Laboratorio di Sistemi OperativiUniversità degli Studi Milano Bicocca

Anno Accademico 2002-2003

Introduzione all’archittetura di Unix

Roberto Polillo

Indice della prima parte del corso

• Introduzione al kernel Unix

• System calls e interrupts

• Process management

• Comunicazione fra processi

• File system

• Sockets

• (Cenni su) architettura web

Premessa importante

Unix non è un sistema operativo…

… ma una famiglia di sistemi operativi

Quindi non ha senso parlare di una architettura … ma bisogna parlare di una famiglia di architetture

Ciò complica notevolmente le cose !

Esempio:l’albero genealogico di Unix…fino al 1993 (!)

AT&T SUN BERKELEY

Linux• Linux è una versione di UNIX, realizzata “spontaneamente”

dallo studente finlandese Linus Torvalds a partire dal 1991,e da un grande numero di programmatori su Internet (più di 200per il kernel, più di 2000 per il resto del sistema)

• il codice sorgente è “liberamente” disponibile nell’ambito della“GNU General Public License”

• il progetto non ha avuto nessun finanziamento, nè alcuna pianificazione, nè alcun coordinamento centrale

• e tuttavia il sistema è robusto e sofisticato (l’intera distribuzione conta circa 10 milioni di linee di codice

• ha ora una grande diffusione, soprattutto come web server

Linux: come è nato

• Linus Torvalds, studente di sistemi operativi, realizza una prima versione elementare, per studio personale

• Poi mette i sorgenti in rete e chiede aiuto a tutti coloro che sonointeressati al progetto, via Internet

• Ciò crea una ampia comunità di programmatori, che comunicano attraverso la rete e producono un enorme numero di miglioramenti a partire dal codice iniziale

• Linus Torvalds mantiene nel processo un controllo lasco, consultivo e non prescrittivo, assieme a numerosi “guru” emersi spontanea-mente nel tempo

• Le modifiche al codice vengono integrate e rese disponibili a tuttiin rete con estrema frequenza (anche più di una volta al giorno)

• Il nuovo codice viene immediatamente testato da un gran numero di programmatori, che identificano e rimuovono gli errori

From: torvalds@klaava.Helsinki.FI (Linus Benedict Torvalds) Newsgroups: comp.os.minix Subject: Free minix-like kernel sources for 386-AT Message-ID: <1991Oct5.054106.4647@klaava.Helsinki.FI> Date: 5 Oct 91 05:41:06 GMT Organization: University of Helsinki

Do you pine for the nice days of minix-1.1, when men were men and wrote their own device drivers? Are you without a nice project and just dying to cut your teeth on a OS you can try to modify for your needs? Are you finding it frustrating when everything works on minix? No more all- nighters to get a nifty program working? Then this post might be just for you :-) As I mentioned a month(?) ago, I'm working on a free version of a minix-lookalike for AT-386 computers. It has finally reached the stage where it's even usable (though may not be depending on what you want), and I am willing to put out the sources for wider distribution. <omissis>I can (well, almost) hear you asking yourselves "why?". Hurd will be out in a year (or two, or next month, who knows), and I've already got minix. This is a program for hackers by a hacker. I've enjouyed doing it, and somebody might enjoy looking at it and even modifying it for their own needs. It is still small enough to understand, use and modify, and I'm looking forward to any comments you might have. I'm also interested in hearing from anybody who has written any of the utilities/library functions for minix. If your efforts are freely distributable (under copyright or even public domain), I'd like to hear from you, so I can add them to the system. I'm using Earl Chews estdio right now thanks for a nice and working system Earl), and similar works will be very wellcome. Your (C)'s will of course be left intact. Drop me a line if you are willing to let me use your code. Linus

"Unix è semplice e coerente, but ci vuole un genio (o, almeno, un programmatore) per comprenderne ed apprezzarne la semplicità" 

  D. Ritchie

INTRODUZIONE AL KERNEL UNIX

Kernel

E’ il sistema operativo vero e proprio

• gestisce direttamente l’hardware della macchina e le sue periferiche

• è sempre (quasi tutto) residente in memoria: viene caricato alla accensione del sistema, e ci resta fino al suo spegnimento (o a un crash)

• fornisce i servizi necessari ai processi in esecuzione attraverso un insieme di system call

• gestisce gli interrupts generati dall’hardware

ProcessiSono i programmi in esecuzione

• Nei sistemi Unix tradizionali, ogni processo esegue una singola sequenza di istruzioni in un proprio spazio di indirizzi: un unico program counter specifica la prossima istruzione da eseguire

• I sistemi più moderni possono eseguire più thread in uno stesso spazio di indirizzi (in Linux: lightweight process)

• Ogni processo è indipendente dagli altri, e può interagire con essi solo attraverso il kernel, mediante opportune system call

• Il codice di un processo non necessariamente deve risiedere tutto in memoria centrale (varie tecniche di memory management…)

Time sharing

Unix è un sistema time-sharing: un processo esegue per un quanto di tempo (o finchè non si sospende in attesa di un evento, es.: fine I/O)

Protezioni hardware

• Il kernel viene eseguito in kernel mode:

può eseguire qualunque istruzione di macchina e accedere a qualunque area di menoria

• I processi utente vengono eseguiti in user mode:

non possono eseguire alcune istruzioni “pericolose” e non possono accedere allo spazio di indirizzi del kernel e di altri processi

Identificazione di un processo

• Ogni processo è identificato da un Process ID (PID) numerico unico, assegnato dal kernel al momento della creazione del processo

Proprietari di un processo

• Ogni processo appartiene a:

- un utente, identificato dal suo User Id (UID)

- un gruppo di utenti, identificato dal suo Group ID (GID)

• Ciò permette di realizzare dei meccanismi di protezione (ad esempio, un processo potrà essere terminato o sospeso soltanto dal suo proprietario)

• A un certo istante, più processi possono avere lo stesso UID

Gruppi di processi

• Ogni processo può appartenere a un gruppo di processi

• Un gruppo è identificato dal PID di un processo detto leader del gruppo (process group ID)

• Ciò permette di effettuare azioni su una collettività di processi (ad esempio, terminazione)

KernelKernel

Kernel e processi

Res

iden

te

Processo 2 Processo nProcesso 1

Non

res

iden

te

Memoria centrale Periferiche

System calls

writesend

interrupt

System calls• Sono l’interfaccia programmativa verso il kernel, per richiedere i servizi del

kernel• Il loro numero dipende dalla versione di Unix (da una settantina a oltre 200)• Le categorie principali di system call sono tre:

Input/outputProcess

managementInter-process

communications

open, close, read, write, …

fork, exec, exit, kill, …

send, pipe, socket, …

Standardizzazione  POSIX.1 standardizza un nucleo base di system call (circa

120), a livello di interfaccia sorgente C (ma anche Fortran e Ada)

POSIX: IEEE Portable Operating System Interface for Computing Environment

Es.: int open (const char *path, int oflag, …);

Un sorgente C Standard conforme a POSIX può essere eseguito, una volta compilato, su qualunque sistema POSIX dotato di un ambiente di programmazione C Standard (“portabilità a livello sorgente”)

KernelKernel

Portabilità

Res

iden

te

Processo 2 Processo nProcesso 1

Non

res

iden

te

Memoria centrale

periferiche

Periferiche

system call POSIX

altro kernel,stessa interfaccia

Linux

• Linux 2.4 è conforme a Posix

NB: Le versioni Linux sono identificate da tre numeri:

2.4.18

Versione

Versione: numeri pari identificano

versioni stabili

Release

Estensioni a Posix

• L’approccio Posix è minimalista: standardizza un nucleo base di funzioni (ad es., nessuna funzione di system administration)

• Normalmente, i sistemi POSIX forniscono anche una serie di estensioni non POSIX (system call e/o opzioni addizionali)

• Queste estensioni compromettono la portabilità dei programmi, quindi vanno usate con estrema cautela

DemoniSono processi di sistema, che partono automati-camente in background quando il sistema è attivato

Esempi:• Gestione del tempo (cron): si attiva ogni minuto per

controllare se c’è qualcosa da fare, nel qual caso lo fa, e si sospende fino al prossimo controllo (es.: backup periodici)

• Gestione delle code di stampa• Gestione della posta in partenza e in arrivo• Gestione della memoria (pagedaemon, swapper)• …

KernelKernel

Sintesi fin qui

Res

iden

te

Processo 2 Processo n

DaemonDaemon

Processo 1

Non

res

iden

te

Memoria centrale Periferiche

System calls

Processi utente

SYSTEM CALLS E

INTERRUPTS

System call: come funzionano

Processo Kernel(user mode) (kernel mode)

---------------------------------------------

syscall (params)

-------------------

-------------------

-------------------

syscall routinebodies

.…

dispatch vector

switcherswitcher

altro processo

System call: come funzionano (II)

push a

push b

push c

push syscall#

SVC

push a

push b

push c

push syscall#

SVC

Supervisor call: set kernel mode, save PC e

salta a un indirizzo fissodel kernel

syscall (a, b, c)syscall (a, b, c)

Richiami sugli interrupts• Sono segnali hardware :

- generati da device periferici • es. fine di un’operazione di I/O

- oppure generati dalla CPU, a fronte di eccezioni es.• divisione per zero, • stack overflow, • indirizzamenti invalidi (indirizzi inesistenti o protetti), • tentativo di eseguire istruzioni privilegiate in user mode, • caduta di tensione, ecc.

Una interruzione fa sì che il controllo venga trasferito al kernel…… che ha il compito di identificare l’interrupt, di trattarlo, e quindi di restituire il controllo al processo interrotto (o a un altro più prioritario) …… con la massima efficienza possibile

Gestione degli interrupts

Processo Kernel(user mode) (kernel mode)

---------------------------------------------

--------------------

-------------------

-------------------

-------------------

Interrupt

Interrupthandlers

.…

interrupt vector

Interrupt entry point

switcherswitcher

altro processo

Gestione degli interrupts

Set kernel modeDisable interrupts

Save Registers & PC- tratta l’interrupt- scegli il processo con cui

proseguire- schedulalo

Restore Registers & PCEnable interrupts

Set user modeReturn al processo prescelto

Livelli di interrupt

• Gli interrupt sono organizzati su diversi livelli di priorità

• Il trattamento di un interrupt può essere a sua volta interrotto da un interrupt di priorità maggiore

• Mentre sto trattando un interrupt, interrupt di priorità uguale o minore vengono ignorati e scartati

Sintesi fin qui

Res

iden

te

Processo 2 Processo n

DaemonDaemon

Processo 1

Non

res

iden

te

Memoria centrale Periferiche

Processi utente

SwitcherSwitcher

System calls Interrupt Handlers I/O drivers

SCHEDULING

Stati (principali) di un processo

Running

AsleepReady

attesa evento

evento occorso

quanto di tempo esaurito

schedulazione

Process switching

Uno switch di processo può avvenire in 4 casi:

1. quando un processo si pone in stato di sleep

2. quando esegue una exit

3. quando si ritorna da una system call da esso invocata, ma ci sono processi ready più prioritari

4. quando si ritorna dalla gestione di un interrupt ma ci sono processi ready più prioritari

Schedulazione

• La schedulazione viene effettuata da una routine del kernel chiamata switcher

• L’algoritmo di schedulazione dei processi pronti è stato progettato per fornire buoni tempi di risposta ai processi interattivi

• In pratica: i processi CPU-bound sono serviti solo quando tutti i processi I/O-bound e quelli interattivi sono bloccati

Priorità

• Ogni processo ha un livello di priorità:… -2 -1 0 1 2 …

priorità maggiori

• Le priorità vengono attribuite dinamicamente• Processi che eseguono in modo kernel hanno

priorità maggiore di quelli in modo user (cosìrestano il meno possibile in modo kernel)

• Processi di pari priorità sono schedulati a turno (“round-robin”)

Calcolo delle priorità

• La priorità di un processo ha una componente statica (base) e una dinamica che dipende dal tempo di CPU ricevuto:

• ad ogni tic del clock viene incrementato il contatore di utilizzo della CPU del processo in esecuzione

• Ogni secondo, le priorità di tutti i processi vengono ricalcolate secondo la formula:

nuova priorità = base + utilizzo CPU/2

• La base è di solito 0, ma può essere incrementata con il comando nice, che peggiora la priorità

• In tal modo, vengono “premiati” i processi pronti che non hanno avuto molta CPU, e “penalizzato” quello running