Betriebssysteme - Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung

Die Betriebssystemthematik ist aus der Informatik-Grundausbildung nicht wegzudenken. Ohne Kenntnisse der hauptsächlichen Strukturen, Mechanismen und der Programmierschnittstelle eines Betriebssystems ist es nicht möglich, spezielle Systemdienste zu benutzen oder die Effizienz eines Systems zu optimieren.

Dieses didaktisch anspruchsvolle Lehrbuch bietet eine umfassende Einführung in die Grundlagen der Betriebssysteme und in die Systemprogrammierung aus einer praktischen Perspektive. Es werden also nicht nur die Prinzipien von Betriebssystemen, sondern auch deren Nutzung bei der systemnahen Programmierung aufgezeigt.

Methodisch wird ein Weg zwischen der Betrachtung anfallender Probleme und ihren Lösungen auf einer theoretischen und einer praktischen Basis beschritten. Dabei orientiert sich der Autor an den beiden am meisten verbreiteten Systemwelten, nämlich Unix/Linux und Windows. Die wichtigsten Prozessorgrundlagen werden erklärt, soweit sie für das Verständnis des Betriebssystems und der systemnahen Programmierung hilfreich sind. Die zahlreichen Beschreibungen von Systemfunktionen dienen dazu, die Programmbeispiele genau zu verstehen. Auch aktuelle Themen wie Multiprozessorsysteme, Handheld-Betriebssysteme, Virtualisierungstechnologien und Sicherheitsaspekte werden behandelt.

Auf der Buch-Website befinden sich u.a. Übungsaufgaben mit Lösungen sowie alle Abbildungen des Buches und Vorlesungsfolien für Dozenten.

Zielgruppe sind Studierende und Lehrende der Informatik und Ingenieurwissenschaften

Der Autor

Eduard Glatz, Prof. Dipl.-Ing., studierte an der ETH in Zürich Elektrotechnik und Betriebswissenschaften. Nach 16 Jahren Berufspraxis in der Industrie und in Ingenieurunternehmungen wurde er 1996 an die Fachhochschule in Rapperswil berufen. Seine Lehrgebiete sind Computersysteme und Systemsoftware. Daneben ist er in der Forschung und in der Informatikberatung tätig.  


Leseprobe:

8 Dateisysteme (S. 503-504)

Dateisysteme erlauben die persistente, d.h. dauerhafte Ablage großer Datenmengen auf Sekundärspeichern. Sie dienen der organisierten Ablage von Anwenderund Systemdaten sowie ausführbaren Programmen. Zuerst wollen wir das Dateisystem aus Sicht der Applikation betrachten. Hierbei steht die logische Organisation der abgelegten Daten und die für den Zugriff benötigte Dateisystemschnittstelle im Vordergrund. Danach werfen wir einen Blick auf die Implementierung. Dabei stellt die interne Organisation den Betrachtungsgegenstand dar. Dateisysteme bauen auf dem Konzept des Blockspeichers auf, das von Plattenlaufwerken realisiert wird. Jede Dateisystemimplementierung weist Besonderheiten, aber auch Gemeinsamkeiten mit anderen Implementierungen auf. Zur Illustration lernen wir die Fallbeispiele Unix-, FAT- und NTFS-Dateisystem kennen. Eine kurze Übersicht befasst sich mit spezielleren Implementierungen, wie sie in Form von Netzwerk- und protokollierenden Dateisystemen vorkommen. Eng im Zusammenhang mit Dateisystemen steht die Möglichkeit, Festplatten zu partitionieren. Die Eigenheiten der Lösung auf der PC-Plattform sind kurz beschrieben und um den Ablauf des Startvorgangs auf diesem Rechnertyp ergänzt.

8.1 Aufgaben des Dateisystems

Dateisysteme dienen der Verwaltung von Daten auf einem Sekundärspeicher. Unter einem Sekundärspeicher verstehen wir die Datenablage auf Massenspeichern, wie dies Plattenspeicher und Bänder sind. Im Gegensatz dazu bezeichnet man den Hauptspeicher als Primärspeicher, da Programme nur dort vom Prozessor ausgeführt werden können. Da der Primärspeicher keine dauerhafte Speicherung zulässt, übernimmt dies in einem Universalrechner der Sekundärspeicher. Die dort abgelegten Programme werden bei Bedarf vom Betriebssystem in den Hauptspeicher transferiert und damit erst ablaufbereit gemacht. Zusätzlich dienen Sekundärspeicher in wechselbarer Form (CD-ROM, DVD) heute als bevorzugtes Installationsmedium. Dateisysteme werden von den meisten Applikationen genutzt, um Daten temporär oder dauerhaft auf einem Rechner zu speichern.

Dies ermöglicht auch den zeitlich versetzten Datenaustausch zwischen verschiedenen Applikationen, wenn diese hintereinander ablaufen. Die Verwaltung großer Datenbestände in Dateisystemen stellt erhöhte Anforderungen an die organisierte Ablage auf dem Medium. Dazu gehören auch effiziente Such-, Lese- und Schreibvorgänge.

8.2 Dateisystemkonzepte

Die Dateiverwaltung stellt Möglichkeiten zur Verfügung, um Daten möglichst allgemein auf einem Datenträger abzulegen. Die Dateisystemschnittstelle bietet dazu Funktionen an, die von den implementationsabhängigen Details abstrahieren. So können aus Anwendungssicht alle Medien gleichartig behandelt werden.

8.2.1 Logische Organisation

Die aus Anwendungssicht verwaltete Einheit in einem Dateisystem ist die logische Datei (logical file). Sie stellt eine benannte Ablage für Anwenderdaten unterschiedlicher Art dar. Mit einer Auswahl von Dateisystemfunktionen können Dateien angelegt, verwaltet, beschrieben/gelesen und wieder gelöscht werden. Zusätzlich kann die Ablage auf einem Medium strukturiert werden, so dass auch bei sehr vielen Dateien die Übersicht gewahrt bleibt. Die übliche Lösung dieses Problems nutzt eine Verzeichnishierarchie, wenn auch alternative Ablageorganisationen denkbar wären. Eine logische Datei stellt eine geordnete Sammlung von Datensätzen (records) dar. Ein Datensatz ist die kleinste adressierbare Informationseinheit innerhalb einer Datei. Typischerweise entspricht ein Datensatz auf der Ebene der Dateisystemschnittstelle einem Bytewert beliebigen Inhalts, analog zur Organisation des Hauptspeichers. Dies hat sich quasi als Standard etabliert, obwohl vereinzelt auch abweichende Lösungen existieren.