Betriebssysteme

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Es wird darauf hingewiesen, dass die im Buch verwendeten Soft- und Hardware-Bezeichnungen sowie Markennamen und Produktbezeichnungen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen-, marken- oder patentrechtlichem Schutz unterliegen.

Alle Angaben und Programme in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen.

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Vorwort zur 4. Auflage

Betriebssysteme unterliegen einer stetigen Weiterentwicklung, die der Produktoptimierung hinsichtlich angebotener Dienste, Stabilität und Sicherheit dient. Darüber hinaus werden neue vielversprechende Technologien dienstbar gemacht, sofern sie eine gewisse Reife erreicht haben. Dies wurde bei der vierten Auflage angemessen berücksichtigt. Neu beschrieben sind beispielsweise NAS- (Network Attached Storage) und SAS-Systeme (Server Attached Storage), die dazu zählenden RAID-Laufwerksverbunde, Container-Systeme (z.B. Docker) und Unikernels. Ein näher beim Systemkern liegender Dienst betrifft den unter Linux zentralen Completely Fair Scheduler (CFS), der in seiner Funktionsweise erklärt wird. Nicht zu vernachlässigen sind thematische Ergänzungen bei der nebenläufigen Verarbeitung, wie etwa die Korrektheitsbedingungen der Parallelität, das Thread-Pool-Konzept und die Windows Services. Die bei Betriebssystemen nötige Konfigurationsdatenhaltung, realisiert mithilfe von Textdateien in der Unix-Welt, wird der Lösung mit einer Registrierungsdatenbank (Windows Registry) gegenübergestellt. Buchinhalte früherer Auflagen, die an Bedeutung verloren haben bzw. überholt sind, wurden entfernt oder auf die Buch-Webseite (http://buch.novavia.ch) ausgelagert. Abschließend möchte ich mich bei allen bedanken, die zu den bestehenden und neuen Themen beigetragen oder in anderer Form dieses Buch unterstützt haben.

Eduard Glatz

Urdorf, im Juli 2019

Vorwort zur 3. Auflage

Seit der Erstauflage dieses Lehrbuches, die Ende 2005 entstand, hat das Thema der Betriebssysteme nichts an Aktualität verloren. Vielmehr sind Betriebssysteme als Basissoftware von Smartphones und Embedded Systems fortlaufend in neue Anwendungsbereiche vorgestoßen. Entsprechend stellen Betriebssysteme einen obligatorischen Bestandteil einer Informatikausbildung auf Hochschulstufe dar. So gelten eine Mehrheit der in diesem Buch erfassten Themen in den von ACM und IEEE im Dezember 2013 aktualisierten Computer Science Curricula als Core-Tier-1- und -Tier-2-Inhalte, d.h., als Kernthemen eines Informatik-Bachelorstudiums.

Dieses Buch nutzt zwei Betrachtungswinkel: Einerseits ist dies die Sicht auf die Programmierschnittstelle eines Betriebssystems, also die Blackbox-Betrachtung des Softwareentwicklers. Andererseits werden die dahinter steckenden Prinzipien, Algorithmen und Mechanismen beschrieben, was der Whitebox-Betrachtung des Ingenieurs entspricht. Ergänzend werden ein paar Grundlagen der Prozessortechnik vermittelt. Diese helfen die Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Hardware besser zu verstehen. Als Beispiele dienen die Betriebssysteme Windows und Unix, deren kombinierte Kenntnis heute eine wichtige Anforderung der Praxis darstellt. Als Hilfe für Dozierende stehen auf der Buch-Website http://unix.hsr.ch Übungsaufgaben mit Lösungen, alle Abbildungen des Buches und etliche Vorlesungfolien in elektronischer Form zur Verfügung.

Für die aktuelle Auflage wurde das Buch gesamthaft überarbeitet, teilweise neu gegliedert und zu Beginn jedes Kapitels mit kompetenzorientierten Lernzielen versehen. Die gestiegene Bedeutung der Mobilbetriebssysteme und der Rechnervirtualisierung wurde gebührend berücksichtigt, indem diese Themen nun in eigenen Kapiteln behandelt werden. Einen Einblick in mögliche zukünftige Systemarchitekturen gibt die Darstellung der aktuellen Forschung bzw. deren Erkenntnisse. Abschließend bedanke ich mich bei allen Personen, die mir bei der Realisierung dieses Buchprojektes geholfen haben.

Eduard Glatz

Urdorf, im Dezember 2014

Vorwort zur 1. und 2. Auflage

Obwohl heute Middleware-Systeme zur Verfügung stehen, die in vielen Fällen unabhängig von einem darunter laufenden Betriebssystem sind, ist die Betriebssystemthematik aus der Informatik-Grundausbildung aus verschiedenen Gründen nicht wegzudenken. Ohne Kenntnisse der hauptsächlichen Strukturen, Mechanismen und der Programmierschnittstelle eines Betriebssystems ist es nicht möglich, spezielle Systemdienste zu benutzen oder die Effizienz eines Systems zu optimieren. Es ist ein altes Ideal des Software Engineering, dass die hinter einer Schnittstelle stehende Implementierung als solche unwichtig ist und daher ignoriert werden soll. Auf Betriebssysteme bezogen würde dies heißen, nur die Programmierschnittstelle zu betrachten. Leider sind die dazugehörigen Beschreibungen praktisch immer minimal und befassen sich kaum mit den Konzepten der dahinter stehenden Implementierungen. Dies erschwert nicht nur ein tieferes Verständnis der Systemdienste, sondern kann auch zu einer inadäquaten Nutzung in komplexen Applikationen führen. Dieses Buch will Studierenden der Informatik und weiteren interessierten Personen die Grundlagen der Betriebssystemtheorie aus einer praktischen Perspektive näher bringen. Damit ist gemeint, dass nicht nur die Prinzipien von Betriebssystemen, sondern auch deren Nutzung bei der systemnahen Programmierung aufgezeigt werden. Dieser Ansatz entspricht der Idee des Bachelor-Studiums, das eine Berufsbefähigung nach drei Studienjahren anstrebt und die forschungsorientierte Ausbildung in die Master- und Doktoratstufe verschiebt.

Methodisch wird ein Weg zwischen der Betrachtung anfallender Probleme und ihren Lösungen auf einer theoretischen und einer praktischen Basis beschritten. Der Praxisbezug orientiert sich an den zwei am meisten verbreiteten Systemwelten, nämlich Unix und Windows. Kenntnisse der Prozessortechnik werden keine vorausgesetzt. Wo nötig werden die wichtigsten Prozessorgrundlagen erklärt, soweit sie für das Verständnis des Betriebssystems und der systemnahen Programmierung hilfreich sind. Die zahlreichen Beschreibungen von Systemfunktionen dienen dazu, die Programmbeispiele genau zu verstehen. Dies ist im Zeitalter der Java-Programmierung umso wichtiger, da eine gründliche Ausbildung in der Programmiersprache C nicht mehr vorausgesetzt werden kann, wenn auch C-Grundkenntnisse für dieses Buch notwendig sind. Im Weiteren verschaffen diese Beschreibungen einen Einstieg in die Systemdokumentationen, wie sie in Form der Unix-Handbuchseiten oder der MSDN-Beschreibungen (Microsoft Developer Network) für Windows vorliegen und erfahrungsgemäß für Neulinge nur schwer verständlich sind. Auf die Betrachtung von Computernetzen wird weitgehend verzichtet, da dieses Thema in einem Betriebssystembuch nur oberflächlich gestreift werden kann und ausgezeichnete Standardwerke zur Verfügung stehen. Dafür werden als Ergänzung die aktuellen Themen Multiprozessorsysteme, Handheld-Betriebssysteme und Virtualisierungstechnologien vorgestellt.

Als Hilfe für Dozierende stehen auf der Buch-Website http://unix.hsr.ch Übungsaufgaben mit Lösungen, alle Abbildungen des Buches und etliche Vorlesungsfolien in elektronischer Form zur Verfügung. Abschließend bedanke ich mich bei allen Personen, die mir bei der Realisierung dieses Buchprojektes geholfen haben.

Eduard Glatz

Urdorf, im August 2005

Neuheiten in der zweiten Auflage

Eine neue Auflage erlaubt nicht nur das Aktualisieren schnell veralteter Informationen, sondern auch das Einbringen von Erfahrungen und zusätzlichen Themen. Aktualisiert haben wir die Informationen zu Windows 7, Windows CE und Symbian OS. Die ausführlichen tabellarischen Beschreibungen zu den Systemfunktionen sind nun nicht mehr im Buch, sondern in einer PDF-Datei zusammengefasst auf der Buch-Website (http://unix.hsr.ch) verfügbar. Auf vielfältigen Wunsch wurde das Literaturverzeichnis ausgedehnt. Neue Themen betreffen u.a. die Linux-basierten Smartphone-Betriebssysteme Android, WebOS und Maemo, die Systemprogrammierung aus C++, Java und .NET-Sprachen, die Bauweise von SSD (Solid State Disks), spezielle Dateisystemtechnologien (Schattenkopie, Disk Scheduling) und die Vermeidung von Synchronisationsengpässen.

Eduard Glatz

Urdorf, im Februar 2010

Inhaltsverzeichnis

1Einführung

1.1Zweck

1.2Definitionen

1.3Einordnung im Computersystem

1.4Betriebssystemarten

1.4.1Klassische Einteilungen

1.4.2Moderne Einteilungen

1.4.3Geschichte

1.5Betriebssystemarchitekturen

1.5.1Architekturformen

1.5.2Benutzer-/Kernmodus

1.5.3Monolithische Systeme

1.5.4Geschichtete Systeme

1.5.5Mikrokernsysteme (Client/Server-Modell)

1.5.6Multiprozessorsysteme

1.5.7Verteilte Betriebssysteme

1.5.8Beispiele von Systemarchitekturen

1.5.9Zukünftige Systemarchitekturen aus Sicht der Forschung

2Programmausführung und Hardware

2.1Rechner- und Prozessorgrundlagen

2.1.1Grundmodell eines Rechners

2.1.2Befehlsverarbeitung in der CPU

2.1.3Prozessoraufbau

2.1.4Allgemeine Prozessorregister (general purpose registers)

2.1.5Steuerregister (control registers)

2.2Grundlagen des Adressraums

2.2.1Adressraumtypen

2.2.2Bytereihenfolge (byte ordering)

2.2.3Adressraumbelegungsplan (memory map)

2.2.4Ausrichtungsregeln im Adressraum

2.2.5Adressraumbelegung durch Programme

2.2.6Adressraumnutzung durch C-Programme

2.3Grundlagen der Programmausführung

2.3.1Quell- und Binärcode

2.3.2Programmausführung und Programmzähler (PC)

2.3.3Funktionsweise des Stapels und Stapelzeigers (SP)

2.3.4Funktion des Programmstatusworts (PSW)

2.3.5Programmunterbrechungen (interrupts)

2.3.6Privilegierte Programmausführung (Benutzer-/Kernmodus)

2.4Unterprogrammmechanismen

2.4.1Unterprogrammaufruf und Komplettierung

2.4.2Formen des Unterprogrammaufrufs

2.4.3Parameterübergabe beim Unterprogrammaufruf

2.4.4Realisierung der Parameterübergabe und lokale Variablen

3Systemprogrammierung

3.1Wahl der Systemprogrammiersprache

3.1.1Mischsprachenprogrammierung

3.1.2Programmiersprache C++

3.1.3Java Native Interface (JNI)

3.1.4Microsoft .NET-Sprachen

3.2Laufzeitsystem der Programmiersprache C

3.3Unterprogrammtechniken

3.3.1Formale und aktuelle Parameter

3.3.2Idempotente Unterprogramme

3.4Grundlagen der Systemprogrammierung

3.4.1Dienstanforderung und Erbringung

3.4.2Dienstparameter und Resultate

3.4.3Umgebungsvariablenliste (environment list)

3.4.4Dateideskriptoren & Handles

3.4.5Systemdatentypen

3.4.6Anfangsparameter für Prozesse

3.4.7Beendigungsstatus von Programmen

3.4.8Fehlerbehandlung

3.4.9Programmierung für 32- und 64-Bit-Systeme

3.5Systemprogrammierschnittstellen

3.5.1Aufrufverfahren

3.5.2Unix-Programmierschnittstelle

3.5.3Windows-Programmierschnittstelle

4Prozesse und Threads

4.1Parallelverarbeitung

4.1.1Darstellung paralleler Abläufe

4.1.2Hardware-Parallelität

4.1.3Software-Parallelität

4.1.4Begriffe

4.2Prozessmodell

4.2.1Grundprinzip

4.2.2Prozesserzeugung und Terminierung

4.2.3Prozesse unter Unix

4.2.4Funktionsweise der Unix-Shell

4.2.5Prozesse & Jobs unter Windows

4.2.6Vererbung unter Prozessen

4.2.7Systemstart und Prozesshierarchie

4.2.8Ausführungsmodelle für Betriebssysteme

4.3Threads

4.3.1Thread-Modell

4.3.2Vergleich Prozesse zu Threads

4.3.3Implementierung des Multithreading

4.3.4Windows Threads, Fibers und Services

4.3.5Services

4.3.6Threads unter Unix

4.3.7Thread-Pool-Konzept

4.3.8Anwendungsprobleme

4.4Prozessorzuteilungsstrategien

4.4.1Quasiparallelität im Einprozessorsystem

4.4.2Prozess- und Thread-Zustände

4.4.3Konzeptionelle Prozessverwaltung

4.4.4Zuteilungsstrategien

4.4.5Multiprozessor-Scheduling

4.4.6POSIX-Thread-Scheduling

4.4.7Java-Thread-Scheduling

4.4.8Scheduling unter Windows

4.4.9Scheduling unter Unix

5Synchronisation von Prozessen und Threads

5.1Synchronisationsbedarfe und Lösungsansätze

5.1.1Problem der Ressourcenteilung

5.1.2Verlorene Aktualisierung (lost update problem)

5.1.3Inkonsistente Abfrage (inconsistent read)

5.1.4Absicherung mit Selbstverwaltung – naiver Ansatz

5.1.5Absicherung mit Selbstverwaltung – korrekter Ansatz

5.1.6Absicherung mit Systemmitteln

5.2Semaphore

5.2.1Semaphortypen

5.2.2Implementierungsfragen

5.3Anwendung der Semaphore

5.3.1Absicherung kritischer Bereiche (mutual exclusion)

5.3.2Synchronisation von Abläufen (barrier synchronization)

5.3.3Produzenten & Konsumenten (producer and consumer)

5.3.4Leser & Schreiber (readers and writers)

5.3.5Problem der Prioritätsumkehrung (priority inversion)

5.3.6Weitere Anwendungsprobleme

5.4Implementierungen von Semaphoren

5.4.1Semaphore unter Unix

5.4.2Semaphore unter Windows

5.5Unix-Signale

5.5.1Idee & Grundprinzip der Unix-Signale

5.5.2Programmierung der Signale

5.5.3Signale im Multithreading

5.5.4Realtime-Signale

5.6Verklemmungsproblematik (deadlocks)

5.6.1Ursache

5.6.2Deadlock-Bedingungen

5.6.3Lösungsansätze und ihre Beurteilung

5.7Praktische Erwägungen zur Parallelprogrammierung

5.7.1Grenzen der Leistungssteigerung (Amdahl‘s Law)

5.7.2Korrektheitsbedingungen der Parallelität

5.7.3Vermeidung von Synchronisationsengpässen

5.7.4Speicherkonsistenz (memory consistency)

6Kommunikation von Prozessen und Threads

6.1Überblick über Synchronisation und Kommunikation

6.2Nachrichtenbasierte Verfahren

6.2.1Allgemeine Aspekte

6.2.2Unix-Pipes

6.2.3Windows-Pipes

6.2.4Unix Message Queues

6.2.5Windows-Messages

6.2.6Windows-Mailslots

6.3Speicherbasierte Verfahren

6.3.1Gemeinsamer Speicher unter Windows

6.3.2Gemeinsamer Speicher unter Unix

6.4Monitor

6.4.1Grundprinzip

6.4.2Java-Monitor

6.4.3Monitornachbildung mit Bedingungsvariablen

6.5Rendezvous

6.5.1Grundprinzip

6.5.2Synchronisation in Client/Server-Systemen (barber shop)

6.6Rechnerübergreifende Interprozesskommunikation

6.6.1Netzwerksoftware

6.6.2Berkeley-Sockets

6.6.3Remote Procedure Call (RPC)

6.6.4Überblick über Middleware

7Ein- und Ausgabe

7.1Peripherie

7.1.1Einordnung im Rechnermodell

7.1.2Begriffsdefinitionen

7.2Ein-/Ausgabeabläufe

7.2.1Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe

7.2.2Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen

7.2.3Ein-/Ausgabe mittels DMA

7.2.4Ein-/Ausgabearten im Vergleich

7.3Ein-/Ausgabesystem

7.3.1Treiber

7.3.2Geräteverwaltung

7.3.3Treiberschnittstelle

7.3.4Ein-/Ausgabeschnittstelle

7.3.5Ein-/Ausgabepufferung

7.3.6Treibermodell in Linux

7.3.7Treibermodelle in Windows (WDM & WDF)

7.4Massenspeicher

7.4.1Wichtigste Massenspeicher

7.4.2Eigenschaften von Festplattenlaufwerken (HDD)

7.4.3Eigenschaften von Festkörperlaufwerken (SSD)

7.4.4Speicher-Anschlussmöglichkeiten

7.4.5Pufferung von Zugriffsdaten (disk cache)

7.4.6Speicher-Virtualisierung durch RAID

7.5Benutzerinteraktion aus Systemsicht (Benutzeroberflächen)

7.5.1Allgemeines

7.5.2Systemarchitekturen

7.5.3Programmiermodelle

7.5.4Die Unix-Shell als Kommandointerpreter

7.5.5Funktionsweise und Programmierung des X-Window-Systems

7.5.6Funktionsweise und Programmierung des Windows-GUI

8Speicherverwaltung

8.1Speichersystem

8.1.1Einordnung im Rechnermodell

8.1.2Grundlegende Speicherprinzipien

8.1.3Speicherhierarchie & Lokalitätsprinzip

8.1.4Cache-Funktionsweise

8.2Dynamische Speicherbereitstellung (Heap)

8.2.1Verwaltungsalgorithmen

8.2.2Grundprinzip der Speicherzuordnung

8.2.3Übersicht Implementierungsvarianten

8.2.4Variante A: Variable Zuordnungsgröße

8.2.5Variante B: Feste Blockgrößen bzw. Größenklassen

8.2.6Variante C: Mehrfache einer festen Blockgröße

8.2.7Variante D: Buddy-System

8.2.8Heap-Erweiterung

8.2.9Heap-Management in Windows

8.3Verwaltung von Prozessadressräumen

8.3.1Adressraumnutzung durch Programme

8.3.2Adressraumverwaltung durch das Betriebssystem

8.4Realer Speicher

8.4.1Monoprogrammierung

8.4.2Multiprogrammierung mit Partitionen

8.4.3Verfahren für knappen Speicher

8.5Virtueller Speicher

8.5.1Adressumsetzung

8.5.2Seitenwechselverfahren (demand paging)

8.5.3Speicherabgebildete Dateien

8.5.4Gemeinsamer Speicher (shared memory)

9Dateisysteme

9.1Dateisystemkonzepte

9.1.1Logische Organisation

9.1.2Dateisystemfunktionen

9.1.3Gemeinsame Dateinutzung

9.1.4Speicherabgebildete Dateien

9.2Realisierung von Dateisystemen

9.2.1Konzeptionelles Modell

9.2.2Blockspeicher als Grundlage

9.2.3Organisationsprinzipien

9.3UFS – traditionelles Unix-Dateisystem

9.3.1Datenträgeraufteilung

9.3.2Dateihaltung und Verzeichnisorganisation

9.3.3Index Nodes (Inodes)

9.4FAT– traditionelles Windows-Dateisystem

9.4.1Datenträgeraufteilung

9.4.2Aufbau der Belegungstabelle (FAT)

9.4.3Verzeichnisdaten

9.5NTFS – modernes Windows-Dateisystem

9.5.1Entstehung und Eigenschaften

9.5.2Logische Struktur und Inhalt einer NTFS-Partition

9.5.3NTFS-Streams

9.5.4Dateispeicherung

9.5.5Dateiverzeichnisse

9.6ZFS – zukunftweisendes Dateisystem

9.6.1Datenträgerverwaltung

9.6.2Datenintegrität

9.6.3Pufferung und Deduplizierung

9.6.4Interoperabilität

9.7Netzwerkdateisysteme

9.7.1Logische Sicht

9.7.2Implementierung

9.7.3NFS – Network File System in Unix

9.7.4SMB – Netzwerkdateisystem in Windows

9.8Spezielle Dateisystemtechnologien

9.8.1Protokollierende Dateisysteme

9.8.2Schattenkopie

9.8.3Disk Scheduling

9.9Datenträgerpartitionierung

9.9.1Anwendungsbereiche

9.9.2Master Boot Record (MBR)

9.9.3GUID Partition Table (GPT)

10Programmentwicklung

10.1Software-Entwicklungswerkzeuge

10.1.1Ablauf der Programmübersetzung

10.1.2Darstellung von Übersetzungsvorgängen mittels T-Notation

10.1.3Automatisierte Übersetzung

10.1.4Versionsverwaltung

10.2Adressraumbelegung und Relokation

10.2.1Storage Class

10.2.2Programmorganisation in Sektionen

10.2.3Relokation von Programmen

10.3Programmbibliotheken

10.3.1Grundlagen und Begriffe

10.3.2Anwendungsbereiche

10.3.3Programmbibliotheken unter Unix

10.3.4Programmbibliotheken unter Windows

10.4Skriptprogrammierung unter Unix

10.4.1Anwendungsbereiche

10.4.2Die Shell als Programminterpreter

10.4.3Portabilität und Kompatibilität

10.4.4Erstellung von Skriptprogrammen

10.4.5Ausführung von Skriptprogrammen

10.4.6Elemente der Skriptsprache

10.4.7Shell-Befehle

10.4.8Shell-Variablen

10.4.9Stringoperatoren für Shell-Variable

10.4.10Metazeichen

10.4.11Synonyme und Funktionen

10.4.12Bedingte Tests (conditional tests)

10.4.13Arithmetik

10.4.14Kontrollstrukturen für Skripte

10.5Anwendungs- und Systemkonfiguration

10.5.1Konfiguration mit Textdateien

10.5.2Konfiguration mit Registrierungsdatenbank

11Sicherheit

11.1Schutzziele

11.2Autorisierung und Zugriffskontrolle

11.2.1Grundlagen und Begriffe

11.2.2Schutzdomänenkonzept

11.2.3Schutzstrategien

11.3Hochsichere Betriebssysteme

11.4Sicherheit unter Unix

11.5Sicherheit unter Windows

12Virtualisierung

12.1Anwendungsbereiche

12.2Virtualisierungstypen

12.2.1Virtuelle Prozessoren

12.2.2Virtuelle Prozessumgebungen

12.2.3Virtuelles Betriebssystem

12.2.4Virtueller Desktop

12.2.5Virtuelle Ressourcen

12.2.6Sandboxing (virtuelles Laufzeitsystem)

12.2.7Virtuelle Computer (Stufe Computerhardware)

12.3Virtual Machine Monitor bzw. Hypervisor

12.3.1Anforderungen

12.3.2VMM-Funktionsweise

12.3.3VMM-Typen

12.3.4Unikernel

12.4Einsatzgebiete

13Mobile Betriebssysteme

13.1Gemeinsame Eigenschaften

13.1.1Anforderungen durch die Plattform

13.1.2Middleware als Betriebssystem

13.2Google Android

13.2.1Überblick

13.2.2Architektur

13.2.3System- und Applikationsstart

13.2.4Lebenszyklus von Applikationen

13.2.5Nachrichtensystem

13.3Apple iOS

AAnhang

A.1Maßeinheiten und Darstellungen

A.1.1Maßeinheiten in der Informatik

A.1.2Darstellung von Bitmustern

A.1.3Oktal- und Hexadezimalzahlen

A.1.4Kennzeichnung der Zahlensysteme

A.1.5Rechnerinterne Zahlendarstellungen

A.1.6Textzeichensätze

Literaturhinweise

Index

1Einführung

Als Einstieg in das Thema legen wir fest, welchen Zwecken ein Betriebssystem dient, wie es sich als Begriff definieren lässt und wo es in einem Rechner einzuordnen ist. Danach diskutieren wir die Anforderungen an den Betriebssystementwurf, mögliche Architekturen und weiterführende Ideen aus der Forschung.

1.1Zweck

Der Begriff »Betriebssystem« kann unterschiedlich aufgefasst werden. Beispielsweise über die Frage: Was leistet ein Betriebssystem? Zwei Grundfunktionen sind:

• Erweiterte Maschine: Das Betriebssystem realisiert von vielen Applikationen geichartig genutzte Teilfunktionen als standardisierte Dienste. Damit wird die Applikationsentwicklung einfacher als beim direkten Zugriff auf die blanke Rechnerhardware. Die erweiterte Maschine ist eine Abstraktion der Hardware auf hohem Niveau und entspringt einer Top-down-Sicht.
• Betriebsmittelverwalter: Das Betriebssystem verwaltet die zeitliche und räumliche Zuteilung von Rechnerressourcen. Im Mehrprogrammbetrieb wird im Zeitmultiplex der Prozessor zwischen verschiedenen ablauffähigen Programmen hin und her geschaltet. Im Raummultiplex wird der verfügbare Speicher auf geladene Programme aufgeteilt. Ausgehend von den Ressourcen entspricht dies einer Bottom-up-Sicht.

Detaillierter betrachtet erfüllt ein Betriebssystem sehr viele Zwecke. Es kann mehrere oder sogar alle der folgenden Funktionalitäten realisieren:

• Hardwareunabhängige Programmierschnittstelle: Programme können unverändert auf verschiedenen Computersystemen ablaufen (auf Quellcodeebene gilt dies sogar für unterschiedliche Prozessorfamilien mit differierenden Instruktionssätzen).
• Geräteunabhängige Ein-/Ausgabefunktionen: Programme können ohne Änderung unterschiedliche Modelle einer Peripheriegeräteart ansprechen.
• Ressourcenverwaltung: Mehrere Benutzer bzw. Prozesse können gemeinsame Betriebsmittel ohne Konflikte nutzen. Die Ressourcen werden jedem Benutzer so verfügbar gemacht, wie wenn er exklusiven Zugriff darauf hätte.
• Speicherverwaltung: Mehrere Prozesse/Applikationen können nebeneinander im Speicher platziert werden, ohne dass sie aufeinander Rücksicht nehmen müssen (jeder Prozess hat den Speicher scheinbar für sich allein). Zudem wird bei knappem Speicher dieser optimal auf alle Nutzer aufgeteilt.
• Massenspeicherverwaltung (Dateisystem): Daten können persistent gespeichert und später wieder gefunden werden.
• Parallelbetrieb (Multitasking): Mehrere Prozesse können quasiparallel ablaufen. Konzeptionell stehen mehr Prozessoren zur Verfügung als in der Hardware vorhanden, indem versteckt vor den Anwendungen parallele Abläufe, soweit nötig, sequenzialisiert werden.
• Interprozesskommunikation: Prozesse können mit anderen Prozessen Informationen austauschen. Die Prozesse können dabei entweder auf dem gleichen Rechner ablaufen (lokal) oder auf verschiedenen Systemen (verteilt) ausgeführt werden.
• Sicherheitsmechanismen: Es können sowohl Funktionen für die Datensicherung, d.h. die fehlerfreie Datenverarbeitung, als auch Datenschutzkonzepte implementiert sein. Der Datenschutz kann zum Beispiel durch das explizite Löschen freigegebener Bereiche im Hauptspeicher und auf Plattenspeichern sicherstellen, dass empfindliche Informationen nicht in falsche Hände fallen. Die Zugangskontrolle zum Rechner (Anmeldedialoge, Benutzerverwaltung) dient ebenfalls dem Datenschutz.
• Bedienoberflächen: Moderne Betriebssysteme realisieren grafische Bedienoberflächen mit ausgeklügelten Bedienkonzepten, die Dialoge mit dem System und Anwendungen komfortabel gestalten. Ergänzend existieren Eingabemöglichkeiten für Kommandozeilenbefehle, die geübten Benutzern sehr effiziente Dialogmöglichkeiten, z.B. zur Systemadministration, anbieten.

Die geräteunabhängige Ein-/Ausgabe war eine der wichtigsten Errungenschaften bei der erstmaligen Einführung von Betriebssystemen. Früher war es notwendig, dass Applikationen die Eigenheiten der angeschlossenen Peripheriegeräte im Detail kennen mussten. Mit einem Betriebssystem stehen hingegen logische Kanäle zur Verfügung, die Ein-/Ausgaben über standardisierte Funktionen bereitstellen (siehe Abb. 1–1). Die logischen Kanäle werden häufig mittels sprechender Textnamen identifiziert.