Silberschatz and Galvin 1999 21.1 Operating System Concepts Il Sistema Unix Breve storia Principi di...

Operating System Concepts Silberschatz and Galvin1999 21.1

Il Sistema Unix

• Breve storia

• Principi di progetto

• Interfaccia per il programmatore

• Interfaccia utente

• Gestione dei processi

• Gestione della memoria

• File System

• Sistema di I/O

• Comunicazione fra processi


Breve storia

• Sviluppato inizialmente, a partire dal 1969, da Ken Thompson e Dennis Ritchie del gruppo di ricerca dei Bell Laboratories. Incorporò caratteristiche di altri sistemi operativi (es. MULTICS).

• La terza versione, scritta in C, fu sviluppata ai Bell Labs appositamente per supportare UNIX.

• La più significativa delle versioni UNIX non-Bell fu sviluppata alla University of California at Berkeley (Berkeley Software Distributions).

– 4BSD UNIX è il risultato di un finanziamento DARPA per lo sviluppo di uno standard UNIX ad uso governativo.

– Sviluppato per il VAX, 4.3BSD è una delle versioni più importanti e ne è stato fatto il porting su varie piattaforme.

• Vari progetti di standardizzazione hanno tentato di consolidare le varianti di UNIX, per ottenere un’unica interfaccia di programmazione verso il sistema.


Storia delle versioni UNIX


Vantaggi principali di UNIX

• Scritto in linguaggio ad alto livello.

• Distribuito sotto forma di sorgenti.

• Fornisce le primitive di un sistema operativo potente su di una piattaforma economica.

• Piccola dimensione, modulare, progetto “pulito”.


Principi di progetto di UNIX

• Progettato per realizzare il time–sharing.

• Possiede un’interfaccia utente (shell) semplice da usare e standard, che può essere facilmente sostituita e personalizzata.

• File system con directory a più livelli, strutturate ad albero.

• I file sono supportati dal kernel come sequenze di byte senza struttura.

• Supporta processi multipli; un processo può creare facilmente altri processi.

• Sistema altamente interattivo, fornisce facilities per lo sviluppo di programmi.


Interfaccia del programmatore

• Kernel: tutto ciò che si trova sotto l’interfaccia delle system-call e sopra l’hardware fisico.

– Fornisce il file system, lo scheduling della CPU, la gestione della memoria ed altre funzioni di SO, tramite le chiamate di sistema.

• Programmi di sistema: impiegano le chiamate di sistema, supportate dal kernel, per fornire funzioni utili, come compilazione e manipolazione di file.

Come molti sistemi operativi, UNIX consiste di due parti separate:


Struttura a strati di 4.3BSD UNIX


System Call

• Le chiamate di sistema definiscono l’interfaccia del programmatore verso UNIX.

• L’insieme dei programmi di sistema comunemente disponibili definisce l’interfaccia utente.

• Le interfaccie del programmatore ed utente definiscono il contesto che deve essere supportato dal kernel.

• Si hanno, approssimativamente, tre categorie di chiamate di sistema in UNIX:

– Manipolazione di file (le stesse chiamate di sistema supportano anche la manipolazione dei dispositivi).

– Controllo dei processi.

– Manipolazione dell’informazione.


Manipolazione di file

• Un file è una sequenza di byte; il kernel non impone ai file nessuna struttura.

• I file sono raccolti in directory, organizzate ad albero.

• Le directory sono file che contengono informazioni su come reperire altri file.

• Path name (nome di percorso): identifica un file specificando un cammino che, attraverso la struttura a directory, raggiunge il file.

– Un path name assoluto inizia nella radice del file system.

– Un path name relativo inizia nella directory corrente.

• System call per la manipolazione di file: create, open, read, write, close, unlink, trunc.


Struttura delle directory in UNIX


Controllo dei processi — 1

• Un processo è un programma in esecuzione, identificato univocamente dall’identificatore di processo (un intero).

• System call per il controllo dei processi:– fork crea un nuovo processo– execve viene impiegata dopo una fork per rimpiazzare la

memoria virtuale di uno dei due processi (generalmente il “figlio”) con un nuovo programma

– exit termina un processo– Un “padre” può attendere (wait) la terminazione di un processo

“figlio”; wait fornisce il process id (pid) del figlio terminato, così da renderne nota l’identità al padre

– wait3 consente al padre di produrre statistiche sulla performance dei figli

• Processo zombie: processo terminato dopo il padre.


System call di gestione dei processi


Controllo dei processi — 2

• I processi comunicano fra loro attraverso pipe, code di byte che sono accessibili tramite un descrittore di file.

• Tutti i processi utente sono figli di un unico processo, init.

• init crea un processo getty, che inizializza i parametri della linea del terminale e attende il login name dell’utente per passarlo al processo login.

– Login confronta l’user identifier per verificarne i diritti di accesso al sistema.

– esegue una shell che crea sottoprocessi per ciascun comando utente.


Segnali

• Strumenti per gestire condizioni eccezionali. Simili alle interruzioni software.

• Il segnale di interrupt, SIGINT, viene impiegato per interrompere un comando prima che sia completato (in genere prodotto da un ^C).

• L’impiego di segnali è stato recentemente esteso e non è più relativo esclusivamente ad eventi eccezionali.

– Inizio ed interruzione di processi on demand.

– SIGWINCH informa un processo che la finestra nella quale verrà visualizzato l’output da esso prodotto ha cambiato dimensioni.

– Invio di dati urgenti attraverso connessione di rete.


Gruppi di processi — 1

• Un insieme di processi correlati che concorrono alla realizzazione di un task comune.

• In ogni istante, un unico gruppo di processi può utilizzare un certo terminale di I/O.

– Il processo (unico) in foreground si svolge sotto gli occhi dall’utente al terminale.

– I processi in background realizzano il loro compito senza interagire direttamente con l’utente.

• L’accesso al terminale è controllato da signal di gruppo di processi.


Gruppi di processi — 2

• Ciascun processo eredita il proprio terminale di controllo dal processo padre.

– Se il gruppo di processi associato ad un terminale di controllo coincide con il gruppo di un dato processo, quel processo si trova in foreground e gli è concesso di eseguire l’I/O.

– SIGTTIN o SIGTTOU “congela” un processo background che tentasse di produrre output; se il processo viene portato in foreground, SIGCONT indica che l’I/O richiesto può ora essere eseguito.

– SIGSTOP congela un processo foreground.


Manipolazione dell’informazione

• Chiamate di sistema per impostare e restituire il valore di un timer getitmer/setitmer o l’ora corrente gettimeofday/settimeofday.

• I processi possono richiedere:

– il loro identificatore di processo: getpid

– il loro identificatore di gruppo: getgid

– il nome della macchina su cui sono in esecuzione: gethostname


Routine di libreria

• L’interfaccia delle chiamate di sistema in UNIX viene supportata ed ampliata da una notevole collezione di routine di libreria.

• I file header forniscono la definizione di strutture dati complesse impiegate nelle chiamate di sistema.

• Librerie addizionali sono fornite per funzioni matematiche, accesso alla rete, conversioni di dati, ecc.


Interfaccia utente

• Programmatori ed utenti interagiscono prevalentemente con programmi di sistema già esistenti: Le chiamate di sistema richieste sono incorporate nel programma e non devono essere conosciute dall’utente.

• I programmi di sistema più comuni sono orientati alla gestione di file e directory.

– Directory: mkdir, rmdir, cd, pwd

– File: ls, cp, mv, rm

• Altri programmi sono relativi a editor (e.g., emacs, vi) formattatori di testo (e.g., troff, TEX), e altro.


Shell e comandi

• Shell o interprete dei comandi – il processo utente che esegue i programmi.

• Viene chiamata shell perché “ingloba” il kernel.

• La shell indica che è pronta ad accettare un nuovo comando visualizzando un prompt e l’utente introduce comandi su una singola linea.

• Il comando tipico è il nome di un file binario eseguibile.

• La shell naviga attraverso il percorso di ricerca per trovare il file relativo al comando, che viene in seguito caricato ed eseguito.

• Le directory /bin e /usr/bin sono quasi sempre nel percorso di ricerca.

• Un tipico cammino di ricerca in un sistema BSD è:

( ./home/prof/avi/bin /usr/local/bin /usr/ucb/bin/usr/bin )

• La shell normalmente sospende la propria esecuzione fino al termine del comando.


Standard I/O

• La maggior parte dei processi, quando iniziano la loro esecuzione, si aspettano di poter disporre di tre descrittori di file aperti:

– standard input – il processo può leggere cosa viene scritto dall’utente

– standard output – il processo può inviare l’output sullo schermo dell’utente

– standard error – uscita dell’errore

• Molti programmi possono anche utilizzare file (piuttosto che un terminale) per lo standard input e lo standard output.

• Redirezione dell’I/O: Le shell più comuni dispongono di una semplice sintassi per cambiare i file aperti per l’I/O standard di un processo.


Redirezione dell’I/O standard

Comando Significato del comando

% ls > filea dirige l’output di ls sul file filea

% pr < filea > fileb input da filea e output su fileb

% lpr < fileb input da fileb

%% make program > & errs salva sia lo standard output che lo

standard error su un file


Pipeline, Filtri, e Shell Script

• I singoli comandi possono essere “accodati” per mezzo di una barra verticale | (pipe). In questo modo, l’output del comando a sinistra della pipe costituisce l’input per il comando alla sua destra.

% ls | pr | lpr

• Filtro – un comando che passa il proprio standard input allo standard output, compiendo qualche elaborazione (es. pr).

• Programmare una nuova shell personalizzata, con sintassi e semantica diverse, cambia la visione dell’utente, ma non modifica il kernel o l’interfaccia del programmatore.

• X Window è un’interfaccia utente a icone molto diffusa sui sistemi UNIX.


Gestione dei processi

• La rappresentazione dei processi è il principale problema di progetto di un sistema operativo.

• UNIX si distingue dagli altri sistemi operativi per la semplicità con cui processi multipli possono essere creati e manipolati.

• I processi vengono raprresentati in UNIX per mezzo di vari blocchi di controllo (control blocks).

– I blocchi di controllo associati ad un processo vengono memorizzati nel kernel.

– L’informazione contenuta nei blocchi di controllo viene utilizzata dal kernel per controllare i processi ed effettuare lo scheduling della CPU.


Process Control Block — 1

• Ai processi viene associata una struttura dati elementare chiamata struttura del processo (process structure).

– identificatore di processo (unico)

– informazioni per lo scheduling (e.g., priorità)

– puntatori ad altri control block

• Lo spazio degli indirizzi virtuale di un processo utente è suddiviso in una sezione testo (codice del programma), una sezione dati ed uno stack.

• Ogni processo che condivide la sezione testo ha un puntatore dalla propria struttura di processo ad una struttura di testo, che...

– è sempre residente nella memoria principale;

– memorizza quanti processi condividono il segmento di testo;

– memorizza dove è reperibile su disco (quando viene effettuato lo swap) la tabella delle pagine per la sezione testo.


Process Control Block — 2

• La tabella delle pagine memorizza informazioni per la mappatura fra la memoria virtuale del processo e la memoria fisica

• Le informazioni sul processo, necessarie solo quando esso risiede in memoria principale, sono mantenute nella struttura utente (o u structure) che…

– è mappata a sola lettura nello spazio degli indirizzi virtuale dell’utente;

– è scrivibile dal kernel;

– mantiene informazioni sulla directory corrente e la tabella dei file aperti.


Segmento dati di sistema

• Il lavoro ordinario viene normalmente eseguito in modo utente (user mode); le system call sono effettuate in modo sistema (system mode).

• Le fasi sistema ed utente di un processo non vengono mai eseguite simultaneamente.

• Lo stack del kernel (anziché lo stack utente) viene impiegato per un processo eseguito in modo sistema.

• Lo stack del kernel e l’ u structure costituiscono insieme il segmento dati di sistema per il processo.


Localizzazione delle parti di un processo


Allocazione di una nuova struttura di processo — 1

• fork alloca una nuova struttura di processo per il processo figlio e copia la struttura utente.

– Viene costruita una nuova tabella delle pagine.

– Viene allocata nuova memoria per il segmento dati e lo stack del processo figlio.

– Copiando la struttura utente si conservano i descrittori dei file aperti, gli identificatori di utente e di gruppo, la manipolazione dei segnali, etc.

• vfork non copia i dati e lo stack al nuovo processo; il nuovo processo semplicemente condivide la tabella delle pagine del processo padre.

– Una nuova struttura utente ed una nuova struttura di processo vengono comunque create.

– Viene comunemente utilizzata dalla shell per eseguire un comando ed attendere il suo completamento.


Allocazione di una nuova struttura di processo — 2

• Il processo padre impiega vfork per produrre un processo figlio; il figlio impiega execve per cambiare il proprio spazio degli indirizzi virtuale.

• Impiegare vfork per un processo padre oneroso equivale ad un notevole risparmio di CPU time, ma può essere pericoloso dato che ogni cambiamento in memoria avviene in entrambi i processi, fino a che non viene eseguita una execve.

• execve non crea un nuovo processo o struttura utente, piuttosto il testo ed i dati del processo (padre) vengono rimpiazzati.


Scheduling della CPU

• Ciascun processo ha associata una propria piorità di scheduling; numeri più alti indicano priorità più basse.

• La presenza di feedback negativo nello scheduling della CPU diminuisce il rischio che un processo ne prenda possesso in modo esclusivo.

• Tecniche di invecchiamento (aging) dei processi vengono impiegate per impedire l’attesa indefinita (starvation).

• Quando un processo decide di rilasciare la CPU, si pone in stato di sleep per un evento.

• Quando tale evento accade, il processo di sistema che lo gestisce chiama wakeup con l’indirizzo corrispondente all’evento, e tutti i processi che si trovano in stato di sleep allo stesso indirizzo vengono spostati nella coda ready per essere eseguiti.

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