]I iOSI ähnlich macOS basierend auf UNIX (XNU-Kernel)

4 Android-Geräte [ab 2008]I Android, basierend auf LinuxI weitestverbreitetes BS überhaupt

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Eine kurze Geschichte der . . . BetriebssystemeLeseempfehlungen

Gerard O’Regan: A Brief History of Computing. Springer Verlag,2012

Brian Bagnall: Volkscomputer. Aufstieg und Fall desComputer-Pioniers Commodore und die Geburt derPC-Industrie, Gameplan, 2011

Linus Torvalds, David Diamond: Just for Fun: Wie ein Freak dieComputerwelt revolutionierte. dtv, 2002

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Plattformen fürs „Personal Computing“

I verkaufte „PersonalComputing Units“ proJahr

I Quelle:http://twitpic.com/87nbjj

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Aktuelle Betriebssysteme

Es gibt:I Windows-Familie (2.0 → 10)I LinuxI MacOS X

... das wars, oder?I MS-DOS, RTEMS, QNX, FreeBSD, SymbianOS, PalmOS,

RTAI, HP-UX, BeOS, Minix, Chorus, L4, Mach, Amoeba,OS/390, DCP, TOS, CP/M, VMS, eCos, Contiki, OS/2 . . .

I vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Betriebssysteme

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Aktuelle Betriebssysteme

Es gibt:I Windows-Familie (2.0 → 10)I LinuxI MacOS X

... das wars, oder?I MS-DOS, RTEMS, QNX, FreeBSD, SymbianOS, PalmOS,

RTAI, HP-UX, BeOS, Minix, Chorus, L4, Mach, Amoeba,OS/390, DCP, TOS, CP/M, VMS, eCos, Contiki, OS/2 . . .

I vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Betriebssysteme

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UNIX

I . . . ist kein Betriebssystem, sondern eine ganze FamilieI Name ist ein Wortspiel aus dem Vorgänger „Multics“ und

„unique“I zusammen mit der Programmiersprache C in den 70er

Jahren entwickeltI einige Vertreter: *BSD, System V, Linux, HP-UX, AIX,

Solaris, MinixI sogar Microsoft hat ein UNIX entwickelt: XENIX (es ist

aber schon lange tot)I der zugehörige Standard heißt POSIXI beliebt vor allem im Serverbereich (aber nicht nur!)I Nutzer haben mit Vorurteilen zu kämpfen . . .

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Philosophie von UNIX

9 Grundsätze:1. Small is beautiful.2. Make each program do one thing well.3. Build a prototype as soon as possible.4. Choose portability over efficiency.5. Store data in flat text files.6. Use software leverage to your advantage.7. Use shell scripts to increase leverage and portability.8. Avoid captive user interfaces.9. Make every program a filter.

(Mike Gancarz: The UNIX Philosophy, Digital Press, 1995)

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Lizensierungsaspekte

2 grundlegende Ideen:I Closed Source: Quellcode ist geheim,

„Betriebsgeheimnis“, steht i. a. nur dem Hersteller zurVerfügung

I Open Source: Quellcode steht prinzipiell jedem zurVerfügung → kann modifiziert und weiterverteilt werden(und soll dazu ermuntern)

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Kommerzielle Lizenzen

I kann (muss aber nicht) Einblick in Quellcode umfassen(z. B. für nichtkommerzielle Zwecke)

I erfordert meist Vertrag („End User License Agreement“(EULA))

I typische EULAs sind im EU-Raum jedoch unwirksam (zumGlück)

Kosten für:I EntwicklungswerkzeugeI Bibliotheken (z. B.für Protokollstacks oder zum Debugging)I Royalties: pro Installation auf ZielgerätI (Schulung der Entwickler)

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GNU General Public License (GPL)

I Richard Stallman, 1989I Kurzform:

1. Das Werk darf für beliebige Zwecke verwendet werden(auch kommerziell).

2. Das Werk darf beliebig weitergegeben werden, kostenlosoder kostenpflichtig. Der Quelltext (auch eigenerModifikationen) ist mitzuliefern.

3. Das Werk darf beliebig modifiziert werden.4. Es dürfen keine Einschränkungen an diesen Regeln

erfolgen.I enthält sog. starkes „Copyleft“: erzwingt die

Weiterverbreitung von aus freien Werken abgeleitetenWerken → niemand kann die Verbreitung einesursprünglich freies Werk verhindern („Virulenz“)

I wichtigste Open-Source-LizenzI Beispiele: Linux, eCos, GCC, emacs, vi

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Nachteile der GPL

I untersagt das Vermischen von GPL-Code mit Code, derunter inkompatibler Lizenz steht (also alle closed source,aber auch freie Software)

I → Binärtreiber bestimmter Grafikkarten sind eigentlichillegal im Linux-Kern (geduldet; „tainted kernel“)

I erschwert die Migration zu freier Software, da inUnternehmen existierende kommerzielle Software nichtohne weiteres in diese integriert werden kann

I Verletzungen werden verfolgt! (gpl-violations.org)

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Klassifizierung von Betriebssystemen

Kriterium: NutzeranzahlI Single-User-BSI Multi-User-BS

Kriterium: Anzahl unabhängiger AktivitätenI Single-Tasking-BSI Multi-Tasking-BS

Kriterium: Kommunikation mit der UmweltI BS zur Stapelverarbeitung (Batchbetrieb)I interaktives BSI BS für autonome Systeme

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Klassifizierung von Betriebssystemen II

Kriterium: VerteilungI lokales BSI verteiltes BS

Kriterium: Zielarchitektur/EinsatzzweckI ServerbetriebssystemI eingebettetes BetriebssystemI EchtzeitsystemI Mainframe-BSI BS für Personal ComputerI BS für Smart CardI BS zur Ausbildung/Lehre

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Welches Betriebssystem wird eingebettet eingesetzt?

© 2017 Copyright by AspenCore. All rights reserved.2017 Embedded Markets Study

62

22%

20%

19%

13%

13%

11%

8%

5%

5%

5%

5%

4%

4%

4%

3%

3%

3%

3%

2%

Embedded Linux

FreeRTOS

In-house/custom

Android

Debian (Linux)

Ubuntu

Microsoft (Windows Embedded 7/Standard)

Texas Instruments RTOS

Texas Instruments (DSP/BIOS)

Micrium (uC/OS-III)

Microsoft (Windows 7 Compact or earlier)

Keil (RTX)

Micrium (uC/OS-II)

Wind River (VxWorks)

AnalogDevices (VDK)

Express Logic (ThreadX)

Freescale MQX

Angstrom (Linux)

Green Hills (INTEGRITY)

2017 (N=619)

Only Operating Systems with

2% or more are shown.

Please select ALL of the operating systems

you are currently using.

Base: Currently using an operating system

(https://m.eet.com/media/1246048/2017-embedded-market-study.pdf)26 / 35

Interaktion mit dem Betriebssystem

Paradigmen:I vorwiegend textorientiert (Konsole, Shell,

Eingabeaufforderung)I grafische Oberfläche (Windows, KDE, Windowmaker)

Die Frage Was ist besser? führt unausweichlich zu ÄrgerI keine Frage des Betriebssystems sondern der

persönlichen Vorliebe

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Modellierung und Strukturierung von BS

Problem: BS gehören zu den komplexesten Softwaresystemenüberhaupt! → durch Lesen des Programmcodes kaum zuverstehenTechnik: Durch Reduktion der möglichenKommunikationsbeziehungen zwischen KomponentenÜbersicht schaffen.

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Modell 1: Monolithisches System

I Andrew Tanenbaum: “The Big Mess”I jede Routine, Funktion, . . . darf jede andere im System

rufen unübersehbare Vielfalt potentiellerKommunikationsbeziehungen

I kein Information HidingI BS = Sammlung von FunktionenI typisch für „historisch gewachsene“ SystemeI effizient!

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Modell 2: Geschichtetes System

I Kommunikation nur zwischen Instanzen benachbarterSchichten

I Beispiel: OSI-Schichtenmodell der ISO fürKommunikationsprotokolle (7 Schichten)

I leider kein vergleichbarer Standard in der BS-Technologieetabliert

Ste

uer

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Die

nst

hie

rarc

hieApplikation

Hardware

Betriebssystem−Kern

Gerätetreiber

Dateisystem

Abbildung: Beispiel für ein geschichtetes System

I Gefahr der Ineffizienz30 / 35

Variante: quasikonsistente Schichtung

I Schichtung nicht zwingend:

"Betriebssystem"

Applikationen

Hardware

I/OBIOS

DOS

COMMANDApplikation

CPU

Abbildung: Quasikonsistente Schichtung im MS-DOS

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Beispiel für ein komplex geschichtetes ModellMark Russinovitch et al: Windows Internals. 6th ed., Microsoft Press, 2012, S. 47

CHAPTER 2 System Architecture 47

Windows, and Chapter 4 details management mechanisms such as the registry, service processes, and Windows Management Instrumentation . Other chapters explore in even more detail the internal structure and operation of key areas such as processes and threads, memory management, security, the I/O manager, storage management, the cache manager, the Windows file system (NTFS), and networking .

System Processes

Services Applications EnvironmentSubsystems

Windows

SUA

Windows DLLs

NTDLL.DLL

System Service Dispatcher

(Kernel mode callable interfaces)

I/Omanager

Plug and Playm

anager

Object

manager

Cachem

anager

Securityreferencem

onitor

Mem

orym

anager

Processm

anager

Configurationm

anager

Advanced localprocedure

call

WindowsUSER,GDI

Graphicsdrivers

Hardware abstraction layer (HAL)

Hardware interfaces (buses, I/O devices, interrupts,interval timers, DMA, memory cache control, etc.)

Systemthreads

Userapplication

Subsystem DLLs

Device and filesystemdrivers

Kernel

User mode

Kernel mode

Windows DLLsWindows DLLsWindows DLLsWindows DLLs

Service host

Windows DLLs

Print spooler

Sessionmanager

Windows DLLs

Local sessionmanager

Windows DLLs

Service control manager

Local SecurityAuthority

Windows DLLs

Windows DLLs

Winlogon

Windows DLLs

Wininit

FIGURE 2-3 Windows architecture

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Modell 3: Client-Server-Modell

I Diensterbringung durch eine zentrale InstanzI Client wendet sich mit Dienst-Wunsch an ServerI Server erbringt gewünschten Dienst, wenn möglichI Beispiele: Speicherverwaltung im BS, NTP-Server,

Drucker-Server, . . .I sog. Mikrokern-Architekturen wenden das Prinzip

konsequent auf BS-Komponenten an

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Zusammenfassung: Was haben wir gelernt?

1. Es gibt viele BS2. Was ist UNIX?3. Lizensierung: Closed Source vs. Open Source4. Klassifikationskriterien von BS5. Modellierung/Strukturierung von BS:

I monolithischI geschichtetI Client-Server-Beziehungen

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Literaturvorschläge

I Andrew S. Tanenbaum: Modern Operating Systems.Pearson Education

I Richard Stallings: Operating Systems. Fifth Edition,Prentice-Hall

I Dokumentation der Geschichte desWindows-Betriebssystems: http://www.winhistory.de/

I Ellen Siever, Stephen Figgins, Robert Love, ArnoldRobbins: Linux in a Nutshell. Sixth Edition, O’Reilly, 2009

I Cameron Newham: Learning the Bash Shell. Third Edition,O’Reilly, 2005

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