RES-GUENTHER

Systemprogrammierung / Verteilte Systeme

Inhaltsverzeichnis

• Klausur
• Systemprogrammierung
  • Lernziele/Themenschwerpunkte
  • Literaturempfehlung
  • Parallele Programmierung
    • Prozesssteuerung
    • Systemaufruf fork()
    • Semaphore
    • Interprozesskommunikation
      • Pipes
      • Sockets

Klausur

• 60 min, keine Hilfsmittel
• Multiple Choice Fragen möglich
• nur behandelter Stoff
• kein Programmcode
• Fragen zu bestehendem Code

Systemprogrammierung

Lernziele/Themenschwerpunkte

• Probleme und Lösungen bei parallelem Ressourcenzugriff kennen
  • z.B. Deadlock, Seiteneffekte, Semaphore, atomare Operationen, kritischer Abschnitt
• Parallele Programme lesen und verstehen können
  • z.B. Prozessse
• Interprozess-Kommunikations-Mechanismen
  • z.B. Pipes, Sockets
• Konzepte der systemnahen Programmierung
  • z.B. Signale
• Praktische Realisierung dieser Konzepte am Beispiel von Unix/Linux umsetzen können
• Problematischen Code hinsichtlich parallelem Zugriff erkennen
• Die Fähigkeit erwerben, eigenständig Parallelitäts- und Kommunikationskonstrukte auszuwählen und zu implementieren

Prüfungsleistung: Klausur (ohne Hilfsmittel)

Literaturempfehlung

• Tanenbaum, A.S. "Moderne Betriebssysteme"
• Peter Mandl: "Grundkurs Betriebssysteme"
• Vogt, C.: "Betriebssysteme"
• Glatz, E.: "Betriebssysteme"

Parallele Programmierung

• gleichzeitige Abarbeitung von Aufgaben
• Motivation: Zeit sparen $\rightarrow$ eine große Aufgabe wird zur selben Zeit in mehreren kleinen erledigt
• Ausnutzung der Hardware: Multicore-Prozessoren, verteilte Rechnerkerne

Fünf-Philosophen-Problem

siehe Wikipedia

Es können immer nur maximal zwei Philosophen gleichzeitig speisen

• Code, der Deadlocks oder Race Conditions verursachen kann, wird "kritischer Code" / kritischer Pfad genannt
• kritische Abschnitte müssen vom Programmierer definiert werden

Prozesssteuerung

Mehrere Prozesse starten:

• im Hintergrund ausführen: .\anton & .\berta &
• Prozesse anzeigen: jobs -l, top, htop, ps

Systemaufruf fork()

Klausurrelevant

• Zweck: es wird eine exakte Kopie des Aufrufers als Kindprozess erzeugt
• Kindprozess übernimmt Code, Daten inkl. Befehlszähler, Dateideskriptoren, ...

Auswertung des Rückgabewerts

• 3 mögliche Rückgabewerte
  • >0: die PID des Kindprozesses
  • 0: es wurde eben geforkt und wir sind das Kind
  • -1: Fehler

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    fork();
    getpid(); // MY PID
    getppid(); //Parent PID
    childpid=fork(); //..
    printf("Hallo, ich bin ein Prozess!\n");
    fflush(stdout);
    return 0;
}

Semaphore

weiterführende Informationen

• Vorgehenssynchronisation zwischen mehreren Prozessen
• sperrt z.B. kritische Codebereiche
  • binär: darf / darf nicht benutzen
  • zählend: x Prozesse dürfen, darüber nicht
• System-V Semaphoren haben drei Funktionen:
  • semget(): Erzeugt eine neue Semaphore oder öffnet eine vorhandene
  • semctl(): manipuliert Semaphorenmengen
  • semop(): führt eine Reihe Operationen auf einem Set Semaphoren aus
• zwei Operationen:
  • P-Operation: "Passieren": regelt Betreten kritischen Codes
  • V-Operation: "Verlassen": regelt Verlassen kritischen Codes
• Programmierung: Semaphoren müssen deklariert, initialisiert und dann verwendet werden

Interprozesskommunikation

• Motivation: Verhinderung von
  • gleichzeitigen Schreibzugriffen
  • Verhungern von Prozessen
  • Deadlocks

Pipes

• Rohre zwischen Prozessen, in denen Nachrichten transportiert werden können
• nur in eine Richtung
• Pipes können nur zwischen Prozessen mit gemeinsamen Vorfahren eingerichtet werden
• Ablauf:
  • Vaterprozess erzeugt Pipe
  • Vaterprozess erzeugt Sohnprozess mit fork()
  • Sohnprozess erbt Pipe
• Programmierung:
  • Inkludierung von sys/unistd.h
  • int pipe(int fd[2])
    • fd[0] zum Lesen
    • fd[1] zum Schreiben
  • Lese-Operation: read()
    • wurden alle Leseseiten einer Pipe bereits gelesen, liefert read() EOF
  • Schreib-Operation: write()
  • Schließ-Operation: close()

Sockets

• IPC auf lokalem Rechner (Unix-Domäne) oder über das Internet (Internet-Domäne)
• Ein Port ist eine Spezifikation zur Addressierung eines Prozesses auf einem Host