Il Sistema Unix

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Il Sistema Unix

• Breve storia
• Principi di progetto
• Interfaccia per il programmatore
• Interfaccia utente
• Gestione dei processi
• Gestione della memoria
• File System
• Sistema di I/O
• Comunicazione fra processi

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Breve storia

• Sviluppato inizialmente, a partire dal 1969, da
  Ken Thompson e Dennis Ritchie del gruppo di
  ricerca dei Bell Laboratories. Incorporò
  caratteristiche di altri sistemi operativi (es.
  MULTICS).
• La terza versione, scritta in C, fu sviluppata ai
  Bell Labs appositamente per supportare UNIX.
• La più significativa delle versioni UNIX non-Bell
  fu sviluppata alla University of California at
  Berkeley (Berkeley Software Distributions).
• 4BSD UNIX è il risultato di un finanziamento
  DARPA per lo sviluppo di uno standard UNIX ad uso
  governativo.
• Sviluppato per il VAX, 4.3BSD è una delle
  versioni più importanti e ne è stato fatto il
  porting su varie piattaforme.
• Vari progetti di standardizzazione hanno tentato
  di consolidare le varianti di UNIX, per ottenere
  ununica interfaccia di programmazione verso il
  sistema.

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Storia delle versioni UNIX
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Vantaggi principali di UNIX

• Scritto in linguaggio ad alto livello.
• Distribuito sotto forma di sorgenti.
• Fornisce le primitive di un sistema operativo
  potente su di una piattaforma economica.
• Piccola dimensione, modulare, progetto pulito.

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Principi di progetto di UNIX

• Progettato per realizzare il timesharing.
• Possiede uninterfaccia utente (shell) semplice
  da usare e standard, che può essere facilmente
  sostituita e personalizzata.
• File system con directory a più livelli,
  strutturate ad albero.
• I file sono supportati dal kernel come sequenze
  di byte senza struttura.
• Supporta processi multipli un processo può
  creare facilmente altri processi.
• Sistema altamente interattivo, fornisce
  facilities per lo sviluppo di programmi.

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Interfaccia del programmatore
Come molti sistemi operativi, UNIX consiste di
due parti separate

• Kernel tutto ciò che si trova sotto
  linterfaccia delle system-call e sopra
  lhardware fisico.
• Fornisce il file system, lo scheduling della
  CPU, la gestione della memoria ed altre funzioni
  di SO, tramite le chiamate di sistema.
• Programmi di sistema impiegano le chiamate di
  sistema, supportate dal kernel, per fornire
  funzioni utili, come compilazione e manipolazione
  di file.

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Struttura a strati di 4.3BSD UNIX
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System Call

• Le chiamate di sistema definiscono linterfaccia
  del programmatore verso UNIX.
• Linsieme dei programmi di sistema comunemente
  disponibili definisce linterfaccia utente.
• Le interfaccie del programmatore ed utente
  definiscono il contesto che deve essere
  supportato dal kernel.
• Si hanno, approssimativamente, tre categorie di
  chiamate di sistema in UNIX
• Manipolazione di file (le stesse chiamate di
  sistema supportano anche la manipolazione dei
  dispositivi).
• Controllo dei processi.
• Manipolazione dellinformazione.

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Manipolazione di file

• Un file è una sequenza di byte il kernel non
  impone ai file nessuna struttura.
• I file sono raccolti in directory, organizzate ad
  albero.
• Le directory sono file che contengono
  informazioni su come reperire altri file.
• Path name (nome di percorso) identifica un file
  specificando un cammino che, attraverso la
  struttura a directory, raggiunge il file.
• Un path name assoluto inizia nella radice del
  file system.
• Un path name relativo inizia nella directory
  corrente.
• System call per la manipolazione di file
  create, open, read, write, close, unlink, trunc.

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Struttura delle directory in UNIX
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Controllo dei processi 1

• Un processo è un programma in esecuzione,
  identificato univocamente dallidentificatore di
  processo (un intero).
• System call per il controllo dei processi
• fork crea un nuovo processo
• execve viene impiegata dopo una fork per
  rimpiazzare la memoria virtuale di uno dei due
  processi (generalmente il figlio) con un nuovo
  programma
• exit termina un processo
• Un padre può attendere (wait) la terminazione
  di un processo figlio wait fornisce il process
  id (pid) del figlio terminato, così da renderne
  nota lidentità al padre
• wait3 consente al padre di produrre statistiche
  sulla performance dei figli
• Processo zombie processo terminato dopo il padre.

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System call di gestione dei processi
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Controllo dei processi 2

• I processi comunicano fra loro attraverso pipe,
  code di byte che sono accessibili tramite un
  descrittore di file.
• Tutti i processi utente sono figli di un unico
  processo, init.
• init crea un processo getty, che inizializza i
  parametri della linea del terminale e attende il
  login name dellutente per passarlo al processo
  login.
• Login confronta luser identifier per verificarne
  i diritti di accesso al sistema.
• esegue una shell che crea sottoprocessi per
  ciascun comando utente.

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Segnali

• Strumenti per gestire condizioni eccezionali.
  Simili alle interruzioni software.
• Il segnale di interrupt, SIGINT, viene impiegato
  per interrompere un comando prima che sia
  completato (in genere prodotto da un C).
• Limpiego di segnali è stato recentemente esteso
  e non è più relativo esclusivamente ad eventi
  eccezionali.
• Inizio ed interruzione di processi on demand.
• SIGWINCH informa un processo che la finestra
  nella quale verrà visualizzato loutput da esso
  prodotto ha cambiato dimensioni.
• Invio di dati urgenti attraverso connessione di
  rete.

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Gruppi di processi 1

• Un insieme di processi correlati che concorrono
  alla realizzazione di un task comune.
• In ogni istante, un unico gruppo di processi può
  utilizzare un certo terminale di I/O.
• Il processo (unico) in foreground si svolge sotto
  gli occhi dallutente al terminale.
• I processi in background realizzano il loro
  compito senza interagire direttamente con
  lutente.
• Laccesso al terminale è controllato da signal di
  gruppo di processi.

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Gruppi di processi 2

• Ciascun processo eredita il proprio terminale di
  controllo dal processo padre.
• Se il gruppo di processi associato ad un
  terminale di controllo coincide con il gruppo di
  un dato processo, quel processo si trova in
  foreground e gli è concesso di eseguire lI/O.
• SIGTTIN o SIGTTOU congela un processo
  background che tentasse di produrre output se il
  processo viene portato in foreground, SIGCONT
  indica che lI/O richiesto può ora essere
  eseguito.
• SIGSTOP congela un processo foreground.

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Manipolazione dellinformazione

• Chiamate di sistema per impostare e restituire
  il valore di un timer getitmer/setitmer o lora
  corrente gettimeofday/settimeofday.
• I processi possono richiedere
• il loro identificatore di processo getpid
• il loro identificatore di gruppo getgid
• il nome della macchina su cui sono in esecuzione
  gethostname

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Routine di libreria

• Linterfaccia delle chiamate di sistema in UNIX
  viene supportata ed ampliata da una notevole
  collezione di routine di libreria.
• I file header forniscono la definizione di
  strutture dati complesse impiegate nelle chiamate
  di sistema.
• Librerie addizionali sono fornite per funzioni
  matematiche, accesso alla rete, conversioni di
  dati, ecc.

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Interfaccia utente

• Programmatori ed utenti interagiscono
  prevalentemente con programmi di sistema già
  esistenti Le chiamate di sistema richieste sono
  incorporate nel programma e non devono essere
  conosciute dallutente.
• I programmi di sistema più comuni sono orientati
  alla gestione di file e directory.
• Directory mkdir, rmdir, cd, pwd
• File ls, cp, mv, rm
• Altri programmi sono relativi a editor (e.g.,
  emacs, vi) formattatori di testo (e.g., troff,
  TEX), e altro.

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Shell e comandi

• Shell o interprete dei comandi il processo
  utente che esegue i programmi.
• Viene chiamata shell perché ingloba il kernel.
• La shell indica che è pronta ad accettare un
  nuovo comando visualizzando un prompt e lutente
  introduce comandi su una singola linea.
• Il comando tipico è il nome di un file binario
  eseguibile.
• La shell naviga attraverso il percorso di ricerca
  per trovare il file relativo al comando, che
  viene in seguito caricato ed eseguito.
• Le directory /bin e /usr/bin sono quasi sempre
  nel percorso di ricerca.
• Un tipico cammino di ricerca in un sistema BSD
  è ( ./home/prof/avi/bin /usr/local/bin
  /usr/ucb/bin/usr/bin )
• La shell normalmente sospende la propria
  esecuzione fino al termine del comando.

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Standard I/O

• La maggior parte dei processi, quando iniziano la
  loro esecuzione, si aspettano di poter disporre
  di tre descrittori di file aperti
• standard input il processo può leggere cosa
  viene scritto dallutente
• standard output il processo può inviare
  loutput sullo schermo dellutente
• standard error uscita dellerrore
• Molti programmi possono anche utilizzare file
  (piuttosto che un terminale) per lo standard
  input e lo standard output.
• Redirezione dellI/O Le shell più comuni
  dispongono di una semplice sintassi per cambiare
  i file aperti per lI/O standard di un processo.

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Redirezione dellI/O standard

• Comando Significato del comando
• ls gt filea dirige loutput di ls sul file filea
• pr lt filea gt fileb input da filea e output su
  fileb
• lpr lt fileb input da fileb
• make program gt errs salva sia lo standard
  output che lo
• standard error su un file

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Pipeline, Filtri, e Shell Script

• I singoli comandi possono essere accodati per
  mezzo di una barra verticale (pipe). In questo
  modo, loutput del comando a sinistra della pipe
  costituisce linput per il comando alla sua
  destra. ls pr lpr
• Filtro un comando che passa il proprio standard
  input allo standard output, compiendo qualche
  elaborazione (es. pr).
• Programmare una nuova shell personalizzata, con
  sintassi e semantica diverse, cambia la visione
  dellutente, ma non modifica il kernel o
  linterfaccia del programmatore.
• X Window è uninterfaccia utente a icone molto
  diffusa sui sistemi UNIX.

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Gestione dei processi

• La rappresentazione dei processi è il principale
  problema di progetto di un sistema operativo.
• UNIX si distingue dagli altri sistemi operativi
  per la semplicità con cui processi multipli
  possono essere creati e manipolati.
• I processi vengono raprresentati in UNIX per
  mezzo di vari blocchi di controllo (control
  blocks).
• I blocchi di controllo associati ad un processo
  vengono memorizzati nel kernel.
• Linformazione contenuta nei blocchi di controllo
  viene utilizzata dal kernel per controllare i
  processi ed effettuare lo scheduling della CPU.

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Process Control Block 1

• Ai processi viene associata una struttura dati
  elementare chiamata struttura del processo
  (process structure).
• identificatore di processo (unico)
• informazioni per lo scheduling (e.g., priorità)
• puntatori ad altri control block
• Lo spazio degli indirizzi virtuale di un processo
  utente è suddiviso in una sezione testo (codice
  del programma), una sezione dati ed uno stack.
• Ogni processo che condivide la sezione testo ha
  un puntatore dalla propria struttura di processo
  ad una struttura di testo, che...
• è sempre residente nella memoria principale
• memorizza quanti processi condividono il segmento
  di testo
• memorizza dove è reperibile su disco (quando
  viene effettuato lo swap) la tabella delle pagine
  per la sezione testo.

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Process Control Block 2

• La tabella delle pagine memorizza informazioni
  per la mappatura fra la memoria virtuale del
  processo e la memoria fisica
• Le informazioni sul processo, necessarie solo
  quando esso risiede in memoria principale, sono
  mantenute nella struttura utente (o u structure)
  che
• è mappata a sola lettura nello spazio degli
  indirizzi virtuale dellutente
• è scrivibile dal kernel
• mantiene informazioni sulla directory corrente e
  la tabella dei file aperti.

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Segmento dati di sistema

• Il lavoro ordinario viene normalmente eseguito in
  modo utente (user mode) le system call sono
  effettuate in modo sistema (system mode).
• Le fasi sistema ed utente di un processo non
  vengono mai eseguite simultaneamente.
• Lo stack del kernel (anziché lo stack utente)
  viene impiegato per un processo eseguito in modo
  sistema.
• Lo stack del kernel e l u structure
  costituiscono insieme il segmento dati di sistema
  per il processo.

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Localizzazione delle parti di un processo
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Allocazione di una nuova struttura di processo 1

• fork alloca una nuova struttura di processo per
  il processo figlio e copia la struttura utente.
• Viene costruita una nuova tabella delle pagine.
• Viene allocata nuova memoria per il segmento dati
  e lo stack del processo figlio.
• Copiando la struttura utente si conservano i
  descrittori dei file aperti, gli identificatori
  di utente e di gruppo, la manipolazione dei
  segnali, etc.
• vfork non copia i dati e lo stack al nuovo
  processo il nuovo processo semplicemente
  condivide la tabella delle pagine del processo
  padre.
• Una nuova struttura utente ed una nuova struttura
  di processo vengono comunque create.
• Viene comunemente utilizzata dalla shell per
  eseguire un comando ed attendere il suo
  completamento.

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Allocazione di una nuova struttura di processo 2

• Il processo padre impiega vfork per produrre un
  processo figlio il figlio impiega execve per
  cambiare il proprio spazio degli indirizzi
  virtuale.
• Impiegare vfork per un processo padre oneroso
  equivale ad un notevole risparmio di CPU time, ma
  può essere pericoloso dato che ogni cambiamento
  in memoria avviene in entrambi i processi, fino a
  che non viene eseguita una execve.
• execve non crea un nuovo processo o struttura
  utente, piuttosto il testo ed i dati del processo
  (padre) vengono rimpiazzati.

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Scheduling della CPU

• Ciascun processo ha associata una propria piorità
  di scheduling numeri più alti indicano priorità
  più basse.
• La presenza di feedback negativo nello scheduling
  della CPU diminuisce il rischio che un processo
  ne prenda possesso in modo esclusivo.
• Tecniche di invecchiamento (aging) dei processi
  vengono impiegate per impedire lattesa
  indefinita (starvation).
• Quando un processo decide di rilasciare la CPU,
  si pone in stato di sleep per un evento.
• Quando tale evento accade, il processo di sistema
  che lo gestisce chiama wakeup con lindirizzo
  corrispondente allevento, e tutti i processi che
  si trovano in stato di sleep allo stesso
  indirizzo vengono spostati nella coda ready per
  essere eseguiti.