Systemprogrammierung in UNIX / Linux: Grundlegende Betriebssystemkonzepte und praxisorientierte Anwendungen

307 Pages·2012·3.93 MB·German

by  Erich Ehses

Erich Ehses | Lutz Köhler | Petra Riemer | Horst Stenzel | Frank Victor
Systemprogrammierung in UNIX / Linux
Erich Ehses | Lutz Köhler | Petra Riemer
Horst Stenzel | Frank Victor
Systemprogrammierung
in UNIX / Linux
Grundlegende Betriebssystemkonzepte und praxisorientierte
Anwendungen
Mit 37 Abbildungen
STUDIUM
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1. Auflage 2012
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© Vieweg+Teubner Verlag|Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2012
Lektorat: Christel Roß|Maren Mithöfer
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-1418-0
Vorwort
Betriebssystemkonzepte und systemnahe Programmierung sind seit jeher klassi-
sche Disziplinen in der Informatik-Ausbildung an Hochschulen. Dieses Lehr- und
Übungsbuch wendet sich an Sie, liebe Studierende!
In kompakter Form werden die wichtigsten Betriebssystem-Konzepte erläutert,
wobei Praxisbezug und Programmierung von Beispielen in UNIX/Linux im Mit-
telpunkt stehen. Das Buch ist so gestaltet, dass theoretische und praktische Teile in
zehn eigenständigen Modulen behandelt werden. Die für die praktische Anwen-
dung geschriebenen Teile enden jeweils mit Übungsaufgaben zu UNIX/Linux.
An den meisten Hochschulen schließen Fächer, wie Betriebssysteme, mit einer
mündlichen Prüfung oder einer Klausur. Wir hoffen, dass unser Lehrbuch Ihnen
die Vorbereitung dazu erleichtert und wünschen Ihnen viel Erfolg und Spaß beim
Lernen.
Dieses Buch hätte ohne die Hilfe anderer nicht entstehen können.
Einen ganz besonders großen Dank richten wir an Sebastian Walk, der die Endkor-
rektur und die Koordination übernommen hat.
Norbert Gesper, Karl-Heinz Kohlenbeck und Mario Linke, die uns seit vielen Jah-
ren im Praktikum unterstützen, gebührt unsere Anerkennung ihrer hervorragen-
den Leistungen. Herzlichen Dank!
Weiterhin bedanken wir uns bei allen Studierenden der Fachhochschule Köln, die
uns zur Veröffentlichung dieses Buches ermutigt haben.

Für Marianne, Sarah und Philipp Erich Ehses, Bonn
Für Manuela, Luisa und Christina Frank Victor, Bonn
Für Caroline, Nicolas, Anna Horst Stenzel, Rheinbach
Für Jens Petra Riemer, Gummersbach

Institut für Informatik, Gummersbach, im Juli 2011
Inhaltsverzeichnis
(cid:2)
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... IX
(cid:2) (cid:2)
1 Einführung und Überblick ..................................................................................... 1
(cid:2) (cid:2)
1.1 Der Aufbau eines Computersystems ............................................................ 1
(cid:2) (cid:2)
1.2 Grundbegriffe ................................................................................................... 3
(cid:2) (cid:2)
1.3 Betriebssystemstrukturen ............................................................................... 4
(cid:2) (cid:2)
1.4 Geschichtliche Entwicklung ........................................................................... 7
(cid:2) (cid:2)
1.5 Überblick über das Buch ................................................................................. 9
(cid:2) (cid:2)
2 Das Betriebssystem UNIX ..................................................................................... 11
(cid:2) (cid:2)
2.1 Grundlagen ..................................................................................................... 11
(cid:2) (cid:2)
2.2 UNIX- und Linux-Systeme in der Praxis .................................................... 20
(cid:2) (cid:2)
2.3 Exkurs: Geschichtliche Entwicklung von UNIX und Linux .................... 21
(cid:2) (cid:2)
3 Script-Programmierung in UNIX/Linux ............................................................. 23
(cid:2) (cid:2)
3.1 Was versteht man unter Script-Programmen? ........................................... 23
(cid:2) (cid:2)
3.2 Programmierung von UNIX/Linux-Scripten ............................................. 23
(cid:2) (cid:2)
3.3 Praxisbeispiele ................................................................................................ 36
(cid:2) (cid:2)
3.4 Übungen .......................................................................................................... 40
(cid:2) (cid:2)
4 UNIX-Prozesse und elementare Kommunikation ............................................. 43
(cid:2) (cid:2)
4.1 UNIX-Prozesse ............................................................................................... 43
(cid:2) (cid:2)
4.5 Pipes ................................................................................................................. 59
(cid:2) (cid:2)
4.6 Shared Memory .............................................................................................. 65
(cid:2) (cid:2)
4.7 Übungen .......................................................................................................... 71
(cid:2) (cid:2)
5 Prozessmodell, Nebenläufigkeit und Synchronisation .................................... 73
(cid:2) (cid:2)
5.1 Der Prozessbegriff .......................................................................................... 73
(cid:2) (cid:2)
5.2 Parallelität ....................................................................................................... 88
(cid:2) (cid:2)
5.3 Synchronisationsprimitive für den wechselseitigen Ausschluss ............ 92
(cid:2) (cid:2)
5.4 Beispiele für Synchronisationsprobleme .................................................. 125
(cid:2) (cid:2)
5.5 Übungen ........................................................................................................ 134
(cid:2) (cid:2)
6 Anwendungsszenarien zur Interprozess-Kommunikation ........................... 137
(cid:2) (cid:2)
6.1 Semaphore und Shared Memory ............................................................... 137
(cid:2) (cid:2)
6.2 Dateien als Sperrmechanismus .................................................................. 143
VIII Inhaltsverzeichnis
(cid:2) (cid:2)
6.3 Nachrichtenwarteschlangen ...................................................................... 144
(cid:2) (cid:2)
6.4 Signale ........................................................................................................... 150
(cid:2) (cid:2)
6.5 Übungen ....................................................................................................... 161
(cid:2) (cid:2)
7 UNIX-Dateisystem .............................................................................................. 163
(cid:2) (cid:2)
7.1 Grundlagen .................................................................................................. 163
(cid:2) (cid:2)
7.2 Systemaufrufe zum Dateisystem .............................................................. 173
(cid:2) (cid:2)
7.3 NFS (Network File System) ....................................................................... 196
(cid:2) (cid:2)
7.4 Übungen ....................................................................................................... 202
(cid:2) (cid:2)
8 Verteilte Systeme ................................................................................................. 205
(cid:2) (cid:2)
8.1 Grundlagen .................................................................................................. 206
(cid:2) (cid:2)
8.2 Aufgaben von Kommunikationsprotokollen .......................................... 213
(cid:2) (cid:2)
8.3 TCP/IP ........................................................................................................... 216
(cid:2) (cid:2)
8.4 Sockets .......................................................................................................... 221
(cid:2) (cid:2)
8.5 Remote Procedure Call ............................................................................... 235
(cid:2) (cid:2)
8.6 Übungen ....................................................................................................... 256
(cid:2) (cid:2)
9 Strategien zum Scheduling und zur Speicherverwaltung ............................. 259
(cid:2) (cid:2)
9.1 Prozess-Scheduling ..................................................................................... 259
(cid:2) (cid:2)
9.2 Scheduling-Verfahren ................................................................................. 262
(cid:2) (cid:2)
9.3 Zweistufiges Scheduling ............................................................................ 270
(cid:2) (cid:2)
9.4 Speicherverwaltung .................................................................................... 272
(cid:2) (cid:2)
9.5 Swapping ...................................................................................................... 274
(cid:2) (cid:2)
9.6 Paging ........................................................................................................... 278
(cid:2) (cid:2)
9.7 Übungen ....................................................................................................... 286
(cid:2) (cid:2)
10 Zusammenfassung und Ausblick ..................................................................... 287
(cid:2) (cid:2)
10.1Kernideen und wichtige Konzepte aus diesem Buch ............................. 287
(cid:2) (cid:2)
10.2Die Grenzen des Buches: Was wurde nicht behandelt? ......................... 287
(cid:2) (cid:2)
10.3Wo findet man weitergehende Informationen? ...................................... 288
(cid:2)
Literatur ........................................................................................................................... 289
(cid:2)
Internet-Links .................................................................................................................. 291
(cid:2)
Installationshinweise für Linux, Eclipse und den C-Compiler ................................ 293
(cid:2)
Index ............................................................................................................................... 297
Abbildungsverzeichnis
(cid:2)
Abbildung 2-1: Schichtenmodell von UNIX .................................................................. 12
(cid:2)
Abbildung 4-1: Parallelisierung einer Vektoraddition ................................................. 45
(cid:2)
Abbildung 4-2: UNIX/Linux-Systemaufruf-Modell ..................................................... 46
(cid:2)
Abbildung 4-3: UNIX/Linux-Prozesse im Zusammenhang mit login ....................... 48
(cid:2)
Abbildung 4-4: Elementare Prozess-Synchronisation .................................................. 57
(cid:2)
Abbildung 4-5: Pipe in UNIX/Linux ............................................................................... 60
Abbildung 4-6: Erster Schritt der Pipe-Erzeugung: Alle Prozesse haben den Ein-
(cid:2)
und Ausgang der Pipe zur Verfügung .............................................. 62
Abbildung 4-7: Zweiter Schritt der Pipe-Erzeugung: Jeder Prozess hat nur noch
(cid:2)
den für ihn relevanten Ein- und Ausgang zur Verfügung. ............. 62
(cid:2)
Abbildung 4-8: Struktur von Shared Memory .............................................................. 66
(cid:2)
Abbildung 5-1: Prozessmodell ........................................................................................ 77
(cid:2)
Abbildung 5-2: Prozessübergangsdiagramm ................................................................ 78
(cid:2)
Abbildung 5-3: Implementierung von Prozessen ......................................................... 80
(cid:2)
Abbildung 5-4: Semaphore ............................................................................................ 100
(cid:2)
Abbildung 5-5: Das Petrinetz des wechselseitigen Ausschlusses mittels Monitor 112
(cid:2)
Abbildung 5-6: Monitorobjekt ....................................................................................... 113
(cid:2)
Abbildung 5-7: Das Barrieren-Problem ........................................................................ 125
(cid:2)
Abbildung 5-8: Petrinetz für das Leser-Schreiber-Problem ...................................... 129
(cid:2)
Abbildung 5-9: Kreisverkehr ......................................................................................... 131
(cid:2)
Abbildung 6-1: Struktur von Nachrichtenwarteschlangen ....................................... 145
(cid:2)
Abbildung 7-1: Das Mount-Konzept ............................................................................ 168
(cid:2)
Abbildung 7-2: Der Weg vom Filedeskriptor zum Datenblock ................................ 188
(cid:2)
Abbildung 7-3: Die Verbindung des NFS- und des Mount-Konzepts ..................... 197
(cid:2)
Abbildung 7-4: Das Virtuelle Dateisystem (vgl. [Tanenbaum 2009]) ...................... 200
(cid:2)
Abbildung 8-1: OSI-Modell, Protokoll-Ebenen ........................................................... 214
(cid:2)
Abbildung 8-2: TCP/IP-Schichtenmodell ..................................................................... 218
(cid:2)
Abbildung 8-3: Aufruf von FTP im TCP/IP-Netz ....................................................... 219
(cid:2)
Abbildung 8-4: Einbindung von Sockets in UNIX ..................................................... 222
(cid:2)
Abbildung 8-5: Verbindungsorientierter Server ......................................................... 230
(cid:2)
Abbildung 8-6: Client-Server-Kommunikation bei RPC ........................................... 238
(cid:2)
Abbildung 8-7: RPC-Programmdateien ....................................................................... 248
(cid:2)
Abbildung 9-1: Zweistufiges Scheduling mit CPU- und Speicher-Scheduler ........ 271
(cid:2)
Abbildung 9-2: Speicherzuteilung beim Swapping .................................................... 274
Abbildung 9-3: Speicherallokation mittels Bitmap ..................................................... 275
X Abbildungsverzeichnis
Abbildung 9-4: Hardwareseitige Unterstützung der Technik des virtuellen
(cid:2)
Speichers (MMU)................................................................................. 278
Abbildung 9-5: Organisation des virtuellen und realen Speichers in Seiten und
(cid:2)
Seitenrahmen sowie deren Abbildung ............................................. 279
(cid:2)
Abbildung 9-6: Der Clock-Algorithmus ....................................................................... 282
(cid:2)
Abbildung 9-7: Buddy-Algorithmus zur UNIX-Speicherverwaltung ..................... 284
1 Einführung und Überblick
1.1 Der Aufbau eines Computersystems
Seit 1945, als der Aufsatz von John von Neumann über den speicherprogrammier-
baren Computer erschien, hat sich nichts Grundsätzliches am Aufbau eines Com-
puters geändert. Allerdings wurden die Details erheblich modi(cid:2)ziert. Dort, wo von
Neumann die prinzipielle Funktionsweise skizzierte, gibt es heute komplexe
Lösungen für einzelne Komponenten.
1.1.1 Der Prozessor
Der Prozessor eines Computers vereinigt zwei wichtige Grundaufgaben, nämlich
die Steuerung der Befehlsbearbeitung (Steuerwerk) und die Durchführung der Be-
fehle (Rechenwerk). Die klassische Befehlsbearbeitung besteht in dem Wechsel von
Befehlholen/Befehldekodieren und Befehlsausführung. Moderne Architekturen
haben auf dem Prozessor umfassende Cache-Strukturen. Dabei wird der Befehls-
strom vom Datenstrom getrennt, so dass beide Aktivitäten gleichzeitig ablaufen
können. In der Regel ist vorgesehen, dass auch weitere Schritte verschränkt ausge-
führt werden können (superskalare Architektur). Die Befehlsausführung durch
den Prozessor ist für das Betriebssystem vollständig transparent. Das Betriebs-
system ist jedoch immer dann gefragt, wenn es darum geht festzulegen, welcher
Aktivitätsstrang (Prozess, Thread) gerade durch den Prozessor ausgeführt werden
soll.
Ein laufender Thread wird im Prozessor durch mehrere Register unterstützt. Der
Befehlszähler (program counter) zeigt immer auf den nächsten zu bearbeitenden
Befehl. Der Zeiger auf den aktuellen lokalen Speicherbereich einer Prozedur (frame
pointer) und der Zeiger auf das Ende des Programmstacks (stack pointer) bestimmen
den aktuellen lokalen Kontext. Andere wichtige Register legen die Zuordnung der
logischen Speicheradressen eines Prozesses zu den physikalischen Adressen des
Hauptspeichers fest. Schließlich gibt es weitere Register, die Zwischenergebnisse
und andere nützliche Daten speichern. Bei einem Prozesswechsel muss das
Betriebssystem dafür sorgen, dass der jeweilige Kontext in Form der Register-
inhalte gespeichert bzw. wieder hergestellt wird.
1.1.2 Der Speicher
Der Speicher eines Computersystems dient dazu, Programmanweisungen und
Daten aufzubewahren. Um maximalen Durchsatz mit großer Speicherkapazität zu
vereinen, ist er in der Regel als Speicherhierarchie organisiert. Das Betriebssystem
übernimmt die Aufgabe, den einzelnen Prozessen einen von der physikalischen
E. Ehses et al., Systemprogrammierung in UNIX / Linux, DOI 10.1007/978-3-8348-8277-6_1,
© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2012
2 1 Einführung und Überblick
Realisierung abstrahierten logischen Speicher anzubieten. Dabei stellt es auch
sicher, dass jeder Prozess seinen eigenen Speicher mit eigenem Adressraum vor-
findet.
1.1.3 Das Betriebssystem als erweiterte Maschine
Höhere Programmiersprachen können dem Programmierer die Arbeit abnehmen,
Anweisungen speziell für eine bestimmte Prozessorarchitektur zu formulieren. Sie
sind jedoch nicht in der Lage, die erheblich vielfältigere und komplexere Steue-
rung der Rechnerperiphere, angefangen von den unterschiedlichen Steuerungen
für Festplatten, zu übernehmen. Es ist eine der zentralen Aufgaben eines Be-
triebssystems, eine neutrale Abstraktion für die unterschiedlichen Hardwaregeräte
anzubieten. Für den Programmierer erscheint nur die Aufgabe, z.B. Daten in eine
Datei zu schreiben. Die konkrete Ansteuerung des Schreibkopfes der Festplatte
unter Beachtung aller möglichen Randbedingungen ist alleinige Aufgabe des Be-
triebssystems. Die Kapselung der Hardware ist in der Regel so vollständig, dass
ein Benutzerprozess grundsätzlich niemals in der Lage ist, unmittelbar mit der
Hardware zu kommunizieren (auch nicht wenn er in Maschinensprache pro-
grammiert wurde). In diesem Sinne stellt die Schnittstelle des Betriebssystems das
Maschinenmodell dar, mit dem sich der Programmierer auseinander setzen muss.
1.1.4 Das Betriebssystem als Ressourcenmanager
Alle heutigen Betriebssysteme unterstützen die quasiparallele Ausführung mehre-
rer Prozesse und praktisch alle Systeme erlauben auch mehreren Benutzern den
gleichzeitigen Zugang zum System. In einer solchen Umgebung muss unbedingt
sichergestellt sein, dass sich verschiedene Prozesse oder gar unterschiedliche Be-
nutzer nach Möglichkeit nicht gegenseitig stören. Dies bedeutet im Einzelnen:
(cid:2) Jeder Prozess muss seinen eigenen logischen Adressraum für die Ausführung
seines Programms bekommen.
(cid:2) Da der Prozessor immer nur einen einzigen Prozess ausführen kann, muss
dafür gesorgt werden, dass auch alle Prozesse genügend „Rechenzeit“ zu-
geteilt bekommen.
(cid:2) Die Festplatte muss so gesteuert und verwaltet werden, dass die Daten un-
terschiedlicher Prozesse konsistent und sicher verwaltet werden und dass ein
effizienter Zugriff möglich ist.
(cid:2) Peripheriegeräte und andere Aufgaben der Ein- und Ausgabe (z.B. Daten-
kommunikation) müssen allen Prozessen zur Verfügung stehen.
Eine wesentliche Aufgabe für ein Betriebssystem besteht darin, die verschiedenen
Ressourcen ef(cid:2)zient zu verwalten. Allerdings gibt es keine perfekte Strategie für
alle möglichen Fälle. Die Eigenschaften verschiedener Ressourcen sind zu unter-
schiedlich: