Prinzipien und Realisierung von Betriebssystemen

309 Pages·1989·6.524 MB·German

by  Dr. rer. nat. Gerhard Weck (auth.)

Leitfaden und Monographien der Informatik
Brauer: Automatentheorle
493 Seiten. Geb. OM 56,-
Becker: Priifen und Testen von Schaltkrelsen
In Vorbereitung
Oal Cin: Grundlagen der systemnahen Programmierung
221 Seiten. Kart. OM 34,-
Ehrich/Gogolla/Lipeck: Aigebraische Spezifikation abstrakter Datentypen
In Vorbereitung
Engeler/Liiuchli: Berechnungstheorie fiir Informatlker
120 Seiten. Kart. OM 24,-
Hentschke: Grundziige der Digitaltechnlk
247 Seiten. Kart. OM 36,-
Loeckx/Mehlhorn/Wilhelm: Grundlagen der Programmlersprachen
446 Seiten. Kart. OM 44,-
Mehlhorn: Datenstrukturen und efflziente Algorlthmen
Band 1: Sortieren und Suchen
2. Aufl. 317 Seiten. Geb. OM 46,-
Band 2: Graphenalgorithmen und NP-Vollstiindigkeit
In Vorbereitung
Messerschmidt: Linguistische Datenverarbeltung mit Comskee
207 Seiten. Kart. OM 36,-
Niemann/Bunke: Kiinstliche Intelligenz In Blld-und Sprachanalyse
256 Seiten. Kart. OM 36,-
Pflug: Stocl1astlscl1e Modelle In der Informatlk
272 Seiten. Kart. OM 36,-
Post: Entwurf und Technologle hochlntegrierter Schaltungen
247 Seiten. Kart. OM 36,-
Rammig: Systematlscher Entwurf dlgitaler Systeme
353 Seiten. Kart. OM 46,-
Richter: Betrlebssysteme
2. Aufl. 303 Seiten. Kart. OM 36,-
Richter: Prinziplen der Kiinstllchen Intelllgenz
359 Seiten. Kart. OM 46,-
Weck: Prinzlpien und Reallslerung von Betrlebssystemen
3. Aufl. 306 Seiten. Kart. OM 42,-
Wi rth: Algorithmen und Datenstrukturen
Pascal-Version
3. Aufl. 320 Seiten. Kart. OM 39,-
Wirth: Algorithmen und Datenstrukturen mit MOdula -2
4. Aufl. 299 Seiten. Kart. OM 39,-
Wojtkowiak: Test und Testbarkelt dlgltaler Schaltungen
226 Seiten. Kart. OM 36,-
Preisiinderungen vorbehalten
B. G. Teubner Stuttgart
Leitfiiden und Monographien
der Informatik
Gerhard Week
Prinzipien und Realisierung
yon Betriebssystemen
Leitfideo ood Mooographieo
der Ioformatik
Unter beratender Mitwirkung von
Prof. Dr. Hans-Jurgen Appelrath, Oldenburg
Dr. Hans-Werner Hein, St. Augustin
Prof. Dr. Rolf Pfeifer, Zurich
Dr. Johannes Retti, Wien
Prof. Dr. Michael M. Richter, Kaiserslautern
Herausgegeben von
Prof. Dr. Volker Claus, Oldenburg
Prof. Dr. Gunter Hotz, Saarbrucken
Prof. Dr. Klaus Waldschmidt, Frankfurt
Die Leitfaden und Monographien behandeln Themen aus der Theoreti
schen, Praktischen und Technischen Informatik entsprechend dem aktuel
len Stand der Wissenschaft. Besonderer Wert wird auf eine systematische
und fundierte Darstellung des jeweiligen Gebietes gelegt. Die Bucher die
ser Reihe sind einerseits als Grundlage und Erganzung zu Vorlesungen der
Informatik und andererseits als Standardwerke fUr die selbstandige Einar
beitung in umfassende Themenbereiche der Informatik konzipiert. Sie
sprechen vorwiegend Studierende und Lehrende in Informatik-Studien
gangen an Hochschulen an, dienen aber auch in Wirtschaft, Industrie und
Verwaltung tatigen Informatikern zur Fortbildung im Zuge der fortschrei
tenden Wissenschaft.
Prinzipien und Realisierung
von Betriebssystemen
Von Dr. rer. nat. Gerhard Week
Infodas GmbH, Koln
3., iiberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 150 Abbildungen und zahlreiehen Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart 1989
Dr. rer. nat. Gerhard Weck
1947 geboren in Trier. Von 1966 bis 1971 Studium der Physik an der Uni
versitat des Saarlandes. 1971 Diplom in experimenteller Festkorperphy
sik. 1971 bis 1972 wiss. Mitarbeiter im Institut fUr Experimentalphysik
der Universitat des Saarlandes. 1972 bis 1975 wiss. Mitarbeiter im Digi
talelektronischen Praktikum der Universitat des Saarlandes. 1975 Promo
tion tiber abstrakte Modelle von Datenstrukturen. 1975 bis 1976 wiss.
Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Graphische Datenverarbeitung der
Technischen Hochschule Darmstadt. 1976 bis 1977 Assistant Teacher am
Departamento de Engenharia Eletrica der UNICAMP (Universidade
Estadual de Campinas) in Campinas, Sao Paulo, Brasilien. 1977 bis 1980
wiss. Mitarbeiter am Rechenzentrum der Universitat des Saarlandes. Seit
1980 wiss. Mitarbeiter der Infodas GmbH, Koln, ftir die Entwicklung
von Datenbank-Software und von Systemkonzepten fUr sichere Systeme.
1m Winter-Semester 1984/85 Lehrauftrag tiber Betriebssysteme am Fach
bereich Informatik der Universitat Dortmund.
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Week, Gerhard:
Prinzipien und Realisierung von Betriebssystemen / von
Gerhard Weck. - 3., iiberarb. u. erw. Aufl. - Stuttgart :
Teubner, 1989
(Leitfliden und Monographien der Informatik)
ISBN 978-3-519-02271-8 ISBN 978-3-322-96666-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96666-7
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auBer
halb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig
und strafbar. Das gilt besonders fiir Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1989
Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer
Umschlaggestaltung: M. Koch, ReutJingen
vorwort
Dieses Buch entstand aus den Skripten zweier Vorlesungen, die
ich im Wintersemester 1979/80 und im Sommersemester 1980 im
Fachbereich Angewandte Mathematik und Informatik der Universit~t
des Saarlandes gehalten habe. Die zun~chst sehr knappe und an
vielen Ste1len eher skizzenhafte Darstellungsform dieser Skripten
wurde fur dieses Buch vollig uberarbeitet und besser 1esbar
gemacht. Um jedoch die Ubersicht1ichkeit der ursprunglichen
Skripten zu bewahren, wurde uberall dort, wo es dem Verst~ndnis
forderlich erschien, eine tabellarische oder graphische
Darstellung solcher Sachverhalte gew~hlt, die sich anders nur
durch lange und umst~ndliche verbale Beschreibungen h~tte
realisieren lassen.
Das Buch wendet sich vornehmlich an Informatik-Studenten des
mittleren Studienabschnitts, etwa vom 3. bis zum 7. Semester. An
Kenntnissen wird Erfahr~n~ mit einer beliebigen hoheren
Programmiersprache und elnlge Gewohnung an algorithmische Denk
weise vorausgesetzt. Kenntnisse uber Rechner-Architektur sind
zwar fUr das Verst~ndnis nutzlich, aber nicht unbedingt
erforderlich, dagegen ist ein gewisses Grundwissen uber Analysis
und Statistik sehr von Vorteil. Algorithmen sind in informeller
Art in einer ALGOL-~hnlichen Schreibweise dargestellt; auf die
Verwendung von System-Programmiersprachen wurde bewuBt verzichtet,
da heute noch keine dieser Sprachen so weit verbreitet ist, daB
man sie als allgemein bekannt voraussetzen konnte. Ebenso
erschien es nicht zweckm~Big, hier eine eigene umfangreiche
Beschreibungsmethode zu entwickeln oder erst eine EinfUhrung in
eine der bekannteren System-Programmiersprachen (etwa BCPL, Ada
oder BLISS) zu geben, da dies zu weit vom eigentlichen Inhalt des
Buches weggefuhrt h~tte.
Ziel dieses Buches ist es, den Aufbau von Betriebssystemen
und die zugrundeliegenden prinzipien vest~ndlich zu machen sowie
einen Einstieg in die Literatur dieses Gebietes zu ermoglichen.
Aus diesem Grund habe ich versucht, sowohl die theoretischen
Grundlagen und prinzipien von Betriebssystemen als auch deren
Umsetzung in die Praxis darzustellen. Der dabei eingeschlagene
Weg liegt zwischen dem einer reinen Beschreibung der zugrunde
liegenden Theorien, bei der leicht der Bezug zur Praxis verloren
geht, und dem einer reinen Fallstudie, die gerne in die Gefahr
ger~t, die verwendeten Konzepte hinter unwesentlichen Details der
Realisierung zu verbergen. Diese Wahl der vorgehensweise hatte
zur Folge, daB die Angabe umfangreicher Beweise unterbleiben
muBte, da sie den Umfang des Buches zu stark erhoht und den
Zusammenhang zwischen theoretischem Prinzip und Realisierung oder
Auswirkung in der Praxis zerrissen h~tte. Stattdessen wurde
versucht, den theoretischen Ergebnissen anhand von Fallstudien aus
realisierten bzw. zur Realisierung vorgeschlagenen Betriebssytemen
gegenuberzustellen, welchen EinfluB diese Ergebnisse auf die
Praxis haben. Viele dieser Beispiele wurden einem neueren
Betriebssystem entnommen, uber das relativ leicht ausfuhrliche
Dokumentation zur Vertiefung erh~ltlich ist. Die Gultigkeit der
in diesen Beispielen angestellten Betrachtungen ist jedoch nicht
- 6 -
auf dieses System beschrankt, sondern erstreckt sich auf die
meisten modernen Betriebssyteme, wenn auch zum Teil mit Abwei-
chungen in einzelnen Details.
An dieser Stelle ist auch eine Bemerkung uber die reichlich
freizugige Verwendung englischer Begriffe in diesem Buch gemacht:
Es schien mir in vie len Fallen wenig sinnvoll, deutsche
Obersetzungen dieser Begriffe zu verwenden, da die Terminologie
auf dem Gebiet der Betriebssysteme sich im Deutschen noch weniger
stabilisiert und vereinheitlicht hat als im Englischen; zu vielen
der englischen Begriffe existiert sogar noch keine allgemein
akzeptierte deutsche Obersetzung. Um den Leser nicht unnotig mit
einer eigenen Terminologie zu belasten, die den Einstieg in die
uberwiegend amerikanische - original-Literatur erschweren wtirde,
habe ich daher die Begriffe von dort in vielen Fallen ungeandert
ubernommen. Auch die Beispiele und Skizzen zur Verdeutlichung
theoretischer Grundlagen oder praktischer Ergebnisse wurden nur
dort inhaltlich geandert, wo eine Anpassung der Terminologie
unbedingt erforderlich war; ansonsten wurden die Darstellungen der
original-Literatur moglichst ungeandert ubernommen, um dem Leser
die Einarbeitung in diese Literatur zu erleichtern. Dies gilt
insbesondere fur die Kapitel 3 bis 5, die sich sehr stark auf die
ausgezeichneten Darstellungen in (7) und (18) stutzen. Zur
Vertiefung des hier gebotenen Stoffes empfehlen sich insbesondere
diese beiden Werke sowie die Beschaftigung mit dem Aufbau eines
modernen Timesharing-Systems, am besten anhand praktischer
Erfahrung.
Herrn Prof. Dr. G. Hotz danke ich fur die Anregung, das
ursprungliche Manuskript zu einem Buch umzuarbeiten, und fur die
kritische Durchsicht des Manuskripts. Zu dank en habe ich
insbesondere Frau Dr. B. Wiesner, die den vorliegenden Text durch
gearbeitet und mit zahlreichen Anmerkungen und Verbesserungsvor
schlagen erheblich zut Lesbarkeit und Korrektheit beigetragen hat.
SchlieBlich danke ich der Infodas GmbH, die mir in groBzugiger
Weise die technischen Mittel zur Erstellung der druckfertigen
Vorlage zur Verfugung gestellt hat.
Koln, im Marz 1982
G. Weck
Vorwort zur 2. Auflage
Die vorliegende zweite Auflage ist gegenuber der ersten
Auflage inhaltlich ungeandert; es erfolgte lediglich eine
Korrektur der Druckfehler, die inzwischen bekannt geworden waren.
Koln, im Marz 1985
G. Weck
Vorwort zur 3. Auflage
Das Buch wurde fur die vorliegende dritte Auflage grundlich
uberarbeitet und aktualisiert, ohne jedoch yom ursprunglichen
Konzept der Gegenuberstellung theoretischer Grundlagen und deren
Realisierung in der Praxis abzuweichen. Schwerpunkt der inhaltli
chen Anderungen war dabei die Behandlung von Systemen mit mehreren
Prozessoren und von verteilten Systemen.
So habe ich die Kapitel 2 und 3 um Abschnitte erganzt, die
die Verwaltung und Synchronisation von Systemen mit einer nicht zu
hohen (bis etwa 30) Anzahl von Prozessoren behandeln. Zu den im
3. Kapitel beschriebenen Synchronisations-Verfahren kamen auBerdem
noch mehrstufige Synchronisationen mit abgestufter Concurrency
Control hinzu.
Die Beispiele in den Kapiteln 4 und 5 wurden um die Behand
lung einiger Sekundar-Effekte beim Scheduling und in der Haupt
speicherverwaltung erweitert. Davon abgesehen, wurden diese bei
den Kapitel inhaltlich nicht wesentlich geandert.
Das Kapitel 6 wurde um die Darstellung gerateunabhangiger
E/A-Schnittstellen, insbesondere bei Einsatz intelligenter
Controller und bei Anbindung an Netze, erweitert. Hinzu kam eine
Beschreibung des Konzeptes generischer Treiber fur Klassen aqui
valenter Gerate sowie eine kurze Einfuhrung in die Architektur
verteilter Systeme und Netze.
Bei der Behandlung des Zugriffsschutzes in den Kapiteln 7 und
8 wurden Zugriffsmatrizen und deren Auswertung durch einen Refe
renz-Monitor kurz dargestellt.
Weiterhin habe ich durch die Verwendung eines anderen Druck
bildes fur Text und Gleichungen versucht, die Lesbarkeit des Bu
ches zu verbessern.
KeIn, im Januar 1989
G. Weck
Inhalt
VORWORT 5
INHALT • 9
ABBILDUNGEN 13
ABBILDUNGS-NACHWEIS 16
KAPITEL 1 EINFUHRENDE DISKUSSIONEN
1.1 AUFGABEN EINES BETRIEBSSYSTEMS . . . • 17
1.1.1 Allgemeine Einfuhrung . . . . 17
1.1. 2 Hardware-Grundlagen und Termino1ogie 18
1.2 AUFBAU EINES EINFACHEN BETRIEBSSYSTEMS 21
1. 2.1 Konstruktion . • . . . . . 21
1.2.2 Leistungsabschatzung • . • 23
1.3 INTERRUPTS UND PROZESSE 25
1. 3.1 Umschalten des Prozessors 25
1. 3.2 Prozesse . . . • . . • . 27
1.4 TYPEN VON BETRIEBSSYSTEMEN 28
KAPITEL 2 DAS PROZESS-KONZEPT
2.1 ZERLEGUNG EINES BETRIEBSSYSTEMS IN PROZESSE 32
2.2 AUFBAU UND DARSTELLUNG VON PROZESSEN 34
2.2.1 Aufbau ....•..• 34
2.2.2 Darstellung . • . . • 38
2.3 VERWALTUNG DER PROZESSE 40
2.3.1 ProzeB-zustande 40
2.3.2 ProzeBwechsel . . . • . • . . . • . . . . . 43
2.3.3 Verwaltung und zuordnung mehrerer Prozessoren 45
KAPITEL 3 PROZESS-STEUERUNG
3.1 KRITISCHE ABSCHNITTE . . • • • • . • . 49
3.1.1 Gegensei tige AusschlieBung . • . • • 49
3.1. 2 probleme der Koordination kritischer Abschnitte 51
3.1. 3 Synchronisation . . • . • • . . 52
3.2 SYNCHRONISATIONSVERFAHREN . • . . 55
3.2.1 Aktives Warten ("busy waiting") 55
3.2.2 Blockierung der Interrupts • . 56
3.2.3 Spezielle zugriffsoperationen 56
3.2.4 Semaphore .. • . . . • 58
3.2.5 Ereignisse ("events") 59
3.2.6 ProzeB-Teilung ("fork") 60
3.2.7 Monitore ..•.. 61
3.2.8 Verteilte Prozesse ••. 63
- 10 -
3.2.9 Nachrichten-Systeme . . . • . . . • . 64
3.2.10 pfad-AusdrUcke ("path expressions") 64
3.2.11 Software-gesteuerte Interrupts (ASTs) 65
3.2.12 Komp1exe Synchronisationsverfahren . 66
3.2.13 Spezie11e Hardware-Mechanismen . • . 68
3.2.14 Synchronisation von Mu1tiprozessoren 70
3.3 DEADLOCKS . . . . . 72
3.3.1 Charakterisierung 72
3.3.2 verhinderung . . . 74
3.3.3 Entdeckung . . . . 75
3.3.4 Behebung • . . . • 77
3.3.5 vermeidung . . . . . . • . 78
3.3.6 Verg1eich und Alternativen 82
3.4 INTERPROZESS-KOMMUNIKATION . 84
3.4.1 Techniken • . • • . . • . . . • . • . • 84
3.4.2 E/A-Systeme und InterprozeB-Kommunikation 85
KAPITEL 4 SCHEDULING
4.1 ZIELE, STRATEGIEN, ALGORITHMEN UND REALISIERUNG 87
4.2 DETERMINISTISCHE MODELLE . . . . . . . • . . 88
4.2.1 EinfUhrung . • . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 Optimales Scheduling von Doppelprozessoren 91
4.2.3 Optimales Scheduling von Prazedenz-Baumen 95
4.2.4 Scheduling unabhangiger Tasks • . • . • . 97
4.2.5 Scheduling nach Prioritatslisten .•••... 99
4.2.6 Scheduling mit Preemption und prozessor-Sharing 101
4.2.7 Systeme verschiedener Prozessoren 106
4.2.8 Minimisierung der Verweilzeit 107
4.3 WAHRSCHEINLICHKEITS-MODELLE 109
4.3.1 warteschlangen • . . . . 109
4.3.2 Das M/M/1-System . . . . . . . 113
4.3.3 Scheduling-Verfahren . . . • • 115
4.3.3.1 First-Come-First-Serve (FCFS) 116
4.3.3.2 Shortest-Job-First (SJF) ... 117
4.3.3.3 Shortest-Remaining-Time (SRT) 118
4.3.3.4 Externe Prioritaten .•••• 118
4.3.3.5 Dynamische Prioritaten •.•••.•... 119
4.3.3.6 Round-Robin (RR) und processor-Sharing (PS) 119
4.3.3.7 Highest-Response-Ratio-Next (HRN) 122
4.3.3.8 Shortest-Elapsed-Time (SET) ••... 123
4.3.3.9 Shortest-Attained-Service-First (SASF) 124
4.3.3.10 Strategie-Kurven . . . . . . . . • . . 125
4.3.4 Scheduling von Timesharing-Systemen 127
4.4 SCHEDULING VON PERIPHERIE-SPEICHER-ZUGRIFFEN 131
4.4.1 Latenz durch Rotation 131
4.4.2 Latenz durch Positionierung 132
4.5 BEISPIEL EINES SCHEDULERS 134
KAPITEL 5 HAUPTSPEICHER-VERWALTUNG
5.1 PROBLEMSTELLUNG .• . • . • . . . 138
5.2 GRUND LAG EN DER SPEICHERVERWALTUNG 141
5.2.1 Speicher-Hierarchie 141
5.2.2 Virtueller Speicher 143
5.2.3 Segmentierung •• . 146
5.2.4 Paging . . • . . • . 148