Multitasking-Betriebssystem und Mehrbenutzerbetrieb

Multitasking-Betriebssystem

• Mehrere Programme werden gleichzeitig ausgeführt.
• Mehrere Prozesse befinden sich gleichzeitig im Hauptspeicher.
• Programme konkurrieren um den Prozessor.
• Nebenläufigkeit = Aktivitäten, die parallel ausführbar sind.
• Programme werden nicht nacheinander, sondern nebenläufig ausgeführt (quasiparallel).
• Quasiparallele Bearbeitung durch CPU-Zuteilung in kurzen Zeitquanten (z.B. 100ms).
• Abwechselnde Wartephasen und Bearbeitungsphasen für jeden Prozess.
• CPU als Ressource, die durch das Betriebssystem zugewiesen wird.
• Kontextwechsel = Wechsel der CPU-Zuteilung von einem Prozess zu einem anderen.
• Scheduling-Strategie = Strategie zur CPU-Vergabe an konkurrierende Prozesse.

Mehrbenutzerbetrieb (Timesharing-Betrieb)

• Mehrere Benutzer können gleichzeitig mit einem Rechner arbeiten (z.B. über direkt angeschlossene Terminals oder Netzwerkverbindungen).
• Jeder Benutzer hat das Gefühl, den Rechner alleine zu nutzen.
• Benötigt Multitasking-Unterstützung und Ressourcenzuordnung (Dateien, Hauptspeicherbereiche) zu Benutzern.

Schichtenmodell

• Monolithische Betriebssysteme haben mehrere aufeinander aufbauende Schichten.
• Jede Schicht bietet Funktionen als Diensteschnittstelle für die darüber liegende Schicht.
• Die Implementierung einer Schicht benutzt nur die Schnittstelle der darunter liegenden Schicht.
• Jede Schicht repräsentiert eine Abstraktionsebene:
  • Unten = hardwarespezifisch
  • Oben = anwendungsorientiert und hardwareunabhängig

Betriebssystem Schichtenmodell

• Anwendung
• Standardbibliotheken
• Systemaufruf-Schnittstelle
• Betriebssystem
• Dateisystem
• Basisfunktionen (CPU-, Prozess-, Hauptspeicher-, Cache-Verwaltung, IPC)
• Hardware-Abstraktionsschicht
• Hardware

Hardware-Abstraktionsschicht

• Kapselt hardwareabhängige Teile des Systems.
• Plattformspezifische Funktionen:
  • Isolieren die Eigenschaften einer Rechnerplattform (z.B. Pentium-PC oder Sun Ultra 1).
  • Kapselung ermöglicht einfache Portierung eines Betriebssystems auf verschiedene Plattformen.
• Hardwaretreiber:
  • Module zur Steuerung von Hardware-Controllern (z.B. Festplatten, Netzwerkkarten, Scanner, Graphikkarten).

Prozesse und Threads

• Systemaufrufe (synchron):
  • Implementiert durch Traps, die wie andere Ereignisse funktionieren.
  • Gewollter Kontrollübergang an das Betriebssystem.
• Programmfehler-Ereignisse (synchron):
  • Verursachen Prozessor-Ausnahmezustände (z.B. Fließkommaüberlauf, Division durch Null, unerlaubte Hauptspeicherzugriffe).
  • Nicht beabsichtigt aus Sicht des Programmierers.
  • Ereignisbehandlung oft durch Terminierung des Prozesses.
  • Anwendungsprogramme können Fehlerbehandlungsfunktionen registrieren.
• Seitenfehler:
  • Hauptspeicherbereich eines Prozesses wird in Speicherseiten eingeteilt.
  • Diese Seiten können bei Bedarf auf den Swap-Bereich der Festplatte ausgelagert werden.
  • Zugriff auf eine ausgelagerte Seite führt zu einer Unterbrechung, bis die Seite wieder in den Hauptspeicher kopiert wurde.
  • Ereignisbehandlung unsichtbar für den Prozess.
• Hardwarefehler (asynchron):
  • Spannungsschwankungen oder defekte Hardware können zu Ausnahmezuständen führen.

Nachteile des Prozesskonzepts

• Hoher Speicherverbrauch
• Aufwändiger Kontextwechsel
• Langsame Interprozesskommunikation (über das Betriebssystem)

Threads

• Leichter als Prozesse.
• Keine gegenseitige Abschottung zwischen Threads desselben Programms.
• Gemeinsame Datenstrukturen und Dateien zur effizienten Kooperation.
• Jeder Thread benötigt einen eigenen Laufzeitstack.
• Threads durch Prozesse zu implementieren ist ineffizient:
  • Hoher Hauptspeicherverbrauch (eigene Adressräume)
  • Geringere Geschwindigkeit (Erzeugen, Kontextwechsel, Kommunikation)

Thread-Bibliotheken auf Benutzerebene ("Anwender-Threads", "user threads")

• Betriebssystem muss parallelle Aktivitäten des Programms nicht sehen.
• Programmierung kann die Verwaltung von Threads ohne Betriebssystemunterstützung durchführen.
• Bibliotheksfunktionen implementieren Thread-Verwaltung.
• Bestandteile einer Thread-Bibliothek:
  • Operationen zum Erzeugen und Vernichten von Threads.
  • Scheduling-Mechanismus (Blockieren, Aktivieren, Prioritäten).
  • Synchronisationsmechanismen.
  • Kommunikationsmechanismen.
• Vorteile von "Anwender-Threads":
  • Effiziente Implementierung, da keine Nutzung des Systemkerns notwendig ist.
  • Geringe Ressourcenbelastung des Betriebssystems.

Synchronisation nebenläufiger Prozesse

• Benötigt Synchronisationsmechanismen, wenn Prozesse um exklusiven Zugriff auf Daten oder Geräte konkurrieren.
• Nichtdeterminismus durch Nebenläufigkeit:
  • Relativer Bearbeitungsfortschritt von Prozessen ist nicht vorhersehbar.
• Problematik gemeinsamen Datenzugriffs:
  • Gefahr von Datenkonflikten, wenn mehrere Prozesse gleichzeitig auf gemeinsame Variablen zugreifen.
• Gegenseitiger Ausschluss:
  • Synchronisationsmechanismus, der sicherstellt, dass nur ein Prozess gleichzeitig auf eine gemeinsame Ressource zugreifen kann.
• Aktives Warten:
  • Prozess wartet in einer Schleife, bis die Ressource verfügbar wird.
  • Ineffizient, da die CPU blockiert ist.
• Aktives Warten auf Maschinenebene:
  • Verwendung atomarer Instruktionen (z.B. SWAP oder TEST-AND-SET), um den Inhalt eines Registers zu prüfen und zu modifizieren.
• Abschalten von Unterbrechungen:
  • Gegenseitiger Ausschluss durch Abschalten aller Hardware-Interrupts.
  • Kann zu Systemstillstand führen, wenn ein Prozess im kritischen Abschnitt hängenbleibt.
• Semaphore:
  • Synchronisationsmittel, das eine bestimmte Anzahl von Ressourcen repräsentiert.
  • Prozesse können Ressourcen anfordern und freigeben.
  • Verhindert den Zugriff auf Ressourcen, wenn sie nicht verfügbar sind.
• Monitore:
  • Abstraktion, die gemeinsame Daten und Operationen auf diesen Daten kapselt.
  • Synchronisationsmechanismen innerhalb des Monitors sorgen für konsistenten Zugriff auf gemeinsame Daten.
• Deadlock:
  • Situation, in der sich mehrere Prozesse gegenseitig blockieren.
• Verklemmung:
  • Situation, in der sich mehrere Prozesse blockieren, weil sie auf Ressourcen warten, die von anderen Prozessen gehalten werden.

Dieses Quiz behandelt die Konzepte von Multitasking-Betriebssystemen und Mehrbenutzerbetrieb. Erfahren Sie, wie mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden und wie Benutzer gleichzeitig auf einen Computer zugreifen können, ohne sich gegenseitig zu stören. Testen Sie Ihr Wissen über Prozesse, Kontextwechsel und Scheduling-Strategien.