Sistema Operativo: Funzioni, Struttura Interna e Servizi Offerti

SISTEMA OPERATIVO

È una piattaforma di sviluppo che gestisce le risorse hardware e software del computer, fornendo servizi ai programmi applicativi e di sistema.

• Astrae le risorse hardware, presentando agli sviluppatori dei programmi applicativi una visione delle risorse hardware più facile da usare e più potente rispetto alle risorse hardware «native»
• Condivide le risorse hardware tra molti programmi contemporaneamente in esecuzione, suddividendole tra questi in maniera equa ed efficiente e controllando che i programmi le usino correttamente
• Mantiene ed organizza i nostri dati sotto forma di file e directory

Requisiti dei Sistemi Operativi

I requisiti dei sistemi operativi sono diversi in base allo scenario applicativo, per esempio i server necessitano di massimizzare la performance e rendere equa la condivisione delle risorse tra molti utenti, mentre invece i laptop, i PC o i tablet necessitano di massimizzare la facilità d'uso e la produttività della singola persona che lo usa.

Struttura del SO

Un SO è formato da:

1. Kernel: il programma che gestisce completamente l'hardware e offre ai programmi i servizi per poterlo usare in maniera condivisa ed astratta.
2. Middleware: servizi di alto livello che astraggono ulteriormente i servizi del kernel e semplificano la programmazione di applicazioni (API, framework per grafica e per suono ... )
3. Programmi di sistema: offrono ulteriori funzionalità di supporto e di interazione utente con il sistema (interfaccia utente per esempio)

Servizi del Sistema Operativo

1. Controllo processi: permettono di caricare in memoria un programma, eseguirlo, identificare e registrarne la condizione di terminazione
2. Gestione file: permettono di leggere, scrivere, e manipolare files e directory
3. Gestione dispositivi: permettono ai programmi di effettuare operazioni di input/output
4. Comunicazione tra processi: permettono ai programmi in esecuzione di scambiarsi informazioni
5. Protezione e sicurezza: permette ai proprietari delle informazioni in un sistema di controllarne l'uso da parte di altri utenti e di difendere il sistema dagli accessi illegali
6. Allocazione delle risorse: alloca le risorse hardware (CPU, memoria, dispositivi di I/O) ai programmi in esecuzione in maniera equa ed efficiente
7. Rilevamento errori
8. Logging: mantiene traccia di quali programmi usano quali risorse, allo scopo di contabilizzarle

Chiamate di sistema e API

Il kernel offre i propri servizi ai programmi sottoforma di chiamate di sistema, ossia di funzioni invocabili in un determinato linguaggio di programmazione (C, C++ ... ). I programmi però non utilizzano direttamente le chiamate di sistema, ma delle librerie di middleware dette Application Program Interface (API) implementate invocando le chiamate di sistema.

Le API sono esposte dal middleware, le chiamate di sistema dal kernel Le API usano le chiamate di sistema nella loro implementazione Le API sono standardizzate, le chiamate di sistema no (ogni kernel ha le sue) Le API sono stabili, le chiamate di sistema possono variare al variare della versione del sistema operativo Le API offrono funzionalità più ad alto livello e più semplici da usare, le chiamate di sistema offrono funzionalità più elementari e più complesse da usare.

Programmi di sistema

Gli utenti utilizzano i servizi del S.O attraverso i programmi di sistema. Questi permettono agli utenti di avere un ambiente più conveniente per l'esecuzione dei programmi, il loro sviluppo, e la gestione delle risorse del sistema. I programmi di sistema sono implementati utilizzando le API, esattamente come i programmi applicativi.

1. Interfaccia utente: permette agli utenti di interagire con il sistema stesso; può essere grafica (GUI) o a riga di comando (CLI);
2. Gestione file: creazione, modifica, e cancellazione file e directory
3. Modifica dei file: editor di testo, programmi per la manipolazione del contenuto dei file
4. Visualizzazione e modifica informazioni di stato: data, ora, memoria disponibile, processi ... fino a informazioni complesse su prestazioni, accessi al sistema e debug. Alcuni sistemi implementano un registry, ossia un database delle informazioni di configurazione
5. Caricamento ed esecuzione dei programmi: loader (legge un programma da disco e lo carica in memoria), linker, debugger
6. Ambianti di supporto alla programmazione: compilatori, assemblatori,
7. Comunicazione: permettono di navigare il web, inviare posta elettronica ..
8. Servizi in background: lanciati all'avvio del S.O, alcuni terminano, altri continuano l'esecuzione fino allo shutdown. Forniscono servizi quali verifica dello stato dei dischi ecc .. (es. demone temporale, "ogni sera a mezzanotte fare il backup", "ogni mese fare il backup di tutto il disco")

Interprete dei comandi

L'interprete dei comandi permette agli utenti di impartire in maniera testuale delle istruzioni al sistema operativo.

Modi per implementare un comando

1. Built-in: l'interprete esegue direttamente il comando (tipico nell'interprete di comandi di Windows)
2. Il comando è un programma di sistema: l'interprete manda in esecuzione il programma (tipico delle shell Unix e Unix-like)

I programmi di sistema sono implementati utilizzando le API, esattamente come i programmi applicativi

PROCESSI

Programma -> entità passiva, insieme di istruzioni, uno stesso programma può dare origine a diversi processi. I programmi rimangono sempre nella memoria del computer fino quando non vengono eliminati. Processo -> entità attiva astratta definita dal sistema operativo allo scopo di eseguire un programma, è di fatto un programma in esecuzione o un esecutore di programmi. Programma caricato in RAM soltanto per un tempo necessario.

Componenti di un Processo

È composto da diverse parti:

1. Stato dei registri del processore che esegue il programma, in particolare il PC
2. Stato dell'immagine del processo, ossia della regione di memoria centrale usata dai programmi. Processi distinti hanno immagini distinte.
3. Risorse del sistema operativo in uso al programma (files ... ) . Queste possono essere condivise tra processi
4. informazioni di contabilità (informazioni sullo stato del processo per il SO)

Immagine di un processo

Spazio di indirizzamento (address space) -> l'intervallo di indirizzi di memoria min ... max in cui è contenuta l'immagine di un processo L'immagine di un processo di norma contiene:

1. text section, contenente il codice macchina del programma
2. data section, contenente le variabili globali
3. heap, contenente la memoria allocata dinamicamente durante l'esecuzione
4. stack delle chiamate, contenente parametri, variabili locali e indirizzo di ritorno delle varie procedure che vengono invocate durante l'esecuzione del programma.

Text e data section hanno dimensioni costanti per tutta la vita del processo. Stack e heap invece crescono / decrescono durante la vita del processo.

max stack heap data text min

Operazioni sui processi

I sistemi operativi di solito forniscono delle API con le quali un processo può creare/ terminare/ mettersi in attesa di altri processi. Dal momento che solo un processo può creare un altro processo, all'avvio il kernel crea dei processi «primordiali» dai quali tutti i processi utente e di sistema vengono progressivamente creati. Di solito nei sistemi operativi i processi sono organizzati in maniera gerarchica

Creazione di processi

Un processo (padre) può creare altri processi (figli). Questi a loro volta possono essere padri di altri processi figli, creando un albero di processi. La relazione padre/figlio è di norma importante per le politiche di condivisione risorse e di coordinazione tra processi.

Possibili politiche di condivisione di risorse: padre e figlio condividono tutte le risorse o un opportuno sottoinsieme o nessuna. Possibili politiche di creazione spazio di indirizzi: il figlio è un duplicato del padre oppure no, e bisogna specificare quale programma deve eseguire il figlio Possibili politiche di coordinazione padre/figli: il padre è sospeso finché i figli non terminano, oppure eseguono in maniera concorrente

Terminazione dei processi

Un processo per terminare di solito invoca esplicitamente un'API che annuncia la propria terminazione al S.O. Un processo padre può attendere o meno la terminazione di un figlio oppure può forzare la terminazione di un figlio. In alcuni sistemi operativi il padre termina prima che il figlio termini, quindi il figlio viene forzatamente ucciso. Questo tipo di terminazione viene detto a cascata (tutto il sottoalbero del processo viene terminato).

API POSIX

1. fork() crea un nuovo processo figlio;
   • Il figlio è un duplicato del padre ed esegue concorrentemente ad esso (il padre non si blocca in attesa del figlio).
   • Ritorna al padre un PID del processo figlio con valore diverso da 0,
   • Ritorna al figlio il PID 0
2. exec() sostituisce il programma in esecuzione da un processo con un altro programma, che viene eseguito dall'inizio; viene tipicamente usata dopo una fork() dal figlio per iniziare ad eseguire un programma diverso da quello del padre
3. wait() viene chiamata dal padre per attendere la terminazione del figlio, ritorna il PID del figlio che è terminato e il codice di ritorno del figlio (passato come parametro alla exit()).
4. exit() fa terminare il processo che la invoca. Accetta come parametro un codice di ritorno (numero). Il sistema operativo elimina il processo e recupera le sue risorse, Quindi restituisce al processo padre il codice di ritorno (se ha invocato wait(), altrimenti lo memorizza per quando l'invocherà)
5. abort() fa terminare forzatamente un processo figlio

Se un processo termina ma suo padre non ha invocato wait() il processo è detto zombie: le sue risorse non possono essere completamente deallocate (il padre potrebbe prima o poi invocare wait()). Se un processo padre termina prima di un suo figlio, non vi è terminazione a cascata: in tal caso, i figli ancora attivi di un processo padre che ha terminato sono detti essere orfani.

Comunicazione interprocesso

Un'applicazione può essere composta da più processi. Più processi possono essere indipendenti o cooperare. Un processo coopera con uno o più altri processi se il suo comportamento «influenza» o «è influenzato da» il comportamento di questi. Per permettere ai processi di cooperare il sistema operativo deve mettere a disposizione primitive di comunicazione interprocesso (IPC).

Tipi di Comunicazione Interprocesso

Ne esistono di 2 tipi:

1. Memoria condivisa: Viene stabilita una zona di memoria condivisa tra i processi che intendono comunicare. La sincronizzazione è controllata dai processi che comunicano, non dal sistema operativo. Un processo non può leggere la memoria condivisa mentre l'altro la sta scrivendo. Allo scopo i sistemi operativi mettono a disposizione ulteriori primitive per la sincronizzazione.
2. Message passing: i processi comunicano tra di loro senza condividere memoria, shared memory process B attraverso la mediazione del sistema process B operativo. Questo mette a disposizione un'operazione send(message) con la quale un processo può inviare un messaggio ad un altro processo e un'operazione kernel kernel receive(message) con la quale un processo Memoria condivisa può (mettersi in attesa fino a) ricevere un messaggio da un altro processo. Per comunicare due processi devono stabilire un link di comunicazione tra di loro e scambiarsi messaggi usando send e receive. process A process A message queue mo m1 m2 m3 ... mn Message passing