Technische Praxis der Computersysteme Teil 1 - Universität Wien

2.2 Multitasking 2 TECHNISCHE EINLEITUNG
und/oder gelinkt werden. Dazu benötigt man sowohl den Quelltext des Betriebssystems, als
auch ein Entwicklungssystem (Compiler, Linker), das im kommerziellen PC-Bereich üblicherweise
nicht im Lieferumfang eines Betriebssystems enthalten sind.
Zu Beginn war auch Linux monolithisch aufgebaut, was Linus Torvalds als den wahrscheinlich
größten Fehler in der Entwicklung des Betriebssystems bezeichnete. Mittlerweile
sind nur die wichtigsten Gerätetreiber fest an den Betriebssystemkern gebunden, andere
werden modular eingebunden, sodaß sich die Problematik wesentlich entschärft hat.
Bei der Trennung zwischen privilegiertem und normalem Modus geht man davon aus,
daß der privilegierte Teil (mit erhöhten Befugnissen) fehlerfrei ist und daß Übergriffe nur
durch die Anwendungsprogramme zu erwarten sind; praktischerweise wird nur ein möglichst
kleiner Teil des Betriebssystems mit vollen Privilegien ausgestattet. Intel CPU’s ab dem
80386 unterstützen bis zu vier unterschiedliche Privilegienstufen, was es möglicht macht
weitere, verfeinerte Schichtungen im Betriebsystem einzuführen. Linux verwendet aber nur
die Unterteilung in User- und Kernel-Modus.
Das dominierende Paradigma der Software-Erstellung—die objektorientierte
Programmierung—findet auch im Betriebssystemdesign große Anwendung. Man verwendet
Client-Server-Konzepte, bei dem Nutzer- und Anbieterobjekte (Clients und Server)
miteinander durch Nachrichten kommunizieren. Eine Hauptaufgabe des Betriebssystemkerns
der im privilegiertem Modus läuft, ist dabei die Verteilung der Nachrichten; die
Clients und Server dagegen werden im nichtprivilegiertem Modus betrieben. Ein prominentes
Beispiel für eine objektorientierte Client-Server-Architektur bei Betriebssystemen ist
der Mach-Kernel in einigen Unix-Varianten und dem MacOS und die grafische Oberfläche
X-Window unter Unix. Große Ausführungssicherheit wird dadurch gewonnen, daß ein
Server als Teil des Betriebssystems ausfallen kann, ohne daß zwangsweise das gesamte
System abstürzt (Server arbeiten nicht im privilegierten Modus). Im Fehlerfall (etwa
Zugriff auf unzulässige Speicherbereiche) wird der Server durch das Sicherheitssystem im
Betriebssystemkern abgebrochen. Prinzipiell kann der Server erneut gestartet werden.
Ein weiterer Aspekt ist die Überwachung sicherheitsrelevanter Operationen. Durch Protokollierung
ausgewählter Nachrichten, die durch den Betriebssystemkern verteilt werden,
kann eine fast beliebig genaue Überwachung stattfinden, ohne daß dazu das Design geändert
werden muß.
Weiters bietet eine Client-Server-Architektur die Möglichkeit, die Objekte an verschiedenen
Stellen in einem Netzwerk zu betreiben. So kann etwa ein Kommunikationsserver
auf einem Computer mit Verbindung zu externen Netzen seine Dienste allen erreichbaren
Teilnehmern anbieten, wobei sich an der Bedienung und der Organisation zwischen lokalen
und nichtlokalen Services nichts ändert (vgl. Kapitel 7).
2.2 Multitasking
Moderne Betriebssysteme erlauben es, mehrere Prozesse scheinbar gleichzeitig auszuführen.
Ein Prozeß ist dabei die Instanz eines Programms mit seiner eigenen Prozeßumgebung (Datenbereich,
Prozeßberechtigungen, Umgebungsvariablen, etc.). Es ist wichtig hier zwischen
Programm und Prozeß zu unterscheiden. Wird ein Programm mehrfach gestartet, erhält
jeder Prozeß seine eigene Prozeßumgebung. Die Prozeßumgebungen werden durch den Betriebssystemkern
verwaltet und sind sauber getrennt. Im Fall von Linux werden die Prozesse
vom Betriebssystem durch eine eindeutige Zahl, die PID (Process Identifier), identifiziert.
Der Eindruck, daß mehrere Prozesse gleichzeitig auf einem System mit nur einem Prozessor
ablaufen kommt dadurch zustande, daß mehrmals innerhalb einer Sekunde ein Wechsel
zwischen den Prozessen stattfindet. Ein solcher Wechsel wird Kontextwechsel genannt und
verläuft in mehreren Schritten.
1. Der aktuell laufende Prozeß wird vom Betriebssystem angehalten. Sein Kontext wird
für die spätere Fortsetzung an gleicher Stelle gesichert.
2. Der nächste Prozeß, der ausgeführt werden soll, wird ausgesucht.
3. Der Kontext dieses Prozesses wird wiederhergestellt, und der Prozeß setzt seine
Ausführung fort. Aus der Sicht dieses Prozesses hat sich gegenüber dem Zustand vor
22