Betriebssystem-Grundlagen: Systemaufrufe, Prozesse und Dateiverwaltung

Grundlagen des Betriebssystems: Systemaufrufe

Ein Systemaufruf ist der Mechanismus, den eine Anwendung verwendet, um eine Dienstleistung oder Anfrage vom Betriebssystem anzufordern.

Wie ein Systemaufruf ausgeführt wird

Ein Aufruf wird getätigt, indem eine Reihe von Parametern an einem bestimmten Ort eingesetzt und anschließend eine Prozessoranweisung in Maschinensprache ausgeführt wird.

Wichtige POSIX-Systemaufrufe

Unter POSIX (Portable Operating System Interface) werden typische Systemaufrufe verwendet, wie:

• offen (open)
• lesen (read)
• schreiben (write)
• schließen (close)
• warten (wait)
• exec
• Gabel (fork)
• beenden (exit)
• töten (kill)

Der Prozess im Betriebssystem

Ein Prozess ist eine Abstraktion eines laufenden Programms, auch als Aufgabe bezeichnet.

Eigenschaften des Prozessmodells

1. Alle ausführbaren Programme sind in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessen oder Verfahren organisiert.
2. Ein Prozess umfasst das laufende Programm sowie die aktuellen Werte von Zählern, Registern und Variablen.
3. Jeder Prozess hat seine eigene (virtuelle) CPU.

Prozesshierarchien

Das Betriebssystem muss Mechanismen bereitstellen, um Prozesse während des Betriebs bei Bedarf zu erstellen und zu beenden (zerstören).

Prozesszustände und Interaktion

Jeder Prozess ist ein unabhängiges Gebilde, muss aber oft mit anderen Prozessen interagieren.

Prozesse können in ihrer Ausführung gesperrt (blockiert) werden, weil:

• Erwartete Daten noch nicht verfügbar sind.
• Das Betriebssystem die CPU einem anderen Prozess zuweist (Präemption).

Die Zustände, die ein Prozess annehmen kann, sind:

• Laufend (Running)
• Bereit (Ready)
• Blockiert (Blocked)

Signalverarbeitung und Interrupts

Wie interagieren Signalverarbeitung und Systemaufrufe?

Nach einem Systemaufruf, wenn dieser ein Signal des jeweiligen Typs (Interrupt) erzeugt, wird der Zustand des Prozesses auf seinem Stack gespeichert. Daraufhin wird der Signal-Handler aufgerufen. Wenn die Signalverarbeitung abgeschlossen ist, kehrt der Prozess einfach in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Der Interrupt-Mechanismus

Die Unterbrechung (*Interrupt*) ist ein Ereignis, das die Reihenfolge der Anweisungsausführung durch den Prozessor ändert.

Wenn ein Interrupt auftritt, führt das Betriebssystem folgende Schritte durch:

1. Übernahme der Kontrolle.
2. Speichern des Zustands des unterbrochenen Prozesses, typischerweise in seinem Prozess-Control-Block (PCB).
3. Analyse der Unterbrechung.
4. Übertragung der Steuerung an die entsprechende Routine zur Behandlung der Unterbrechung.

Dateiverwaltung im Betriebssystem

Eine Datei ist eine benannte Sammlung von Daten, die in einer physischen Umgebung gespeichert und in Verzeichnissen gruppiert wird.

Wichtige Funktionen des Betriebssystems

Eine der wichtigsten Funktionen eines Betriebssystems ist das Management der Speicherinformationen, die für ein "Dateisystem" notwendig sind.

Definition Dateisystem

Das Dateisystem umfasst Mechanismen und Strukturen, die das Betriebssystem verwendet, um Informationen auf den physischen Speichermedien zu organisieren.

Kernfunktionen des Dateimanagements

• Identifizieren und Auffinden einer ausgewählten Datei.
• Verwendung eines Verzeichnisses zur Speicherung des Standorts aller Dateien und ihrer Attribute.
• In geteilten Systemen: Anwendung von Zugriffskontrollen für Benutzer.
• Verwaltung von Dateiblöcken.
• Zuweisung von Dateien zu freien Blöcken.
• Verwaltung des freien Speicherplatzes.