if (Programmierung == Handwerk)

Ist das Programmieren nur ein Handwerk?

Ein Blick in den Maschinenraum lohnt sich …

fig/maschine-room.jpeg — © Microsoft Image Creator, mit KI generiert

Das Betriebssystem

Quiz

Was ist ein Betriebssystem?

Was sagt die KI dazu?

Das „denkt” die KI zu den Worten „Operating System”:

fig/def-os-ki.jpeg — © Microsoft Image Creator, mit KI generiert

Aufgaben eines Betriebssystems

Zwei Hauptaufgaben [1], [2]:

Schnittstellen/Abstraktionen zu der Hardware bereitstellen
Ressourcen und Rechte verwalten

Struktur eines Betriebssystems

fig/os-structure.svg — © Golftheman, Wikimedia

(Der Aufbau gilt nur für ein monolithisches Betriebssystem – siehe Literatur [1], [2].)

Abstraktionen

Übersicht

Was für Abstraktionen gibt es in einem Betriebssystem?

Prozessor
(Ein-Ausgabe-)Geräte
- Speichermedien (Festplatten, SSDs,
- USB-Geräte (Maus, Tastatur, Webcam, …)
- Weitere: Grafikkarte, Soundkarte, …)
Speicher
- Arbeitsspeicher
- Hintergrundspeicher (Festplatten, SSD, …)

(Dies ist keine abschließende Liste)

Prozessor

CPU = Central Processing Unit

Besteht u. a. aus
- Kontrolleinheit
- Register
- arithmetic logical unit (ALU)
- floating point unit (FPU)

Interner Aufbau wird durch Prozessorarchitektur beschrieben, z. B. arm, x86_64, RSICV, …

Führt ein Programm aus → Arbeitet die Maschineninstruktionen ab

fig/intel-486dx2.jpg — © Andrew Dunn, CC BY-SA 2.0

Aber wie unterscheiden wir die Instruktionen von bspw. Firefox und von Thunderbird? 🤔

Prozess-Abstraktion

Zwei beispielhafte Definitionen [1]:

An instance of a program running on a computer.

A program in execution.

Ein Prozess besitzt Verwaltungsinformationen (process control block)
- Kennung: PID = Process ID = eine fortlaufende Nummer
- Zustand, z. B. running
- Priorität
- Speicheradresse der nächsten Instruktion: program counter

Prozesszustände

Prozesse werden Blockiert, wenn sie auf ein Ereignis warten
Prozesse wechseln von Laufend in Bereit, wenn die Zeitscheibe abgelaufen ist

(Vereinfachte Darstellung, für Details siehe Bücher von Silberschatz, Tannenbau und anderen [1], [2])

E/A-Geräte

Aus unserer Sicht Unterteilung der Geräte in drei Kategorien:

Menschen-lesbare Geräte sind für die Interaktion mit dem Menschen gedacht, z. B. Tastatur, Bildschirm, Drucker, …
Maschinen-lesbare Geräte erlauben dem Computer die Interaktion mit der Umwelt, z. B. Sensoren, Aktoren, Festplatten, …
Geräte zur Kommunikation gestatten den Informationsaustausch mit entferten Geräten

(Seite 506, [1])

E/A-Geräteklassen

Zwei wesentliche Geräteklassen aus Sicht des Betriebssystems [1], [2]

Zeichenorientierte Geräte

Tastatur, Maus, Drucker, …
Meist sequentieller Zugriff: „Lese ein Byte nach dem anderen”

Blockorientierte Geräte

Festplatte, Diskette, CD-ROM, DVD, BluRay, …
Meist wahlfreier und blockweiser Zugriff: „Lese 512 Byte von Stelle 42”

(Nicht alle Geräte passen in diese Klassen.)

Speicherhierarchie

Von oben nach unten
- Zugriffszeiten steigen
- Kapazität steigt
- Preis sinkt

gen/memory-hierarchy-crop.svg — © Folien zur Veranstaltung „Betriebssysteme”

Vordergrundspeicher – Arbeitsspeicher

RAM = Random Access Memory = Arbeitsspeicher
Wahlfreier Zugriff (random access) auf einzelne Speicherzellen
Inhalt der Speicherzellen muss zyklisch aufgefrischt werden

Vordergrundspeicher – Arbeitsspeicher

Start bei der Adresse 0x0
Adressen im niedrigen Adressraum werden oft für Geräte genutzt (memory-mapped io)
Unterbringung des Arbeitsspeicher im physikalischen Adressraum
Beginnt nicht zwingend bei Adresse 0x0

Virtueller Speicher

Jeder Prozess bekommt gedacht den vollen Adressraum zugeteilt, z. B. $2^{32}$ Bytes bei 32bit-Maschine
Über das sog. Paging blendet das Betriebssystem Speicher ein
Abbildung auf „beliebige” physikalische Adressen
Typische Größe eines Bereichs: 4kByte (= Seite)

(Wenn der Arbeitsspeicher voll ist, wird auf die Festplatte ausgelagert. Siehe swap unter Linux oder page file unter Windows.)

fig/virtual-memory.svg — © Ehamberg, CC BY-SA 3.0

Hintergrundspeicher – Gerät

Sind persistente Speicher → kein Auffrischen nötig
Beispiele: Festplatten oder Solid State Disks (SSD)
Dient als Ablage für große Mengen
Kennt nur Spuren und Sektoren

(512 Byte oder 4k)
Zugriff erfolgt Sektor-weise:

„Lese Sektor 4711 und 4712”

fig/hdd.jpg — © Hmvh (Wikimedia), CC BY-SA 4.0

Hintergrundspeicher – Dateisysteme

Dateisysteme strukturieren Inhalt von Geräten in Verzeichnisse(/Ordner) und Dateien
Schaffen Abbildung von Dateien zu Sektoren (und Spuren)
Beispiele: EXT4, NTFS, FAT32, …
Kennt Dateien (und Verzeichnisse)
Zugriff erfolgt Byte-weise:

„Lese 30 Byte an Stelle 42”

(Siehe Kapitel 9 – Dateioperationen)

Ressourcenverwaltung

Prozessverwaltung

Hauptaufgabe der Prozessverwaltung ist das Zuteilen von Rechenzeit
Hierzu gibt es eine vielzahl an sog. Schedulingverfahren
Meist eingesetzt: Präemptives, zeitscheibenbasiertes Scheduling

Ablaufplanung

Was ist „scheduling”?
- Zu deutsch: Ablaufplanung
- Legt die Ausführungseihenfolge der Prozesse fest
- Nutzt verschiedene Parameter: Priorität, bisherige Rechenzeit, …

Was bedeutet „zeitscheibenbasiertes”?
- Jeder Prozess bekommt den Prozessor für eine feste Dauer (Zeitscheibe) zugeteilt.

Was bedeutet „präemptives”?
- Betriebssystem bekommt periodisch Signal von einem Zeitgeber
- Betriebssystem entzieht dem aktuell laufenden Prozess den Prozessor, wenn
  - ein wichtigerer Prozess (siehe Priorität) rechen-bereit ist oder
  - die Zeitscheibe abgelaufen ist.

Speicherverwaltung

malloc()/free() bzw. new/delete allozieren und geben Speicher frei
Betriebssystem verwaltet die o. g. Anfragen
Bei Erfolg blendet es den neuen Speicher im virtuellen Adressraum des Prozesses ein

→ „Es wird ein neuer Pfeil gezogen.” (siehe Abb.)

(In Wirklichkeit geschieht die Anfordung mit brk() an das Betriebssystem. Die Funktionsaufrufe werden durch die libc bzw. libstdcpp verwaltet.)

Vorteile einer Prozess-Abstraktion

Betriebssystem verwaltet Rechenzeit und Speicher eines Prozesses!
Jeder Prozess „denkt”, er sei alleine in dem System:
- Einem Prozess gehört der Prozessor
- Einem Prozess gehört der gesamte Adressraum

Vorteile dieser Abstraktion sind u. a.:
- räumliche Isolation: Jeder Prozess agiert nur in seinem Speicher(gefängnis).
- zeitliche Isolation: Ein Prozess kann nicht den Prozessor monopolisieren.

Toolchain

GNU Compiler Collection (GCC)

Ursprünglicher Name: GNU C Compiler
Eine Sammlung von verschiedenen Compilern: C, C++, Java, Fortran, …
unterstützt verschiedene Zielplattformen: x86, AMD64, ARM, RISCV, …
Anmerkung: Es ist ein Compiler für C++. Es gibt mehrere.

Aufruf des Compilers: g++ -Wall -o hello.elf main.cpp hello.cpp

-Wall: Zeige alle Warnungen an
-o: Schreibe die Ausgabe nach hello.elf
main.cpp hello.cpp: Die Eingabe

Ablauf einer Übersetzung

(C++-Name-Mangling wird hier ignoriert.)

Präprozessor (Preprocessor)

Ist letztlich ein reines Textersetzungswerkzeug
Wertet alle Ausdrücke beginnend mit # aus
Ausgabe ist reiner C/C++-Code ohne #
Ausgabe des Präprozessor anzeigen mittels Parameter -E

g++ -E -o main_.cpp main.cpp

#define PFERD 17+4
if (3*PFERD == 63) {
    // ...
}

Übersetzen (Compiling)

Die Kernkomponente des Compilers
Führt mehrere Schritte durch
- überprüft die Syntax
- übersetzt den Programmcode in Maschinencode
- führt Optimierungen durch

Ausgabe: sog. Object Files
- Enthalten die fast-fertigen Maschineninstruktionen
- Es fehlen noch die Adressen von Variablen und Funktionen (→ Linker)

Binden (Linking)

Führt folgende Schritte durch
- Sammelt alle Object Files ein
- Durchsucht diese nach fehlenden Symbolen und dann die Bibliotheken
- „Vergibt” Adressen für Variablen und Funktionen

Wichtig: Lediglich die Standardbibliotheken werden ohne explizite Angabe durchsucht
- libc für C
- libstdc++ für C++
Andere Bibliotheken müssen explizit aufgeführt werden

Arten des Binden

Dynamisches Binden
- Alle erforderlichen Bibliotheken werden beim Starten (Laden) des Programms geladen

Statisches Binden
- Alle verwendeten Bibliotheken werden beim Übersetzen „dazu gelegt”
- Dazu zählt auch der Start-Code für ein Programm

(Bitte nicht mit dem statischen und dynamischen Binden bei virtuellen Funktionen verwechseln – siehe Kapitel 9.)

Beispiel für das Binden

// hello.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

void hello() {
    cout << "Hello World!" << endl;
}

// main.cpp
void hello();

void main() {
    hello();
    return 0;
}

Fehler beim Binden

Typische Fehlermeldung des Linkers:

al@ganymed:~/coding$ g++ -Wall -o hello.elf hello.cpp 
/usr/bin/ld: /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o: in function `_start':
(.text+0x17): undefined reference to `main'
collect2: error: ld returned 1 exit status

Hier fehlt eine main()-Funktion im Programm
main() steht in der Datei main.cpp, wird aber nicht mit angegeben

Beispiel dynamisches Binden

Beispiel für die Liste an dynamisch-geladenen Bibliotheken:

al@ganymed:~/coding$ ldd dyn.elf 
        linux-vdso.so.1 (0x00007f50f06a2000)
        libstdc++.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6 (0x00007f50f0400000)
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f50f020a000)
        libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007f50f0124000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f50f06a4000)
        libgcc_s.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1 (0x00007f50f00f7000)

Vergleich statisches und dynamisches Binden

Ergebnisse

Datei	Größe (Bytes)	Größe (k/M Bytes)
`dyn.elf`	16568	~17kBytes
`static.elf`	2263288	~2,2MBytes

Compiler-Aufrufe

Dynamisch Binden: g++ -Wall -o dyn.elf hello.cpp main.cpp
Statisches Binden: g++ -Wall -static -o static.elf hello.cpp main.cpp

Gründe

alle verwendeten Bibliotheken werden dazu gebunden
„alles, was zum Ausführen von dem System benötigt wird, wird dazu gebunden”

Eure Meinung

Was haltet Ihr von diesem Kapitel 12a „Maschinenraum”?

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Cool! Genau richtig.
Es reicht.
Nein. Danke.

Referenzen

[1]

A. Silberschatz, P. B. Galvin, und G. Gagne, Operating System Concepts, 10th Aufl. Wiley, 2018.

[2]

A. S. Tanenbaum und H. Bos, Modern Operating Systems, 4th Aufl. USA: Prentice Hall Press, 2014.