Silberschatz and Galvin 1999 21.1 Operating System Concepts Gestione della memoria Nella fase iniziale dello sviluppo di UNIX, gli schemi di gestione della.

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1 Silberschatz and Galvin 1999 21.1 Operating System Concepts Gestione della memoria Nella fase iniziale dello sviluppo di UNIX, gli schemi di gestione della memoria erano vincolati dalle esigue risorse di memoria della famiglia di macchine PDP. Le versioni di UNIX precedenti la 3BSD usavano lo swapping soltanto per gestire la contesa della memoria fra processi: se la contesa della memoria faceva scadere le prestazioni, i processi venivano scaricati sulla memoria di massa fino a che si liberasse sufficiente memoria centrale. Lallocazione della memoria centrale e dello spazio di swapping veniva effettuata con il criterio first–fit. I segmenti di testo condivisibile non devono essere sottoposti a swap–out: in tal modo si ottiene un minor traffico fra le memorie e si riduce la quantità di memoria principale necessaria per processi multipli che utilizzano lo stesso segmento di testo. Lo swapper decide quali processi portare dentro e fuori la/dalla memoria centrale in base a tempo di attesa, tempo di utilizzo della memoria, dimensione, etc. Nella versione 4.3BSD lo spazio di swapping è allocato in frammenti che sono multipli di una potenza di 2 e variano da una dimensione minima, ad esempio 32 pagine, fino ad un massimo, dipendente dalla dimensione della partiziopne di disco dedicata allo swap.

2 Silberschatz and Galvin 1999 21.2 Operating System Concepts Paginazione I sistemi Berkeley UNIX dipendono dalla paginazione soprattutto per la gestione della conflittualità della memoria e solo secondariamente dallo swapping. Paginazione su richiesta – Quando un processo richiede una pagina che non è in memoria, si verifica un page–fault al kernel, viene allocato un frame in memoria centrale e la pagina richiesta, che si trova sul disco, viene copiata nel frame. Un processo pagedaemon impiega un algoritmo di rimpiazzamento delle pagine di tipo seconda–chance per mantenere sufficiente spazio libero per la gestione dei processi. Se lo scheduler decide che il sistema di paginazione è sovraccarico, interi processi vengono sottoposti a swap–out finché il sovraccarico non si esaurisce.

3 Silberschatz and Galvin 1999 21.3 Operating System Concepts File system, blocchi e frammenti – 1 Il file system UNIX supporta fondamentalmente due tipi di entità: i file e le directory. Le directory sono file con un formato speciale, pertanto la rappresentazione di file è il concetto fondamentale per limplementazione del file system di UNIX. Gran partre del file system è costituita da blocchi di dati contenenti qualsiasi cosa gli utenti abbiano inserito nei loro file. UNIX 4.2BSD utilizza due dimensioni dei blocchi per i file che non hanno blocchi indiretti: –Tutti i blocchi di un file sono grandi (ad es. 8K), eccetto lultimo. –Lultimo blocco è un multiplo opportuno della dimensione di un frammento più piccolo (i.e., 1024), necessario per riempire il file. –Pertanto un file di 18000 byte occuperà due blocchi da 8K ed un frammento da 2K (che non sarà riempito completamente).

4 Silberschatz and Galvin 1999 21.4 Operating System Concepts File system, blocchi e frammenti – 2 Le dimensioni di blocchi e frammenti sono impostate al momento della creazione del file system, in base allutilizzo a cui è destinato il file system stesso: –Se sono previsti molti file piccoli la dimensione dei frammenti deve essere piccola; –Se sono previsti trasferimenti frequenti di grossi file, la dimensione dei blocchi deve essere grande. Il massimo rapporto blocco/frammento è di 8 : 1; la dimensione minima del blocco è 4K (rapporti tipici sono 4096 : 512 e 8192 : 1024).

5 Silberschatz and Galvin 1999 21.5 Operating System Concepts Inode Un file è rappresentato da un inode un record che contiene le informazioni relative al file. Linode contiene anche 15 puntatori ai blocchi del disco con il contenuto di dati del file. –I primi 12 puntatori puntano ai blocchi diretti. –I successivi 3 ai blocchi indiretti: Il primo puntatore ad un blocco indiretto è lindirizzo di un blocco a singolo livello di indirezione contiene indirizzi di blocchi che contengono dati. Il secondo puntatore ad un blocco è lindirizzo di un blocco a doppio livello di indirezione contiene indirizzi di blocchi che contengono puntatori agli effettivi blocchi di dati. Il puntatore al blocco a triplo livello di indirezione è inutilizzato nel 4.2BSD.

6 Silberschatz and Galvin 1999 21.6 Operating System Concepts Directory Il flag di tipo dellinode distingue fra file semplici e directory. Gli elementi delle directory hanno lunghezza variabile: ciascun elemento contiene, nellordine, la lunghezza dellelemento, il nome del file, e il numero di inode. Lutente fa riferimento a un file per mezzo di un path–name, mentre il file system utilizza linode come propria definizione del file. Quindi, il kernel deve mappare il path–name fornito dallutente su un inode e, a questo scopo si utilizzano le directory: –Si stabilisce la directory di partenza; se il primo carattere è / la directory di partenza è la root, altrimenti è la directory corrente del processo in corso. –La ricerca continua fino a scandire tutto il path–name e reperire il file, del quale si restituisce linode. –Viene allocata una struttura di file che punta allinode. Nel 4.3BSD le prestazioni del file system sono state migliorate, tramite lutilizzo di una cache di nomi di directory atta a mantenere le traduzioni directory–inode più recenti.

7 Silberschatz and Galvin 1999 21.7 Operating System Concepts Associazione descrittore di file–inode Le system call che fanno riferimento a file aperti indicano il file passando come argomento un descrittore di file. Il descrittore di file viene utilizzato dal kernel come indice alla tabella dei file aperti per il processo in corso. Ogni elemento della tabella contiene un puntatore a una struttura di file. A sua volta questa struttura di file punta sullinode. La tabella dei file aperti ha una lunghezza fissa che può essere impostata soltanto nella fase di boot, quindi il numero di file aperti simultaneamente nel sistema ha un limite fissato.

8 Silberschatz and Galvin 1999 21.8 Operating System Concepts Blocchi di controllo del file system

9 Silberschatz and Galvin 1999 21.9 Operating System Concepts Strutture dei dischi La visione dellutente di un unico file system logico può essere fisicamente realizzata da più file system, situati su dispositivi fisici distinti. La partizione di un unico dispositivo fisico in più file system presenta numerosi vantaggi: –File system diversi possono supportare un diverso utilizzo. –Aumento dellaffidabilità. –Lefficienza può essere migliorata variando i parametri del file system. –Si evita che un programma utilizzi tutto lo spazio disponibile. –Si velocizza la ricerca ed il ripristino su/da nastri di backup. Il file system root è sempre disponibile su disco. Altri file system possono essere montati cioè integrati nella gerarchia di directory del root file system.

10 Silberschatz and Galvin 1999 21.10 Operating System Concepts Associazione di un file system logico ai dispositivi fisici

11 Silberschatz and Galvin 1999 21.11 Operating System Concepts Implementazioni Linterfaccia dellutente con il file system è semplice e ben definita e tale da permettere la modifica dello stesso file system senza influire in modo significativo sullutente. Per la Versione 7, la dimensione degli inode è raddoppiata, le dimensioni massime dei file e dei file system sono aumentate e sono cambiati i dettagli di gestione della lista dei blocchi liberi e delle informazioni del superblock. Nel 4.0BSD, la dimesione dei blocchi usati nel file system è aumentata da 512 a 1024 byte maggiore frammentazione interna, ma raddoppia il throughput. 4.2BSD ha aggiunto il Berkeley Fast File System, che aumenta le prestazioni e implementa nuove chiamate di sistema per la gestione delle directory. Il Fast File System si trova in quasi tutte le implementazioni UNIX.

12 Silberschatz and Galvin 1999 21.12 Operating System Concepts Politiche di configurazione e di allocazione Il kernel impiega una coppia per identificare un file. –Il numero di dispositivo logico definisce il file system da considerare. –Gli inode nel file system sono numerati in sequenza. 4.3BSD introduce il gruppo di cilindri permette la localizzazione dei blocchi di un file. –Ciascun gruppo di cilindri occupa uno o più cilindri consecutivi del disco, per cui gli accessi al disco allinterno del gruppo di cilindri richiede un movimento minimo della testina. –Ogni gruppo di cilindri ha un superblock, un blocco di cilindri, un array di inode e alcuni blocchi di dati.

13 Silberschatz and Galvin 1999 21.13 Operating System Concepts Gruppo di cilindri del 4.3BSD

14 Silberschatz and Galvin 1999 21.14 Operating System Concepts Il sistema di I/O Il sistema di I/O nasconde le caratteristiche dei dispositivi al cuore del kernel. Consiste di un sistema di buffer cache, di codice generale per driver di dispositivi e di driver per specifici dispositivi hardware. Solo i driver di dispositivo conoscono le caratteristiche degli specifici dispositivi hardware.

15 Silberschatz and Galvin 1999 21.15 Operating System Concepts Struttura di I/O del kernel del 4.3BSD

16 Silberschatz and Galvin 1999 21.16 Operating System Concepts Block Buffer Cache 1 E` formata da un certo numero di buffer header, ciascuno dei quali può puntare ad una parte di memoria fisica, nonché ad un numero di dispositivo e un numero di blocco sul dispositivo. I buffer header per i blocchi non attualmente in uso sono contenuti in alcune liste concatenate: –Buffer utilizzati recentemente, concatenati in ordine LRU (LRU list). –Buffer utilizzati non recentemente o senza contenuti validi (AGE list). –Buffer vuoti senza memoria fisica associata. Quando un blocco viene richiesto da un dispositivo (lettura), viene effettuata una ricerca nella cache. Se il blocco è ivi residente, non si verifica nessun I/O. Se, invece, il blocco non viene trovato, viene scelto un buffer dalla lista AGE o dalla lista LRU, se AGE è vuota.

17 Silberschatz and Galvin 1999 21.17 Operating System Concepts Block Buffer Cache 2 La dimensione della buffer cache può influire considerevolmente sulle prestazioni di un sistema, poiché se la buffer cache è sufficientemente grande la percentuale di cache hit può essere elevata, ed il numero di trasferimenti di I/O basso. Quando i dati vengono scritti su un file su disco, vengono sottoposti a buffering nella cache ed il driver del disco ordina la sua coda di output rispetto agli indirizzi del disco le due azioni combinate permettono al driver del disco di minimizzare il tempo di posizionamento della testina e di scrivere i dati in momenti ottimizzati rispetto alla rotazione del disco.

18 Silberschatz and Galvin 1999 21.18 Operating System Concepts Interfacce per laccesso diretto ai dispositivi Quasi tutti i dispositivi a blocchi hanno uninterfaccia a caratteri, o raw device interface a differenza dellinterfaccia a blocchi, la block buffer cache viene bypassata. Ogni driver di disco contiene una coda di trasferimenti pendenti. Ciascun record della coda specifica... –se si tratta di unoperazione di lettura o scrittura; –un indirizzo di memoria centrale per il trasferimento; –un indirizzo di dispositivo per il trasferimento; –una dimensione di trasferimento. Loperazione di mappatura delle informazioni da un blocco di buffer su quanto richiesto per questa coda è molto semplice.

19 Silberschatz and Galvin 1999 21.19 Operating System Concepts C–List I driver dei terminali impiegano un sistema di buffering dei caratteri, che implica il mantenimento di piccoli blocchi di caratteri (es. 28 byte) in liste concatenate. Una chiamata di sistema write su un terminale accoda i caratteri su una lista per il dispositivo. Viene avviato un trasferimento iniziale ed una serie di interrupt guida luscita dei caratteri dalla coda e gli ulteriori trasferimenti. Anche linput è controllato da interrupt. E` anche possibile fare in modo che il driver del dispositivo bypassi la coda e restituisca i caratteri direttamente dalla raw queue raw mode (utilizzato da editor a schermo ed altri programmi che necessitano una reazione immediata ad ogni pressione di tasto).

20 Silberschatz and Galvin 1999 21.20 Operating System Concepts Comunicazione tra processi La maggior parte dei sistemi UNIX non permette la condivisione della memoria in quanto lhardware nativo PDP-11 non la incoraggiava. La pipe è il meccanismo IPC più caratteristico di UNIX. –Garantisce un flusso unidirezionale affidabile di byte tra due processi. –Un vantaggio dato dalla piccola dimensione delle pipe (es. 4096 byte) consiste nel fatto che i dati delle pipe vengono raramente scritti effettivamente su disco; generalmente vengono conservati in memoria dalla normale block buffer cache. Nel 4.3BSD, le pipe sono implementate come un caso speciale del meccanismo delle socket, il quale non fornisce uninterfaccia generale solo a funzioni tipo pipe, che sono locali su una macchina, ma anche a funzioni di rete. Il meccanismo delle socket può essere utilizzato da processi non correlati.

21 Silberschatz and Galvin 1999 21.21 Operating System Concepts Socket Una socket è un endpoint di comunicazione. Ad una socket è connesso un indirizzo, la cui natura dipende dal dominio di comunicazione della socket. Una caratteristica fondamentale del dominio di comunicazione è che i processi allinterno del dominio comunicano fra loro utilizzando lo stesso formato di indirizzo. Una singola socket può comunicare solo in un dominio i tre domini che sono attualmente implementati nel sistema 4.3BSD sono: –il dominio UNIX (AF_UNIX); –il dominio Internet (AF_INET); –il dominio XEROX Network Service (AF_NS).

22 Silberschatz and Galvin 1999 21.22 Operating System Concepts Tipi di socket Stream socket – forniscono flussi di dati in sequenza, duplex e affidabili. Nel dominio Internet, questo tipo è supportato dal protocollo TCP. Nel dominio UNIX, le pipe sono implementate come una coppia di stream socket in comunicazione. Socket per pacchetti in sequenza – forniscono flussi di dati come quelli delle stream socket, con la differenza che esistono limiti di record. Utilizzate nel protocollo XEROX AF_NS. Datagram socket – trasferiscono messaggi di dimensione variabile in ogni direzione. Supportate nel dominio Internet dal protocollo UDP. Socket per invio affidabile di messaggi – trasferiscono messaggi garantendone larrivo. Attualmente non supportate. Raw socket – permettono ai processi laccesso diretto ai protocolli che supportano gli altri tipi di socket; e.g., nel dominio Internet, è possibile raggiungere TCP, IP sotto TCP, o anche un protocollo Ethernet sotto IP. Utili per lo sviluppo di nuovi protocolli.

23 Silberschatz and Galvin 1999 21.23 Operating System Concepts Chiamate di sistema per la funzione socket 1 La system call socket crea una socket; prende come argomenti di ingresso le specifiche del dominio di comunicazione, il tipo di socket ed il protocollo da utilizzare e restituisce un intero (piccolo), il socket descriptor. Un nome viene associato ad una socket attraverso la system call bind. La system call connect viene utilizzata per inizializzare una connessione. Un processo server utilizza socket per creare una socket e bind per associare lindirizzo del suo servizio a quella socket. –Utilizza listen per dire al kernel che è pronto ad accettare connessioni dai client. –Utilizza accept per accettare le singole connessioni. –Utilizza fork per produrre un nuovo processo per il servizio di un client, mentre il processo server originale continua ad essere in attesa di ulteriori connessioni.

24 Silberschatz and Galvin 1999 21.24 Operating System Concepts Chiamate di sistema per la funzione socket 2 Il modo più semplice per terminare una connessione e distruggere la socket associata prevede lutilizzo della system call close sul suo descrittore di socket. La system call select può essere utilizzata per esaminare la possibilità di trasferimento di dati su più descrittori di file e/o descrittori di socket.

25 Silberschatz and Galvin 1999 21.25 Operating System Concepts Supporto di rete Il supporto di rete è una delle caratteristiche più importanti introdotte nel sistema 4.3BSD. La funzione socket garantisce la comunicazione fra processi, eventualmente residenti su macchine diverse. Quasi tutti i sistemi UNIX attuali supportano UUCP. Il sistema 4.3BSD supporta i protocolli Internet DARPA UDP, TCP, IP, e ICMP su una vasta gamma di interfacce Ethernet, token–ring e ARPANET. Limplementazione di rete del 4.3BSD, e in un certo senso anche la funzione socket, sono principalmente orientate verso lARPANET Reference Model (ARM).

26 Silberschatz and Galvin 1999 21.26 Operating System Concepts Modelli di riferimento di reti e loro stratificazione