SISTEMI OPERATIVI M - Z

Anno accademico 2021/2022 - 2° anno
Docenti: Salvatore CAVALIERI e Luca LEONARDI
Crediti: 6
SSD: ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 100 di studio individuale, 35 di lezione frontale, 15 di esercitazione
Semestre:
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Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione: Al completamento del corso, il discente avrà acquisito la conoscenza dei concetti di base inerenti il progetto di sistemi operativi e la stesura di programmi che sfruttano le System Call in ambiente Linux/UNIX. Alla fine del corso gli allievi: conosceranno la struttura dei Sistemi Operativi, le relative problematiche di progetto e le politiche utilizzate per la virtualizzazione e per la gestione delle risorse (CPU, memoria centrale, memoria di massa, periferiche); avranno acquisito conoscenze sui concetti di processo e di thread e sulla loro gestione; avranno acquisito conoscenze sulle tecniche di gestione della concorrenza su risorse mutuamente esclusive; avranno acquisito familiarità nell’interazione con la shell di Linux.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: a fine corso gli allievi saranno in grado di scrivere applicazioni contenenti system call per: creazione e gestione di processi, invio/gestione segnali, interazione e comunicazione tra processi; gestire la concorrenza sulle risorse condivise; creare applicazioni multithread.

Autonomia di giudizio. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di scegliere una adeguata soluzione software basata su API Linux per ciascuno degli argomenti trattati all'interno del corso.

Abilità comunicative. Al termine del corso, lo studente può comunicare le sue conclusioni e raccomandazioni sulla progettazione e utilizzo dei sistemi operativi con l'argomentazione della conoscenza e della logica alla base di questi, a un pubblico sia specialista che non specialista in modo chiaro e inequivocabile.

Capacità di apprendimento. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di continuare a studiare in un modo che può essere ampiamente autodiretto o autonomo.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Il corso si basa essenzialmente su lezioni frontali, che includono lo svolgimento di esercizi da parte del docente. Gli esercizi proposti vengono affrontati dal docente tramite l'uso di computer connesso a proiettore. Il corso prevede anche esercitazioni pratiche svolte dagli studenti. Tali esercitazioni vengono svolte anche nelle aule multimediali dell'Ateneo. Ad ogni studente viene assegnato un compito che deve essere svolto al calcolatore. Il docente supervisiona il lavoro degli studenti fornendo le spiegazioni e gli aiuti didattici necessari per il completare i compiti assegnati.
Le modalità di svolgimento dell'insegnamento appena descritte permettono il raggiungimento degli obiettivi formativi prefissati, che includono l’acquisizione di conoscenze e la capacità di applicare la conoscenza.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Requisiti necessari ad affrontare con successo gli argomenti del corso:

-Conoscenza generale di base dell’architettura del calcolatore, in particolare: CPU, interrupt, registri, memorie, tipologie di architetture multiprocessore, dispositivi di I/O.

-Capacità di programmazione e conoscenza del Linguaggio ANSI C, con particolare riferimento a: "uso dei parametri argc e argv nella funzione main()", "uso dei puntatori, dei vettori e dell'allocazione dinamica", "uso dei vettori e strutture", "uso di funzioni e relativo passaggio di parametri per valore e per riferimento"

-Conoscenza delle principali strutture dati: liste, pile, code, tabelle hash, alberi e grafi e delle loro implementazione in linguaggio ANSI C


Frequenza lezioni

La frequenza non è obbligatoria, ma fortemente consigliata


Contenuti del corso

Gli argomenti rappresentati in grassetto rappresentano le competenze minime.

UNITÀ DIDATTICA 1: INTRODUZIONE AI SISTEMI OPERATIVI. IL SISTEMA GNU/LINUX. SYSTEM CALL. VIRTUALIZZAZIONE.

  • Generalità sui sistemi operativi. Gestione delle risorse. Interfaccia utente. Concetto di Kernel.
  • Software libero e relative licenze d'uso. GPL.
  • Struttura dei sistemi operativi: monolitici, stratificati, microkernel, moduli kernel, ibridi, client/server.
  • Cenni su UNIX e sullo standard Posix.
  • Il Sistema Operativo Linux
  • Gestione dei moduli kernel del sistema operativo Linux.
  • Concetto di System Call e loro realizzazione. Panoramica delle system call di Unix/Linux.
  • File System in Linux e System call POSIX sui file. Esercitazioni su System call sui file.
  • Virtualizzazione. Macchine virtuali. Hypervisor di livello 1 e 2. Esempi: Virtual Box.

 

UNITÀ DIDATTICA 2: PROCESSI E THREAD

  • Concetto di Processo. Diagramma a stati di un processo.
  • Interruzioni hardware e software e loro gestione nei sistemi operativi.
  • System call POSIX per creazione e gestione di processi: fork(), wait(), waitpid(). Famiglia delle exec().
  • Segnali e loro gestione. System call POSIX kill(), signal(), alarm(), sigaction(). Esempi di programmi che impiegano tutte le system call menzionate.
  • Thread. Generalità, caratteristiche.
  • Implementazione dei thread: user space, kernel space, ibride (con riferimento alle scelte progettuali dei principali SO).
  • La libreria Pthread. Funzioni pthread_create(), pthread_join(), pthread_exit(), pthread_detach, pthread_attr_init(). Cancellazione di thread. Esempi di programmi che usano la libreria Pthread.
  • Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

 

UNITÀ DIDATTICA 3: SCHEDULAZIONE DELLA CPU

  • Schedulazione della CPU. Obiettivi. Algoritmi classici: FIFO, Round-robin. Schedulazione basata su priorità. Schedulazione basata sulla prelazione. Il problema della Starvation. Code multiple.
  • Cenni sullo scheduling di Linux: Completely Fair Scheduler.

 

UNITÀ DIDATTICA 4: GESTIONE DELLA CONCORRENZA E SINCRONIZZAZIONE.

  • Concorrenza e sincronizzazione. Sezione critica. Mutua esclusione con attesa attiva. Semafori e Mutex.
  • Semafori in Linux libreria System V: semget(), semop(), semctl().
  • Mutex in Linux libreria POSIX Pthread: pthread_mutex_init, pthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock, pthread_mutex_destroy
  • Problema classici di sincronizzazione: —Problema del produttore-consumatore che condividono un Blocco Dati, —Problema del produttore-consumatore con buffer di dimensione limitata, —Problema dei lettori-scrittori. Risoluzione di tali problemi tramite semafori e mutex.
  • Cenni su Deadlock
  • Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

 

UNITÀ DIDATTICA 5: INTER PROCESS COMMUNICATION (IPC)

  • Introduzione alla Inter Process Communication (IPC). Code dei Messaggi, Shared Memory e Socket.
  • IPC in Linux. Shared memory basata sulle librerie Linux System V: shmget(), shmat(), shmdt(), shmctl(). Comunicazione nei sistemi client-server basata su socket e sulle librerie POSIX: socket(), bind(), listen(), accept(), connect()
  • Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

Testi di riferimento

Per la parte teorica: [1] Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, “Sistemi Operativi, Concetti e esempi”, Pearson.

In alternativa: [2] Andrew S. Tanenbaum, “I moderni sistemi operativi", Pearson.

Ad integrazione della parte teorica e per tutta la parte pratica: [3] R. Stones, N. Matthew, “Beginning Linux Programming”, 4th edition, Wrox Press, 2007.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1* Generalità sui sistemi operativi. Gestione delle risorse. Interfaccia utente. Concetto di Kernel. [1] Capitolo 1,2 - [2] Capitolo 1 
2Il sistema GNU/Linux. Software libero e relative licenze d'uso. GPL.dispense docente 
3* Struttura dei sistemi operativi: monolitici, microkernel, ibridi, client/server. [1] Capitolo 1,2 - [2] Capitolo 1 
4Cenni su UNIX e sullo standard POSIXdispense docente 
5* Concetto di System call e passi necessari a realizzarle. Panoramica delle system call di Unix/Linux, Windows.[1] Capitolo 1,2 - [2] Capitolo 1 
6Classificazione dei sistemi operativi. Scelte progettuali relative alle diverse tipologie di SO. Sistemi operativi per architetture multiprocessore. Virtualizzazione. Macchine virtuali. Hypervisor di livello 1 e 2. Esempi: struttura di WMware e Virtual Box.[1] Capitolo 2,16 - [2] Capitolo 1, 8.1.2 (multiprocessore) 
7File System e System call sui file. [1] Capitoli 8, 11 e 13 - [2] Capitolo 4 (File System) 
8* Concetto di Processo. Diagramma a stati di un processo.[1] Capitolo 3 - [2] Capitolo 2.1, 2.2 
9Interruzioni hardware e software e loro gestione nei sistemi operativi. [1] Capitolo 3 - [2] Capitolo 2.1, 2.2 
10* System call per creazione e gestione di processi: fork(), wait(), waitpid(). Famiglia delle exec(). [1] Capitolo 3 e [3] Capitolo 11 
11Cenni di system call per la gestione di processi in ambiente Windows.[1] Capitolo 3 - [2] Capitolo 2.1, 2.2 
12* Segnali e loro gestione. System call kill(), signal(), alarm(), sigaction(). [3] Capitolo 11 
13Esempi di programmi che impiegano tutte le system call sui processi e sui segnali[3] Capitolo 11 
14* Thread. Generalità, caratteristiche. Implementazione dei thread: user space, kernel space, ibride (con riferimento alle scelte progettuali dei principali SO).[1] Capitolo 4 - [2] Capitolo 2.1, 2.2 
15* La libreria Pthread. Funzioni pthread_create(), pthread_join(), pthread_exit(), pthread_detach, pthread_attr_init(). Cenni di thread in ambiente Windows. Cancellazione di thread. Esempi di programmi che usano la libreria Pthread.[3] Capitolo 12 - [2] Capitolo 2.1, 2.2 
16Linux: Esercitazione sui comandi di shell. Programmazione della shell. Shell Bash[3] Capitolo 2 
17* Sezione critica. Mutua esclusione con attesa attiva. Semafori.[1] Capitolo 5 - [3] Capitolo 14 - [2] Capitolo 2.3, 2.5 
18Problema Classici di sincronizzazione: Produttore/Consumatore, Lettori/Scrittori e loro soluzione tramite semafori.[1] Capitolo 5 - [2] Capitolo 2.3, 2.5 
19* Mutex. Implementazione con thread in user space. Funzioni pthread_mutex.[3] Capitolo 12 
20IPC in Linux. Semafori: semget(), semop(), semctl(). Code di messaggi: msgget(), msgsnd(), msgrcv(), msgctl(). Shared memory: shmget(), shmat(), shmdt(), shmctl(). Esempi di programmi.[1] Capitolo 3 e [3] Capitolo 13 
21Comunicazione nei sistemi client-server: socket.[3] Capitolo 15 
22Deadlock. Definizione del problema e strategie di gestione. Algoritmo del banchiere con risorsa singola.[1] Capitolo 7 - [2] Capitolo 7 
23* Schedulazione della CPU. Obiettivi. Algoritmi classici: FIFO, Round-robin, Schedulazione basata su priorità. Il problema della Starvation. Code multiple. Cenni sullo scheduling nei sistemi real-time.[1] Capitolo 6 - [2] Capitolo 2.4 
24Cenni sullo scheduling di Linux: Completely Fair Scheduler.[1] Capitolo 6-Dispense Docente 
25Nota: * Conoscenze Minime Irrinunciabili per il superamento dell'esame 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Gli appelli sono fissati di concerto con il CdS in ottemperanza alle modalità stabilite dal calendario accademico.

La prenotazione è obbligatoria tramite il portale di Ateneo. La data di chiusura delle prenotazioni è fissata di norma alcuni giorni prima dell'esame, in modo da dare la possibilita' al docente di prenotare le aule informatiche di capacita' adeguata al numero degli iscritti.

L’esame si compone di una prova scritta, seguita da una prova orale. La prova scritta, della durata di 3 ore, è rappresentata da uno o più elaborati al calcolatore, del valore complessivo di 18/30 punti, e da una sezione teorica, composta da uno o più quesiti a risposta aperta, del valore complessivo di 12/30 punti. La prova scritta si intende superata se il voto è maggiore o uguale a 18/30.

Sul sito della materia disponibile su Studium (www.studium.it) è presente un fac simile della prova scritta che specifica sia le tipologie di problemi somministrati sia le relative votazioni.

La prova orale è facoltativa e può essere svolta solo nello stesso appello in cui la prova scritta è stata superata. La prova orale verte sugli argomenti teorici svolti a lezione.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Sul sito docente della materia su Studium (www.studium.it) sono presenti esempi di domande ed esercizi frequenti. Per ciascuna domanda viene fornita la relativa risposta corretta. Sempre nello stesso sito sono disponibili tutti i testi dei compiti di esami assegnati in appelli precedente. Per ciascun compito viene fornita la relativa soluzione.