SISTEMI OPERATIVI - canale 2

Obiettivo formativo del corso è acquisire 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.

Gli allievi a fine corso 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.

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 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.

Requisiti necessari ad affrontare con successo gli argomenti del corso:

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

-Capacità di programmazione e conoscenza del Linguaggio ANSI C

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

La frequenza è fortemente consigliata sia per le prove in itinere sia per sostenere la prova d’esame

UNITÀ DIDATTICA 1: EVOLUZIONE, STRUTTURA E CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI OPERATIVI. IL SISTEMA GNU/LINUX. VIRTUALIZZAZIONE.

• Generalità sui sistemi operativi. Gestione delle risorse. Interfaccia utente. Concetto di Kernel.
• Il sistema GNU/Linux.
• Software libero e relative licenze d'uso. GPL.
• Struttura dei sistemi operativi: monolitici, microkernel, ibridi, client/server.
• La storia di Unix. La genealogia dei sistemi operativi. Lo standard POSIX. Peculiarità di Unix e differenze tra Unix e Linux.
• Concetto di System call e passi necessari a realizzarle. Panoramica delle system call di Unix/Linux, Windows.
• Classificazione 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.

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 per creazione e gestione di processi: fork(), wait(), waitpid(). Famiglia delle exec().
• Cenni di system call per la gestione di processi in ambiente Windows.
• Segnali e loro gestione. System call 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).
• Attivazione dello Scheduler, upcall. Dati specifici dei thread. Gruppi di thread.
• 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.
• Linux: Esercitazione sui comandi di shell. Programmazione della shell.
• Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

UNITÀ DIDATTICA 3: GESTIONE DELLA CONCORRENZA, INTER PROCESS COMMUNICATION, DEADLOCK.

• Sezione critica. Mutua esclusione con attesa attiva. Semafori.
• Problema del produttore e del consumatore e sua soluzione tramite semafori.
• Mutex. Implementazione con thread in user space. Funzioni pthread_mutex.
• IPC in Linux. Semafori: semget(), semop(), semctl(). Code di messaggi: msgget(), msgsnd(), msgrcv(), msgctl(). Shared memory: shmget(), shmat(), shmdt(), shmctl(). Esempi di programmi.
• Comunicazione nei sistemi client-server: socket.
• Deadlock. Definizione del problema e strategie di gestione. Algoritmo del banchiere con risorsa singola.

UNITÀ DIDATTICA 4: SCHEDULAZIONE DELLA CPU

• 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.
• Cenni sullo scheduling di Linux: Completely Fair Scheduler.

UNITÀ DIDATTICA 5: GESTIONE DELLA MEMORIA CENTRALE, MEMORIA DI MASSA E I/O

• Cenni di gestione della memoria centrale.
• File System e System call sui file. Esercitazioni su System call sui file.
• Cenni su I/O Software.

Per la parte teorica: [1] Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, “Sistemi Operativi, Concetti e esempi”, Nona Edizione, Pearson, ISBN 9788865183717.

In alternativa: [2] Andrew S. Tanenbaum, “I moderni sistemi operativi 4/Ed.", 2016, ISBN 9788891901019.

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

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

L’esame si compone di una prova scritta, seguita da una prova orale. La prova scritta, della durata di 3 ore, è rappresentata da un elaborato al calcolatore, del valore di 20 punti, e da una sezione teorica, composta da due quesiti a risposta aperta, del valore di 5 punti ciascuno.

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 scritta si intende superata se il voto è maggiore o uguale a 18/30.

La prova orale è facoltativa e può essere svolta in un qualunque appello dell’anno accademico in cui la prova scritta è stata superata. La prova orale verte sugli argomenti teorici svolti a lezione.

Durante le lezioni sono previste due prove in itinere che, se entrambe superate, si sostituiscono alla prova scritta. La durata delle prove è di tre ore ciascuna, e consistono di una parte teorica (domande a risposta aperta) e una di programmazione. I valori in termini di punteggio associati alle varie domande e il numero di domande sono variabili tra prima e seconda prova e vengono esplicitamente indicati nel compito (es. prima prova: 6 domande da 5 punti; seconda prova: 2 domande teoriche da 5 punti e una di programmazione da 20 punti). Le prove in itinere si intendono superate se il voto ottenuto in ciascuna prova è maggiore o uguale a 18/30. In tal caso, il voto finale uguale alla media della valutazione delle due prove. E’ prevista una Prova Orale facoltativa per chi supera le prove in itinere. Le prove in itinere sono facoltative e si svolgono circa a metà corso e una a fine corso.

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.