Moderne Betriebssysteme - PDF
Andrew S. Tanenbaum/Herbert Bos
Inhalt
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Moderne Betriebssysteme
Impressum
Inhaltsübersicht
Vorwort 21
Kapitel 1 - Einführung 27
Kapitel 2 - Prozesse und Threads 125
Kapitel 3 - Speicherverwaltung 237
Kapitel 4 - Dateisysteme 329
Kapitel 5 - Eingabe und Ausgabe 415
Kapitel 6 - Deadlocks 531
Kapitel 7 - Virtualisierung und die Cloud 573
Kapitel 8 - Multiprozessorsysteme 627
Kapitel 9 - IT-Sicherheit 715
Kapitel 10 - Fallstudie 1: Linux 855
Kapitel 11 - Fallstudie 2: Windows 8 1017
Kapitel 12 - Entwurf von Betriebssystemen 1161
Bibliografie 1221
Namensregister 1265
Register 1267
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 21
Kapitel 1 - Einführung 27
1.1 Was ist ein Betriebssystem? 31
1.1.1 Das Betriebssystem als eine erweiterte Maschine 31
1.1.2 Das Betriebssystem als Ressourcenverwalter 33
1.2 Geschichte der Betriebssysteme 34
1.2.1 Die erste Generation (1945–1955) – auf Basis von Elektronenröhren 35
1.2.2 Die zweite Generation (1955–1965) – Transistoren und Stapelverarbeitungssysteme 36
1.2.3 Die dritte Generation (1965–1980) – integrierte Schaltkreise und Multiprogrammierung 38
1.2.4 Die vierte Generation (1980 bis heute) – der PC 43
1.2.5 Die fünfte Generation (1990 bis heute) – mobile Computer 48
1.3 Überblick über die Computerhardware 49
1.3.1 Prozessoren 50
1.3.2 Arbeitsspeicher 54
1.3.3 Festplatten 58
1.3.4 Ein-/Ausgabegeräte 59
1.3.5 Bussysteme 63
1.3.6 Hochfahren des Computers 66
1.4 Die Betriebssystemfamilie 67
1.4.1 Betriebssysteme für Großrechner 67
1.4.2 Betriebssysteme für Server 67
1.4.3 Betriebssysteme für Multiprozessorsysteme 68
1.4.4 Betriebssysteme für PCs 68
1.4.5 Betriebssysteme für Handheld-Computer 68
1.4.6 Betriebssysteme für eingebettete Systeme 69
1.4.7 Betriebssysteme für Sensorknoten 69
1.4.8 Echtzeitbetriebssysteme 69
1.4.9 Betriebssysteme für Smartcards 70
1.5 Betriebssystemkonzepte 71
1.5.1 Prozesse 71
1.5.2 Adressräume 74
1.5.3 Dateien 74
1.5.4 Ein- und Ausgabe 78
1.5.5 Datenschutz und Datensicherheit 78
1.5.6 Die Shell 79
1.5.7 Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese 80
1.6 Systemaufrufe 84
1.6.1 Systemaufrufe zur Prozessverwaltung 89
1.6.2 Systemaufrufe zur Dateiverwaltung 91
1.6.3 Systemaufrufe zur Verzeichnisverwaltung 92
1.6.4 Sonstige Systemaufrufe 94
1.6.5 Die Win32-Programmierschnittstelle (API) unter Windows 95
1.7 Betriebssystemstrukturen 98
1.7.1 Monolithische Systeme 99
1.7.2 Geschichtete Systeme 100
1.7.3 Mikrokerne 102
1.7.4 Das Client-Server-Modell 105
1.7.5 Virtuelle Maschinen 105
1.7.6 Exokerne 110
1.8 Die Welt aus der Sicht von C 111
1.8.1 Die Programmiersprache C 111
1.8.2 Header-Dateien 112
1.8.3 Große Programmierprojekte 113
1.8.4 Das Laufzeitmodell 114
1.9 Forschung im Bereich der Betriebssysteme 115
1.10 Überblick über das Buch 116
1.11 Metrische Einheiten 117
Kapitel 2 - Prozesse und Threads 125
2.1 Prozesse 126
2.1.1 Das Prozessmodell 127
2.1.2 Prozesserzeugung 129
2.1.3 Prozessbeendigung 132
2.1.4 Prozesshierarchien 133
2.1.5 Prozesszustände 133
2.1.6 Implementierung von Prozessen 136
2.1.7 Modellierung der Multiprogrammierung 138
2.2 Threads 139
2.2.1 Der Gebrauch von Threads 140
2.2.2 Das klassische Thread-Modell 146
2.2.3 POSIX-Threads 150
2.2.4 Implementierung von Threads im Benutzeradressraum 153
2.2.5 Implementierung von Threads im Kern 156
2.2.6 Hybride Implementierungen 157
2.2.7 Scheduler-Aktivierungen 158
2.2.8 Pop-up-Threads 160
2.2.9 Einfachthread-Code in Multithread-Code umwandeln 161
2.3 Interprozesskommunikation 165
2.3.1 Race Conditions 165
2.3.2 Kritische Regionen 167
2.3.3 Wechselseitiger Ausschluss mit aktivem Warten 168
2.3.4 Sleep und Wakeup 174
2.3.5 Semaphor 177
2.3.6 Mutex 179
2.3.7 Monitor 186
2.3.8 Nachrichtenaustausch 192
2.3.9 Barrieren 195
2.3.10 Sperren vermeiden: das Read-Copy-Update-Schema 197
2.4 Scheduling 199
2.4.1 Einführung in das Scheduling 199
2.4.2 Scheduling in Stapelverarbeitungssystemen 207
2.4.3 Scheduling in interaktiven Systemen 209
2.4.4 Scheduling in Echtzeitsystemen 215
2.4.5 Strategie versus Mechanismus 217
2.4.6 Thread-Scheduling 217
2.5 Klassische Probleme der Interprozesskommunikation 219
2.5.1 Das Philosophenproblem 219
2.5.2 Das Leser-Schreiber-Problem 223
2.6 Forschung zu Prozessen und Threads 224
Kapitel 3 - Speicherverwaltung 237
3.1 Systeme ohne Speicherabstraktion 239
3.2 Speicherabstraktion: Adressräume 242
3.2.1 Das Konzept des Adressraums 243
3.2.2 Swapping 245
3.2.3 Verwaltung von freiem Speicher 248
3.3 Virtueller Speicher 251
3.3.1 Paging 253
3.3.2 Seitentabellen 257
3.3.3 Beschleunigung des Paging 259
3.3.4 Seitentabellen für große Speicherbereiche 263
3.4 Seitenersetzungsalgorithmen 267
3.4.1 Der optimale Algorithmus zur Seitenersetzung 268
3.4.2 Der Not-Recently-Used-Algorithmus (NRU) 269
3.4.3 Der First-In-First-Out-Algorithmus (FIFO) 270
3.4.4 Der Second-Chance-Algorithmus 271
3.4.5 Der Clock-Algorithmus 272
3.4.6 Der Least-Recently-Used-Algorithmus (LRU) 272
3.4.7 Simulation von LRU durch Software 273
3.4.8 Der Working-Set-Algorithmus 275
3.4.9 Der WSClock-Algorithmus 279
3.4.10 Zusammenfassung der Seitenersetzungsstrategien 281
3.5 Entwurfskriterien für Paging-Systeme 282
3.5.1 Lokale versus globale Zuteilungsstrategien 282
3.5.2 Lastkontrolle 285
3.5.3 Seitengröße 286
3.5.4 Trennung von Befehls- und Datenräumen 287
3.5.5 Gemeinsame Seiten 288
3.5.6 Gemeinsame Bibliotheken 290
3.5.7 Memory-Mapped-Dateien 292
3.5.8 Bereinigungsstrategien 293
3.5.9 Schnittstelle des virtuellen Speichersystems 294
3.6 Implementierungsaspekte 295
3.6.1 Aufgaben des Betriebssystems beim Paging 295
3.6.2 Behandlung von Seitenfehlern 296
3.6.3 Sicherung von unterbrochenen Befehlen 297
3.6.4 Sperren von Seiten im Speicher 298
3.6.5 Hintergrundspeicher 299
3.6.6 Trennung von Strategie und Mechanismus 301
3.7 Segmentierung 302
3.7.1 Implementierung von Segmentierung 306
3.7.2 Segmentierung mit Paging: MULTICS 306
3.7.3 Segmentierung mit Paging: x86 von Intel 310
3.8 Forschung zur Speicherverwaltung 314
Kapitel 4 - Dateisysteme 329
4.1 Dateien 332
4.1.1 Benennung von Dateien 332
4.1.2 Dateistruktur 334
4.1.3 Dateitypen 336
4.1.4 Dateizugriff 338
4.1.5 Dateiattribute 338
4.1.6 Dateioperationen 340
4.1.7 Beispielprogramm mit Aufrufen zum Dateisystem 341
4.2 Verzeichnisse 344
4.2.1 Verzeichnissysteme mit einer Ebene 345
4.2.2 Hierarchische Verzeichnissysteme 345
4.2.3 Pfadnamen 346
4.2.4 Operationen auf Verzeichnissen 348
4.3 Implementierung von Dateisystemen 350
4.3.1 Layout eines Dateisystems 350
4.3.2 Implementierung von Dateien 351
4.3.3 Implementierung von Verzeichnissen 357
4.3.4 Gemeinsam benutzte Dateien 360
4.3.5 Log-basierte Dateisysteme 363
4.3.6 Journaling-Dateisysteme 365
4.3.7 Virtuelle Dateisysteme 367
4.4 Dateisystemverwaltung und -optimierung 371
4.4.1 Plattenspeicherverwaltung 371
4.4.2 Sicherung von Dateisystemen 379
4.4.3 Konsistenz eines Dateisystems 385
4.4.4 Performanz eines Dateisystems 388
4.4.5 Defragmentierung von Plattenspeicher 393
4.5 Beispiele von Dateisystemen 394
4.5.1 Das MS-DOS-Dateisystem 395
4.5.2 Das UNIX-V7-Dateisystem 399
4.5.3 CD-ROM-Dateisysteme 401
4.6 Forschung zu Dateisystemen 407
Kapitel 5 - Eingabe und Ausgabe 415
5.1 Grundlagen der Ein-/Ausgabehardware 417
5.1.1 Ein-/Ausgabegeräte 417
5.1.2 Controller 419
5.1.3 Memory-Mapped-Ein-/Ausgabe 420
5.1.4 Direct Memory Access 424
5.1.5 Interrupts 427
5.2 Grundlagen der Ein-/Ausgabesoftware 432
5.2.1 Ziele von Ein-/Ausgabesoftware 432
5.2.2 Programmierte Ein-/Ausgabe 434
5.2.3 Interruptgesteuerte Ein-/Ausgabe 435
5.2.4 Ein-/Ausgabe mit DMA 436
5.3 Schichten der Ein-/Ausgabesoftware 437
5.3.1 Unterbrechungsroutinen 438
5.3.2 Gerätetreiber 439
5.3.3 Geräteunabhängige Ein-/Ausgabesoftware 444
5.3.4 Ein-/Ausgabesoftware im Benutzeradressraum 450
5.4 Plattenspeicher 452
5.4.1 Hardware von Plattenspeichern 452
5.4.2 Formatierung von Plattenspeichern 460
5.4.3 Strategien zur Steuerung des Plattenarms 464
5.4.4 Fehlerbehandlung 468
5.4.5 Zuverlässiger Speicher 471
5.5 Uhren 475
5.5.1 Hardwareuhren 475
5.5.2 Softwareuhren 477
5.5.3 Soft-Timer 480
5.6 Benutzungsschnittstellen: Tastatur, Maus, Bildschirm 482
5.6.1 Eingabesoftware 482
5.6.2 Ausgabesoftware 488
5.7 Thin Clients 506
5.8 Energieverwaltung 508
5.8.1 Hardwareaspekte 509
5.8.2 Betriebssystemaspekte 511
5.8.3 Energieverwaltung und Anwendungsprogramme 517
5.9 Forschung im Bereich Ein-/Ausgabe 518
Kapitel 6 - Deadlocks 531
6.1 Ressourcen 533
6.1.1 Unterbrechbare und nicht unterbrechbare Ressourcen 533
6.1.2 Ressourcenanforderung 534
6.2 Einführung in Deadlocks 536
6.2.1 Voraussetzungen für Ressourcen-Deadlocks 537
6.2.2 Modellierung von Deadlocks 537
6.3 Der Vogel-Strauß-Algorithmus 541
6.4 Erkennen und Beheben von Deadlocks 541
6.4.1 Deadlock-Erkennung bei einer Ressource je Typ 541
6.4.2 Deadlock-Erkennung bei mehreren Ressourcen je Typ 544
6.4.3 Beheben von Deadlocks 547
6.5 Verhinderung von Deadlocks (Avoidance) 548
6.5.1 Ressourcenspuren 549
6.5.2 Sichere und unsichere Zustände 550
6.5.3 Der Bankier-Algorithmus für eine einzelne Ressource 551
6.5.4 Der Bankier-Algorithmus für mehrere Ressourcen 553
6.6 Vermeidung von Deadlocks (Prevention) 554
6.6.1 Unterlaufen der Bedingung des wechselseitigen Ausschlusses 554
6.6.2 Unterlaufen der Hold-and-Wait-Bedingung 555
6.6.3 Unterlaufen der Bedingung der Ununterbrechbarkeit 556
6.6.4 Unterlaufen der zyklischen Wartebedingung 556
6.7 Weitere Themen zu Deadlocks 558
6.7.1 Zwei-Phasen-Sperren 558
6.7.2 Kommunikationsdeadlocks 558
6.7.3 Livelock 560
6.7.4 Verhungern 563
6.8 Forschung zu Deadlocks 563
Kapitel 7 - Virtualisierung und die Cloud 573
7.1 Geschichte der Virtualisierung 577
7.2 Anforderungen für die Virtualisierung 578
7.3 Typ-1- und Typ-2-Hypervisoren 581
7.4 Techniken für die effiziente Virtualisierung 582
7.4.1 Das Nichtvirtualisierbare virtualisieren 583
7.4.2 Kosten der Virtualisierung 586
7.5 Der Hypervisor: ein idealer Mikrokern? 587
7.6 Speichervirtualisierung 590
7.7 Ein-/Ausgabevirtualisierung 595
7.8 Virtual Appliances 599
7.9 Virtuelle Maschinen bei Mehrkernprozessoren 600
7.10 Fragen bezüglich der Lizenzierung 601
7.11 Clouds 601
7.11.1 Clouds-as-a-Service 602
7.11.2 Migration von virtuellen Maschinen 603
7.11.3 Checkpointing 604
7.12 Fallstudie: VMware 604
7.12.1 Die Anfänge von VMware 605
7.12.2 VMware Workstation 607
7.12.3 Aufgaben bei der Virtualisierungseinführung im x86 608
7.12.4 VMware Workstation: Überblick über die Lösungen 609
7.12.5 Die Weiterentwicklung von VMware Workstation 619
7.12.6 ESX Server: Typ-1-Hypervisor von VMware 620
7.13 Forschung zu Virtualisierung und der Cloud 622
Kapitel 8 - Multiprozessorsysteme 627
8.1 Multiprozessoren 631
8.1.1 Hardware von Multiprozessoren 631
8.1.2 Betriebssystemarten für Multiprozessoren 643
8.1.3 Synchronisation in Multiprozessorsystemen 647
8.1.4 Multiprozessor-Scheduling 652
8.2 Multicomputer 659
8.2.1 Hardware von Multicomputern 660
8.2.2 Low-Level-Kommunikationssoftware 664
8.2.3 Kommunikationssoftware auf Benutzerebene 668
8.2.4 Entfernter Prozeduraufruf (RPC) 671
8.2.5 Distributed Shared Memory 674
8.2.6 Multicomputer-Scheduling 679
8.2.7 Lastausgleich 680
8.3 Verteilte Systeme 683
8.3.1 Netzwerkhardware 686
8.3.2 Netzwerkdienste und -protokolle 689
8.3.3 Dokumentenbasierte Middleware 693
8.3.4 Dateisystembasierte Middleware 695
8.3.5 Objektbasierte Middleware 700
8.3.6 Koordinationsbasierte Middleware 702
8.4 Forschung zu Multiprozessorsystemen 705
Kapitel 9 - IT-Sicherheit 715
9.1 Die Sicherheitsumgebung 719
9.1.1 Bedrohungen 719
9.1.2 Angreifer 723
9.2 Betriebssystemsicherheit 723
9.2.1 Können wir sichere Systeme bauen? 724
9.2.2 Trusted Computing Base 726
9.3 Zugriff auf Ressourcen steuern 727
9.3.1 Schutzdomänen 727
9.3.2 Zugriffskontrolllisten 730
9.3.3 Capabilities 733
9.4 Formale Modelle von sicheren Systemen 736
9.4.1 Multilevel-Sicherheit 738
9.4.2 Verdeckte Kanäle 741
9.5 Grundlagen der Kryptografie 746
9.5.1 Symmetrische Kryptografie 747
9.5.2 Public-Key-Kryptografie 748
9.5.3 Einwegfunktionen 749
9.5.4 Digitale Signaturen 750
9.5.5 Trusted Platform Module (TPM) 752
9.6 Authentifizierung 754
9.6.1 Authentifizierung durch Besitz 762
9.6.2 Biometrische Authentifizierung 765
9.7 Ausnutzen von Sicherheitslücken 768
9.7.1 Pufferüberlaufangriffe 770
9.7.2 Formatstring-Angriffe 780
9.7.3 Hängende Zeiger 783
9.7.4 NULL-Zeiger-Derefenzierungsangriff 784
9.7.5 Angriffe durch Ganzzahlüberlauf 785
9.7.6 Angriffe durch Kommando-Injektion 786
9.7.7 Time-of-Check-to-Time-of-Use-Angriff 787
9.8 Insider-Angriffe 788
9.8.1 Logische Bomben 789
9.8.2 Hintertüren 789
9.8.3 Login-Spoofing 790
9.9 Malware 791
9.9.1 Trojanische Pferde 795
9.9.2 Viren 797
9.9.3 Würmer 808
9.9.4 Spyware 811
9.9.5 Rootkits 815
9.10 Abwehrmechanismen 820
9.10.1 Firewalls 820
9.10.2 Antiviren- und Anti-Antivirentechniken 823
9.10.3 Codesignierung 830
9.10.4 Jailing 832
9.10.5 Modellbasierte Angriffserkennung 833
9.10.6 Kapselung von mobilem Code 834
9.10.7 Java-Sicherheit 839
9.11 Forschung zum Thema IT-Sicherheit 842
Kapitel 10 - Fallstudie 1: Linux 855
10.1 Die Geschichte von UNIX und Linux 857
10.1.1 UNICS 857
10.1.2 PDP-11-UNIX 858
10.1.3 Portable UNIX-Varianten 859
10.1.4 Berkeley-UNIX 860
10.1.5 Standard-UNIX 861
10.1.6 MINIX 862
10.1.7 Linux 864
10.2 Überblick über Linux 866
10.2.1 Ziele von Linux 867
10.2.2 Schnittstellen zu Linux 868
10.2.3 Die Shell 870
10.2.4 Hilfsprogramme unter Linux 873
10.2.5 Kernstruktur 875
10.3 Prozesse in Linux 878
10.3.1 Grundlegende Konzepte 878
10.3.2 Systemaufrufe zur Prozessverwaltung in Linux 881
10.3.3 Implementierung von Prozessen und Threads in Linux 886
10.3.4 Scheduling in Linux 893
10.3.5 Starten von Linux 898
10.4 Speicherverwaltung in Linux 901
10.4.1 Grundlegende Konzepte 902
10.4.2 Systemaufrufe zur Speicherverwaltung in Linux 905
10.4.3 Implementierung der Speicherverwaltung in Linux 906
10.4.4 Paging in Linux 913
10.5 Ein-/Ausgabe in Linux 917
10.5.1 Grundlegende Konzepte 917
10.5.2 Netzwerkimplementierung 919
10.5.3 Systemaufrufe zur Ein-/Ausgabe in Linux 920
10.5.4 Implementierung der Ein-/Ausgabe in Linux 921
10.5.5 Linux-Kernmodule 925
10.6 Das Linux-Dateisystem 926
10.6.1 Grundlegende Konzepte 926
10.6.2 Systemaufrufe zur Dateiverwaltung in Linux 931
10.6.3 Implementierung des Linux-Dateisystems 935
10.6.4 NFS – das Netzwerkdateisystem 945
10.7 Sicherheit in Linux 952
10.7.1 Grundlegende Konzepte 952
10.7.2 Systemaufrufe zu Sicherheitsfunktionen in Linux 954
10.7.3 Implementierung von Sicherheitsfunktionen in Linux 955
10.8 Android 956
10.8.1 Android und Google 957
10.8.2 Geschichte von Android 958
10.8.3 Entwurfsziele 962
10.8.4 Architektur von Android 963
10.8.5 Linux-Erweiterungen 965
10.8.6 Dalvik 969
10.8.7 Interprozesskommunikation mit Binder 971
10.8.8 Android-Anwendungen 980
10.8.9 Intents 992
10.8.10 Sandboxen in Anwendungen 994
10.8.11 Sicherheit 995
10.8.12 Prozessmodell 1001
Kapitel 11 - Fallstudie 2: Windows 8 1017
11.1 Die Geschichte von Windows bis Windows 8.1 1018
11.1.1 Die 1980er: MS-DOS 1019
11.1.2 Die 1990er: MS-DOS-basiertes Windows 1020
11.1.3 Die 2000er: NT-basiertes Windows 1020
11.1.4 Windows Vista 1023
11.1.5 Die 2010er: Modern Windows 1025
11.2 Programmierung von Windows 1026
11.2.1 Die native NT-Programmierschnittstelle 1030
11.2.2 Die Win32-Programmierschnittstelle 1034
11.2.3 Die Windows-Registrierungsdatenbank 1039
11.3 Systemstruktur 1042
11.3.1 Betriebssystemstruktur 1042
11.3.2 Starten von Windows 1060
11.3.3 Implementierung des Objekt-Managers 1062
11.3.4 Subsysteme, DLLs und Dienste im Benutzermodus 1074
11.4 Prozesse und Threads in Windows 1077
11.4.1 Grundlegende Konzepte 1077
11.4.2 API-Aufrufe zur Job-, Prozess-, Thread- und Fiberverwaltung 1084
11.4.3 Implementierung von Prozessen und Threads 1091
11.5 Speicherverwaltung 1099
11.5.1 Grundlegende Konzepte 1099
11.5.2 Systemaufrufe zur Speicherverwaltung 1104
11.5.3 Implementierung der Speicherverwaltung 1105
11.6 Caching in Windows 1116
11.7 Ein-/Ausgabe in Windows 1118
11.7.1 Grundlegende Konzepte 1118
11.7.2 API-Aufrufe für die Ein-/Ausgabe 1120
11.7.3 Implementierung der Ein-/Ausgabe 1123
11.8 Das Windows-NT-Dateisystem 1128
11.8.1 Grundlegende Konzepte 1128
11.8.2 Implementierung des NT-Dateisystems 1129
11.9 Energieverwaltung in Windows 1141
11.10 IT-Sicherheit in Windows 8 1143
11.10.1 Grundlegende Konzepte 1144
11.10.2 API-Aufrufe zu Sicherheitsfunktionen 1147
11.10.3 Implementierung von Sicherheitsfunktionen 1148
11.10.4 Mitigation in der IT-Sicherheit 1150
Kapitel 12 - Entwurf von Betriebssystemen 1161
12.1 Das Problem des Entwurfs 1163
12.1.1 Ziele 1163
12.1.2 Warum ist es schwierig, ein Betriebssystem zu entwerfen? 1164
12.2 Schnittstellenentwurf 1166
12.2.1 Leitlinien 1167
12.2.2 Paradigmen 1169
12.2.3 Die Systemaufrufschnittstelle 1173
12.3 Implementierung 1176
12.3.1 Systemstruktur 1176
12.3.2 Mechanismus versus Strategie 1181
12.3.3 Orthogonalität 1182
12.3.4 Namensräume 1183
12.3.5 Zeitpunkt des Bindens 1185
12.3.6 Statische versus dynamische Strukturen 1186
12.3.7 Top-down- versus Bottom-up-Implementierung 1187
12.3.8 Synchrone versus asynchrone Kommunikation 1188
12.3.9 Nützliche Techniken 1190
12.4 Performanz 1196
12.4.1 Warum sind Betriebssysteme langsam? 1196
12.4.2 Was sollte verbessert werden? 1197
12.4.3 Der Zielkonflikt zwischen Laufzeit und Speicherplatz 1198
12.4.4 Caching 1201
12.4.5 Hints 1202
12.4.6 Ausnutzen der Lokalität 1203
12.4.7 Optimieren des Normalfalls 1203
12.5 Projektverwaltung 1204
12.5.1 Der Mythos vom Mann-Monat 1204
12.5.2 Teamstruktur 1206
12.5.3 Die Bedeutung der Erfahrung 1208
12.5.4 No Silver Bullet 1209
12.6 Trends beim Entwurf von Betriebssystemen 1210
12.6.1 Virtualisierung und die Cloud 1210
12.6.2 Vielkern-Prozessoren 1210
12.6.3 Betriebssysteme mit großem Adressraum 1211
12.6.4 Nahtloser Datenzugriff 1212
12.6.5 Batteriebetriebene Computer 1213
12.6.6 Eingebettete Systeme 1214
Bibliografie 1221
13.1 Empfehlungen für weiterführende Literatur 1222
13.1.1 Einführung 1222
13.1.2 Prozesse und Threads 1223
13.1.3 Speicherverwaltung 1224
13.1.4 Dateisysteme 1224
13.1.5 Ein- und Ausgabe 1225
13.1.6 Deadlocks 1225
13.1.7 Virtualisierung und die Cloud 1226
13.1.8 Multiprozessorsysteme 1227
13.1.9 IT-Sicherheit 1228
13.1.10 Fallstudie 1: UNIX, Linux und Android 1230
13.1.11 Fallstudie 2: Windows 8 1230
13.1.12 Betriebssystementwurf 1231
13.2 Alphabetische Literaturliste 1232
Namensregister 1265
Register 1267
Vorwort
Handhabung des Buchs
Webseite zum Buch
Danksagungen
Über die Autoren
Vorwort zur deutschen Ausgabe
Kapitel 1 - Einführung
1.1 Was ist ein Betriebssystem?
1.1.1 Das Betriebssystem als eine erweiterte Maschine
1.1.2 Das Betriebssystem als Ressourcenverwalter
1.2 Geschichte der Betriebssysteme
1.2.1 Die erste Generation (1945–1955) – auf Basis von Elektronenröhren
1.2.2 Die zweite Generation (1955–1965) – Transistoren und Stapelverarbeitungssysteme
1.2.3 Die dritte Generation (1965–1980) – integrierte Schaltkreise und Multiprogrammierung
1.2.4 Die vierte Generation (1980 bis heute) – der PC
1.2.5 Die fünfte Generation (1990 bis heute) – mobile Computer
1.3 Überblick über die Computerhardware
1.3.1 Prozessoren
1.3.2 Arbeitsspeicher
1.3.3 Festplatten
1.3.4 Ein-/Ausgabegeräte
1.3.5 Bussysteme
1.3.6 Hochfahren des Computers
1.4 Die Betriebssystemfamilie
1.4.1 Betriebssysteme für Großrechner
1.4.2 Betriebssysteme für Server
1.4.3 Betriebssysteme für Multiprozessorsysteme
1.4.4 Betriebssysteme für PCs
1.4.5 Betriebssysteme für Handheld-Computer
1.4.6 Betriebssysteme für eingebettete Systeme
1.4.7 Betriebssysteme für Sensorknoten
1.4.8 Echtzeitbetriebssysteme
1.4.9 Betriebssysteme für Smartcards
1.5 Betriebssystemkonzepte
1.5.1 Prozesse
1.5.2 Adressräume
1.5.3 Dateien
1.5.4 Ein- und Ausgabe
1.5.5 Datenschutz und Datensicherheit
1.5.6 Die Shell
1.5.7 Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese
1.6 Systemaufrufe
1.6.1 Systemaufrufe zur Prozessverwaltung
1.6.2 Systemaufrufe zur Dateiverwaltung
1.6.3 Systemaufrufe zur Verzeichnisverwaltung
1.6.4 Sonstige Systemaufrufe
1.6.5 Die Win32-Programmierschnittstelle (API) unter Windows
1.7 Betriebssystemstrukturen
1.7.1 Monolithische Systeme
1.7.2 Geschichtete Systeme
1.7.3 Mikrokerne
1.7.4 Das Client-Server-Modell
1.7.5 Virtuelle Maschinen
1.7.6 Exokerne
1.8 Die Welt aus der Sicht von C
1.8.1 Die Programmiersprache C
1.8.2 Header-Dateien
1.8.3 Große Programmierprojekte
1.8.4 Das Laufzeitmodell
1.9 Forschung im Bereich der Betriebssysteme
1.10 Überblick über das Buch
1.11 Metrische Einheiten
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 2 - Prozesse und Threads
2.1 Prozesse
2.1.1 Das Prozessmodell
2.1.2 Prozesserzeugung
2.1.3 Prozessbeendigung
2.1.4 Prozesshierarchien
2.1.5 Prozesszustände
2.1.6 Implementierung von Prozessen
2.1.7 Modellierung der Multiprogrammierung
2.2 Threads
2.2.1 Der Gebrauch von Threads
2.2.2 Das klassische Thread-Modell
2.2.3 POSIX-Threads
2.2.4 Implementierung von Threads im Benutzeradressraum
2.2.5 Implementierung von Threads im Kern
2.2.6 Hybride Implementierungen
2.2.7 Scheduler-Aktivierungen
2.2.8 Pop-up-Threads
2.2.9 Einfachthread-Code in Multithread-Code umwandeln
2.3 Interprozesskommunikation
2.3.1 Race Conditions
2.3.2 Kritische Regionen
2.3.3 Wechselseitiger Ausschluss mit aktivem Warten
2.3.4 Sleep und Wakeup
2.3.5 Semaphor
2.3.6 Mutex
2.3.7 Monitor
2.3.8 Nachrichtenaustausch
2.3.9 Barrieren
2.3.10 Sperren vermeiden: das Read-Copy-Update-Schema
2.4 Scheduling
2.4.1 Einführung in das Scheduling
2.4.2 Scheduling in Stapelverarbeitungssystemen
2.4.3 Scheduling in interaktiven Systemen
2.4.4 Scheduling in Echtzeitsystemen
2.4.5 Strategie versus Mechanismus
2.4.6 Thread-Scheduling
2.5 Klassische Probleme der Interprozesskommunikation
2.5.1 Das Philosophenproblem
2.5.2 Das Leser-Schreiber-Problem
2.6 Forschung zu Prozessen und Threads
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 3 - Speicherverwaltung
3.1 Systeme ohne Speicherabstraktion
3.2 Speicherabstraktion: Adressräume
3.2.1 Das Konzept des Adressraums
3.2.2 Swapping
3.2.3 Verwaltung von freiem Speicher
3.3 Virtueller Speicher
3.3.1 Paging
3.3.2 Seitentabellen
3.3.3 Beschleunigung des Paging
3.3.4 Seitentabellen für große Speicherbereiche
3.4 Seitenersetzungsalgorithmen
3.4.1 Der optimale Algorithmus zur Seitenersetzung
3.4.2 Der Not-Recently-Used-Algorithmus (NRU)
3.4.3 Der First-In-First-Out-Algorithmus (FIFO)
3.4.4 Der Second-Chance-Algorithmus
3.4.5 Der Clock-Algorithmus
3.4.6 Der Least-Recently-Used-Algorithmus (LRU)
3.4.7 Simulation von LRU durch Software
3.4.8 Der Working-Set-Algorithmus
3.4.9 Der WSClock-Algorithmus
3.4.10 Zusammenfassung der Seitenersetzungsstrategien
3.5 Entwurfskriterien für Paging-Systeme
3.5.1 Lokale versus globale Zuteilungsstrategien
3.5.2 Lastkontrolle
3.5.3 Seitengröße
3.5.4 Trennung von Befehls- und Datenräumen
3.5.5 Gemeinsame Seiten
3.5.6 Gemeinsame Bibliotheken
3.5.7 Memory-Mapped-Dateien
3.5.8 Bereinigungsstrategien
3.5.9 Schnittstelle des virtuellen Speichersystems
3.6 Implementierungsaspekte
3.6.1 Aufgaben des Betriebssystems beim Paging
3.6.2 Behandlung von Seitenfehlern
3.6.3 Sicherung von unterbrochenen Befehlen
3.6.4 Sperren von Seiten im Speicher
3.6.5 Hintergrundspeicher
3.6.6 Trennung von Strategie und Mechanismus
3.7 Segmentierung
3.7.1 Implementierung von Segmentierung
3.7.2 Segmentierung mit Paging: MULTICS
3.7.3 Segmentierung mit Paging: x86 von Intel
3.8 Forschung zur Speicherverwaltung
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 4 - Dateisysteme
4.1 Dateien
4.1.1 Benennung von Dateien
4.1.2 Dateistruktur
4.1.3 Dateitypen
4.1.4 Dateizugriff
4.1.5 Dateiattribute
4.1.6 Dateioperationen
4.1.7 Beispielprogramm mit Aufrufen zum Dateisystem
4.2 Verzeichnisse
4.2.1 Verzeichnissysteme mit einer Ebene
4.2.2 Hierarchische Verzeichnissysteme
4.2.3 Pfadnamen
4.2.4 Operationen auf Verzeichnissen
4.3 Implementierung von Dateisystemen
4.3.1 Layout eines Dateisystems
4.3.2 Implementierung von Dateien
4.3.3 Implementierung von Verzeichnissen
4.3.4 Gemeinsam benutzte Dateien
4.3.5 Log-basierte Dateisysteme
4.3.6 Journaling-Dateisysteme
4.3.7 Virtuelle Dateisysteme
4.4 Dateisystemverwaltung und -optimierung
4.4.1 Plattenspeicherverwaltung
4.4.2 Sicherung von Dateisystemen
4.4.3 Konsistenz eines Dateisystems
4.4.4 Performanz eines Dateisystems
4.4.5 Defragmentierung von Plattenspeicher
4.5 Beispiele von Dateisystemen
4.5.1 Das MS-DOS-Dateisystem
4.5.2 Das UNIX-V7-Dateisystem
4.5.3 CD-ROM-Dateisysteme
4.6 Forschung zu Dateisystemen
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 5 - Eingabe und Ausgabe
5.1 Grundlagen der Ein-/Ausgabehardware
5.1.1 Ein-/Ausgabegeräte
5.1.2 Controller
5.1.3 Memory-Mapped-Ein-/Ausgabe
5.1.4 Direct Memory Access
5.1.5 Interrupts
5.2 Grundlagen der Ein-/Ausgabesoftware
5.2.1 Ziele von Ein-/Ausgabesoftware
5.2.2 Programmierte Ein-/Ausgabe
5.2.3 Interruptgesteuerte Ein-/Ausgabe
5.2.4 Ein-/Ausgabe mit DMA
5.3 Schichten der Ein-/Ausgabesoftware
5.3.1 Unterbrechungsroutinen
5.3.2 Gerätetreiber
5.3.3 Geräteunabhängige Ein-/Ausgabesoftware
5.3.4 Ein-/Ausgabesoftware im Benutzeradressraum
5.4 Plattenspeicher
5.4.1 Hardware von Plattenspeichern
5.4.2 Formatierung von Plattenspeichern
5.4.3 Strategien zur Steuerung des Plattenarms
5.4.4 Fehlerbehandlung
5.4.5 Zuverlässiger Speicher
5.5 Uhren
5.5.1 Hardwareuhren
5.5.2 Softwareuhren
5.5.3 Soft-Timer
5.6 Benutzungsschnittstellen: Tastatur, Maus, Bildschirm
5.6.1 Eingabesoftware
5.6.2 Ausgabesoftware
5.7 Thin Clients
5.8 Energieverwaltung
5.8.1 Hardwareaspekte
5.8.2 Betriebssystemaspekte
5.8.3 Energieverwaltung und Anwendungsprogramme
5.9 Forschung im Bereich Ein-/Ausgabe
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 6 - Deadlocks
6.1 Ressourcen
6.1.1 Unterbrechbare und nicht unterbrechbare Ressourcen
6.1.2 Ressourcenanforderung
6.2 Einführung in Deadlocks
Definition: Deadlock
6.2.1 Voraussetzungen für Ressourcen-Deadlocks
6.2.2 Modellierung von Deadlocks
6.3 Der Vogel-Strauß-Algorithmus
6.4 Erkennen und Beheben von Deadlocks
6.4.1 Deadlock-Erkennung bei einer Ressource je Typ
6.4.2 Deadlock-Erkennung bei mehreren Ressourcen je Typ
6.4.3 Beheben von Deadlocks
6.5 Verhinderung von Deadlocks (Avoidance)
6.5.1 Ressourcenspuren
6.5.2 Sichere und unsichere Zustände
6.5.3 Der Bankier-Algorithmus für eine einzelne Ressource
6.5.4 Der Bankier-Algorithmus für mehrere Ressourcen
6.6 Vermeidung von Deadlocks (Prevention)
6.6.1 Unterlaufen der Bedingung des wechselseitigen Ausschlusses
6.6.2 Unterlaufen der Hold-and-Wait-Bedingung
6.6.3 Unterlaufen der Bedingung der Ununterbrechbarkeit
6.6.4 Unterlaufen der zyklischen Wartebedingung
6.7 Weitere Themen zu Deadlocks
6.7.1 Zwei-Phasen-Sperren
6.7.2 Kommunikationsdeadlocks
6.7.3 Livelock
6.7.4 Verhungern
6.8 Forschung zu Deadlocks
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 7 - Virtualisierung und die Cloud
7.1 Geschichte der Virtualisierung
7.2 Anforderungen für die Virtualisierung
7.3 Typ-1- und Typ-2-Hypervisoren
7.4 Techniken für die effiziente Virtualisierung
7.4.1 Das Nichtvirtualisierbare virtualisieren
7.4.2 Kosten der Virtualisierung
7.5 Der Hypervisor: ein idealer Mikrokern?
7.6 Speichervirtualisierung
7.7 Ein-/Ausgabevirtualisierung
7.8 Virtual Appliances
7.9 Virtuelle Maschinen bei Mehrkernprozessoren
7.10 Fragen bezüglich der Lizenzierung
7.11 Clouds
7.11.1 Clouds-as-a-Service
7.11.2 Migration von virtuellen Maschinen
7.11.3 Checkpointing
7.12 Fallstudie: VMware
7.12.1 Die Anfänge von VMware
7.12.2 VMware Workstation
7.12.3 Aufgaben bei der Virtualisierungseinführung im x86
7.12.4 VMware Workstation: Überblick über die Lösungen
7.12.5 Die Weiterentwicklung von VMware Workstation
7.12.6 ESX Server: Typ-1-Hypervisor von VMware
7.13 Forschung zu Virtualisierung und der Cloud
Übungen
Kapitel 8 - Multiprozessorsysteme
8.1 Multiprozessoren
8.1.1 Hardware von Multiprozessoren
8.1.2 Betriebssystemarten für Multiprozessoren
8.1.3 Synchronisation in Multiprozessorsystemen
8.1.4 Multiprozessor-Scheduling
8.2 Multicomputer
8.2.1 Hardware von Multicomputern
8.2.2 Low-Level-Kommunikationssoftware
8.2.3 Kommunikationssoftware auf Benutzerebene
8.2.4 Entfernter Prozeduraufruf (RPC)
8.2.5 Distributed Shared Memory
8.2.6 Multicomputer-Scheduling
8.2.7 Lastausgleich
8.3 Verteilte Systeme
8.3.1 Netzwerkhardware
8.3.2 Netzwerkdienste und -protokolle
8.3.3 Dokumentenbasierte Middleware
8.3.4 Dateisystembasierte Middleware
8.3.5 Objektbasierte Middleware
8.3.6 Koordinationsbasierte Middleware
8.4 Forschung zu Multiprozessorsystemen
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 9 - IT-Sicherheit
9.1 Die Sicherheitsumgebung
9.1.1 Bedrohungen
9.1.2 Angreifer
9.2 Betriebssystemsicherheit
9.2.1 Können wir sichere Systeme bauen?
9.2.2 Trusted Computing Base
9.3 Zugriff auf Ressourcen steuern
9.3.1 Schutzdomänen
9.3.2 Zugriffskontrolllisten
9.3.3 Capabilities
9.4 Formale Modelle von sicheren Systemen
9.4.1 Multilevel-Sicherheit
9.4.2 Verdeckte Kanäle
9.5 Grundlagen der Kryptografie
9.5.1 Symmetrische Kryptografie
9.5.2 Public-Key-Kryptografie
9.5.3 Einwegfunktionen
9.5.4 Digitale Signaturen
9.5.5 Trusted Platform Module (TPM)
9.6 Authentifizierung
9.6.1 Authentifizierung durch Besitz
9.6.2 Biometrische Authentifizierung
9.7 Ausnutzen von Sicherheitslücken
9.7.1 Pufferüberlaufangriffe
9.7.2 Formatstring-Angriffe
9.7.3 Hängende Zeiger
9.7.4 NULL-Zeiger-Derefenzierungsangriff
9.7.5 Angriffe durch Ganzzahlüberlauf
9.7.6 Angriffe durch Kommando-Injektion
9.7.7 Time-of-Check-to-Time-of-Use-Angriff
9.8 Insider-Angriffe
9.8.1 Logische Bomben
9.8.2 Hintertüren
9.8.3 Login-Spoofing
9.9 Malware
9.9.1 Trojanische Pferde
9.9.2 Viren
9.9.3 Würmer
9.9.4 Spyware
9.9.5 Rootkits
9.10 Abwehrmechanismen
9.10.1 Firewalls
9.10.2 Antiviren- und Anti-Antivirentechniken
9.10.3 Codesignierung
9.10.4 Jailing
9.10.5 Modellbasierte Angriffserkennung
9.10.6 Kapselung von mobilem Code
9.10.7 Java-Sicherheit
9.11 Forschung zum Thema IT-Sicherheit
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 10 - Fallstudie 1: Linux
10.1 Die Geschichte von UNIX und Linux
10.1.1 UNICS
10.1.2 PDP-11-UNIX
10.1.3 Portable UNIX-Varianten
10.1.4 Berkeley-UNIX
10.1.5 Standard-UNIX
10.1.6 MINIX
10.1.7 Linux
10.2 Überblick über Linux
10.2.1 Ziele von Linux
10.2.2 Schnittstellen zu Linux
10.2.3 Die Shell
10.2.4 Hilfsprogramme unter Linux
10.2.5 Kernstruktur
10.3 Prozesse in Linux
10.3.1 Grundlegende Konzepte
10.3.2 Systemaufrufe zur Prozessverwaltung in Linux
10.3.3 Implementierung von Prozessen und Threads in Linux
10.3.4 Scheduling in Linux
10.3.5 Starten von Linux
10.4 Speicherverwaltung in Linux
10.4.1 Grundlegende Konzepte
10.4.2 Systemaufrufe zur Speicherverwaltung in Linux
10.4.3 Implementierung der Speicherverwaltung in Linux
10.4.4 Paging in Linux
10.5 Ein-/Ausgabe in Linux
10.5.1 Grundlegende Konzepte
10.5.2 Netzwerkimplementierung
10.5.3 Systemaufrufe zur Ein-/Ausgabe in Linux
10.5.4 Implementierung der Ein-/Ausgabe in Linux
10.5.5 Linux-Kernmodule
10.6 Das Linux-Dateisystem
10.6.1 Grundlegende Konzepte
10.6.2 Systemaufrufe zur Dateiverwaltung in Linux
10.6.3 Implementierung des Linux-Dateisystems
10.6.4 NFS – das Netzwerkdateisystem
10.7 Sicherheit in Linux
10.7.1 Grundlegende Konzepte
10.7.2 Systemaufrufe zu Sicherheitsfunktionen in Linux
10.7.3 Implementierung von Sicherheitsfunktionen in Linux
10.8 Android
10.8.1 Android und Google
10.8.2 Geschichte von Android
10.8.3 Entwurfsziele
10.8.4 Architektur von Android
10.8.5 Linux-Erweiterungen
10.8.6 Dalvik
10.8.7 Interprozesskommunikation mit Binder
10.8.8 Android-Anwendungen
10.8.9 Intents
10.8.10 Sandboxen in Anwendungen
10.8.11 Sicherheit
10.8.12 Prozessmodell
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 11 - Fallstudie 2: Windows 8
11.1 Die Geschichte von Windows bis Windows 8.1
11.1.1 Die 1980er: MS-DOS
11.1.2 Die 1990er: MS-DOS-basiertes Windows
11.1.3 Die 2000er: NT-basiertes Windows
11.1.4 Windows Vista
11.1.5 Die 2010er: Modern Windows
11.2 Programmierung von Windows
11.2.1 Die native NT-Programmierschnittstelle
11.2.2 Die Win32-Programmierschnittstelle
11.2.3 Die Windows-Registrierungsdatenbank
11.3 Systemstruktur
11.3.1 Betriebssystemstruktur
11.3.2 Starten von Windows
11.3.3 Implementierung des Objekt-Managers
11.3.4 Subsysteme, DLLs und Dienste im Benutzermodus
11.4 Prozesse und Threads in Windows
11.4.1 Grundlegende Konzepte
11.4.2 API-Aufrufe zur Job-, Prozess-, Thread- und Fiberverwaltung
11.4.3 Implementierung von Prozessen und Threads
11.5 Speicherverwaltung
11.5.1 Grundlegende Konzepte
11.5.2 Systemaufrufe zur Speicherverwaltung
11.5.3 Implementierung der Speicherverwaltung
11.6 Caching in Windows
11.7 Ein-/Ausgabe in Windows
11.7.1 Grundlegende Konzepte
11.7.2 API-Aufrufe für die Ein-/Ausgabe
11.7.3 Implementierung der Ein-/Ausgabe
11.8 Das Windows-NT-Dateisystem
11.8.1 Grundlegende Konzepte
11.8.2 Implementierung des NT-Dateisystems
11.9 Energieverwaltung in Windows
11.10 IT-Sicherheit in Windows 8
11.10.1 Grundlegende Konzepte
11.10.2 API-Aufrufe zu Sicherheitsfunktionen
11.10.3 Implementierung von Sicherheitsfunktionen
11.10.4 Mitigation in der IT-Sicherheit
Zusammenfassung
Übungen
Kapitel 12 - Entwurf von Betriebssystemen
12.1 Das Problem des Entwurfs
12.1.1 Ziele
12.1.2 Warum ist es schwierig, ein Betriebssystem zu entwerfen?
12.2 Schnittstellenentwurf
12.2.1 Leitlinien
12.2.2 Paradigmen
12.2.3 Die Systemaufrufschnittstelle
12.3 Implementierung
12.3.1 Systemstruktur
12.3.2 Mechanismus versus Strategie
12.3.3 Orthogonalität
12.3.4 Namensräume
12.3.5 Zeitpunkt des Bindens
12.3.6 Statische versus dynamische Strukturen
12.3.7 Top-down- versus Bottom-up-Implementierung
12.3.8 Synchrone versus asynchrone Kommunikation
12.3.9 Nützliche Techniken
12.4 Performanz
12.4.1 Warum sind Betriebssysteme langsam?
12.4.2 Was sollte verbessert werden?
12.4.3 Der Zielkonflikt zwischen Laufzeit und Speicherplatz
12.4.4 Caching
12.4.5 Hints
12.4.6 Ausnutzen der Lokalität
12.4.7 Optimieren des Normalfalls
12.5 Projektverwaltung
12.5.1 Der Mythos vom Mann-Monat
12.5.2 Teamstruktur
12.5.3 Die Bedeutung der Erfahrung
12.5.4 No Silver Bullet
12.6 Trends beim Entwurf von Betriebssystemen
12.6.1 Virtualisierung und die Cloud
12.6.2 Vielkern-Prozessoren
12.6.3 Betriebssysteme mit großem Adressraum
12.6.4 Nahtloser Datenzugriff
12.6.5 Batteriebetriebene Computer
12.6.6 Eingebettete Systeme
Zusammenfassung
Übungen
Bibliografie
13.1 Empfehlungen für weiterführende Literatur
13.1.1 Einführung
13.1.2 Prozesse und Threads
13.1.3 Speicherverwaltung
13.1.4 Dateisysteme
13.1.5 Ein- und Ausgabe
13.1.6 Deadlocks
13.1.7 Virtualisierung und die Cloud
13.1.8 Multiprozessorsysteme
13.1.9 IT-Sicherheit
13.1.10 Fallstudie 1: UNIX, Linux und Android
13.1.11 Fallstudie 2: Windows 8
13.1.12 Betriebssystementwurf
13.2 Alphabetische Literaturliste
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