Rols i funcions d’un sistema operatiu

Bloc 1 · Desenvolupament de Programari en Espai d’Usuari

Jordi Mateo Fornés

Introducció

Un món de sistemes informàtics

Reflexió — Què tenen en comú?

Cotxe, rellotge, portàtil, rentadora, nevera, televisió… tots són sistemes informàtics.

Exemple

Tot arreu es parla de IoT, BigData, Cloud, AI, Blockchain…

Concepte

El món esta interconnectat per xarxes i informació que es genera i es processa constantment.

Vivim envoltats de sistemes paral·lels i distribuïts.

Complexitat del hardware

Concepte

Cada peça de hardware és diferent, per tant la complexitat per gestionar els recursos és molt elevada.

Exemple

• Arquitectures diferents de processadors i generacions (x86, ARM, RISC-V, MIPS, PowerPC,…).
• Diferents tipus de memòries (RAM DDR3, DDR4, DDR5, NAND,…).
• Diferents tipus de discs (HDD, SSD, NVMe…).
• Diferents dispositius d’entrada/sortida i entorns de xarxa.

… entre moltes altres …

Què passa si un programa pot accedir a tota la RAM?

Exercici

Suposem que un programa pot llegir i escriure qualsevol posició de la memòria RAM.

Què podria passar?

Solució

• Podria llegir dades d’altres processos.
• Podria modificar o destruir les seves dades.
• Podria modificar dades del propi sistema operatiu.

Error Comú

Sense protecció de memòria, els processos no estarien aïllats.

Exercici

Qui hauria d’impedir que un procés accedís a la memòria d’un altre?

Solució

El sistema operatiu, amb l’ajuda del hardware, proporciona mecanismes de protecció i aïllament de la memòria.

Un programa mal escrit pot fer fallar tot el sistema (I)

Exercici — Què passa si executo aquest programa?

int main() {
    while (1);
}

Solució

És un bucle infinit: el procés no acaba per si mateix. En un sistema amb preempció, el scheduler pot interrompre temporalment el procés i donar CPU a altres processos. El procés, però, continua consumint recursos mentre segueixi executant-se.

Repte

Què passaria si no existís el scheduler o si no pogués interrompre el procés?

Un programa mal escrit pot fer fallar tot el sistema (II)

Exercici — Què passa si executo aquest programa?

int main() {
    while (1)
        fork();
}

Solució

Cada iteració crea nous processos. Aquests processos també continuen executant el bucle i poden crear nous processos, fent que el nombre de processos creixi molt ràpidament. Cosa que pot saturar el sistema i fer-lo inutilitzable. Aquest tipus de programa es coneix com a fork bomb.

Què és un sistema operatiu?

Definició

Un sistema operatiu (SO) és el software que gestiona els recursos del sistema, proporciona abstraccions del hardware i ofereix un entorn segur per executar programes.

Què és un procés?

Concepte

Un procés és la màquina virtual que el sistema operatiu ofereix a un programa en execució: una instància activa amb els seus propis recursos.

Exemple

Codi · Dades · Pila (stack) · Heap · Registres · Espai d’adreces · Estat gestionat pel SO (PID, prioritat, fitxers oberts…)

Reflexió — Important

Dos processos que executen el mateix programa són, tot i així, dos processos diferents: cadascun amb el seu propi espai d’adreces i estat.

Separació de responsabilitats

El sistema operatiu utilitza dos nivells de privilegi del processador, mode kernel i mode usuari, per protegir l’estat crític del sistema i per evitar que un procés alteri el funcionament d’altres processos o del propi sistema operatiu.

Definició — Mode kernel

• El kernel s’executa amb privilegis que li permeten gestionar recursos protegits i configurar els mecanismes de protecció del hardware.
• Un error greu en codi del kernel pot comprometre l’estabilitat de tot el sistema.

Definició — Mode usuari

• El codi en mode usuari està sotmès a les restriccions de protecció imposades pel hardware.
• Un error en un procés d’usuari queda normalment aïllat de la resta del sistema.

Com accedeix una aplicació al hardware?

Concepte

Els programes en mode usuari no poden accedir directament als recursos del hardware. Demanen els serveis al sistema operatiu mitjançant una crida de sistema.

printf("Hola\n");

printf() \(\Rightarrow\) libc \(\Rightarrow\) write() \(\Rightarrow\) system call \(\Rightarrow\) kernel \(\Rightarrow\) driver \(\Rightarrow\) dispositiu

Resum

El programa no accedeix directament al dispositiu de sortida, sinó que crida a la funció printf() de la biblioteca estàndard de C (libc). Aquesta funció, al seu torn, crida a la funció write() del sistema operatiu, que és una crida de sistema (system call). El sistema operatiu, en mode kernel, accedeix al dispositiu de sortida i escriu el missatge. per simplificar, ignorem aquí el buffering intern de la llibreria stdio.

Què vol el programador?

Una plataforma…

• per executar aplicacions.
• transparent, sense la complexitat del hardware.
• eficient, que aprofiti bé els recursos.
• portable, independent del hardware.

Què ofereix el sistema operatiu?

Serveis

• Gestió d’usuaris i aplicacions.
• Gestió de memòria.
• Sistema de fitxers.
• Planificació.
• Xarxa.

Garanties

• Seguretat.
• Transparència.
• Eficiència.
• Portabilitat.
• Estabilitat.

Anàlisi: què fa aquest programa? (I)

Exercici — Llegeix el codi

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  while (1) {
    printf("%s\n", argv[1]);
  }
  return 0;
}

./prog H

Solució

H H …

Repte

./prog H & ./prog O

Què creieu que s’imprimirà?

Anàlisi: què fa aquest programa? (II)

Concepte

Cada execució del mateix programa genera un procés diferent, amb el seu propi identificador (PID) i espai de memòria.

Anàlisi: què fa aquest programa? (III)

Concepte

El scheduler assigna el processador a un procés durant un temps determinat i el va intercanviant (canvi de context): cada procés creu tenir tots els recursos per a ell sol.

Anàlisi: què fa aquest programa? (IV)

Error Comú

Si un procés intenta accedir a una adreça que no té autoritzada, el hardware detecta la violació i el sistema operatiu pot finalitzar el procés. Habitualment, el procés rep un senyal de violació de segmentació (segmentation fault).

Anàlisi: què fa aquest programa? (V)

Exercici

Segons la prioritat dels processos A i B, un pot tenir més temps de CPU que l’altre.

./prog H & ./prog O

Quins ordres de sortida són possibles?

Solució

H H H …

H O H …

O O H …

Qualsevol intercalació és possible: depèn del planificador.

Anàlisi: què fa aquest programa? (VI)

Exercici

./prog & ; ./prog O

Fixeu-vos bé: el primer ./prog s’executa sense argument.

Què passarà?

Anàlisi: què fa aquest programa? (VII)

Solució

./prog sense argument: argv[1] és NULL. Passar NULL a printf("%s", ...) és comportament indefinit en C — la sortida depèn de la implementació de la llibreria.

Repte

Comprovem-ho a la nostra màquina de referència. Quina és la sortida real?

Anàlisi: què fa aquest programa? (VIII)

Exercici — Llegeix el codi

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int *p = malloc(sizeof(int));
  printf("p: %p\n", p);
  int i = 1;
  while (1) {
    *p = i;
    printf("(%d) p: %d\n", getpid(), *p);
    i++;
  }
  free(p);
  return 0;
}

./prog1

Solució

(611) p: 0x5570014a02a0
(611) p: 1
(611) p: 2
...

Repte

./prog1 & ./prog1

Dues còpies del mateix programa. Tindran la mateixa adreça p?

Anàlisi: què fa aquest programa? (IX)

./prog1 & ./prog1

Solució

(611) p: 0x5570014a02a0
(612) p: 0x5570014a02a0
(611) p: 1
(612) p: 1
(611) p: 2
(612) p: 2
...

Reflexió — Com pot ser?

Els dos processos mostren la mateixa adreça — però no interfereixen entre ells. Cada procés té el seu propi espai d’adreces virtuals. La MMU, mitjançant les estructures de traducció configurades pel sistema operatiu, tradueix les adreces virtuals a adreces físiques.

Un sistema operatiu fa tres coses

Concepte — Il·lusionista

Abstrau el maquinari: ofereix una interfície simple i amaga la complexitat tècnica.

Concepte — Àrbitre

Aïlla i protegeix: reparteix els recursos i evita que uns programes en perjudiquin d’altres.

Concepte — Pega

Comparteix: proporciona serveis comuns reutilitzables per a tot el sistema.

Reflexió — Per recordar

SO = Il·lusionista + Àrbitre + Pega

Com s’organitza el sistema operatiu?

Concepte — Màquina virtual

És la visió que té l’usuari del sistema operatiu durant una sessió de treball.

Concepte — Dualitat

El SO divideix el programari amb tots els privilegis (kernel) del programari amb accés limitat (programes, llibreries, intèrpret de comandes…).

Reflexió

Aquesta dualitat és exactament la frontera user space / kernel space que vam veure abans.

Què és una màquina virtual?

Concepte

La virtualització presenta una visió abstracta dels recursos del sistema: diversos processos creuen que disposen sempre d’un conjunt exclusiu de recursos.

Exemple

• Simplicitat → il·lusió de propietat de recursos.
• Aïllament → els errors es donen en un entorn virtual, no físic.
• Protecció → els processos no es poden fer mal entre ells.
• Portabilitat → es pot executar a totes les plataformes.

Què és la memòria virtual?

Concepte

Cada procés té la il·lusió de disposar d’accés exclusiu a tot l’espai d’adreces de memòria del processador.

Exemple

La MMU (unitat de gestió de memòria) tradueix les adreces virtuals que utilitza el programa en adreces físiques reals.

Reflexió

Ho hem vist ja amb ./prog1 & ./prog1: dues adreces virtuals idèntiques, dues ubicacions físiques diferents.

Il·lusionista: una interfície simple

Concepte

Ofereix una interfície simple i fàcil d’utilitzar per als recursos físics, ocultant la complexitat tècnica.

Exemple — Exemple

Per imprimir un document no cal conèixer la interfície de comunicació, els controladors ni els protocols de la impressora: n’hi ha prou amb una funció (imprimir).

Il·lusionista: recursos exclusius i “infinits”

Concepte

Permet que una aplicació tingui ús exclusiu d’un recurs quan cal, i alhora manté la il·lusió que els recursos són il·limitats.

Exemple

Un programa de videoconferència pot usar la càmera i el micròfon amb la garantia que cap altre programa hi accedirà alhora.

Exemple

Podeu tenir moltes aplicacions obertes a la vegada, encara que només una estigui en primer pla: cada procés creu ser propietari exclusiu dels recursos.

Àrbitre: repartiment de recursos

Concepte

Distribueix els recursos disponibles entre usuaris i aplicacions de manera eficient i justa.

Exemple

En un sistema amb múltiples usuaris, el temps de processador s’ha de repartir equitativament entre tots els qui executen aplicacions.

Àrbitre: protecció

Concepte

Garanteix la segregació i la protecció d’usuaris i aplicacions entre ells.

Exemple

Impedeix que una aplicació bloquegi o afecti el funcionament d’altres aplicacions.

Pega: serveis comuns

Concepte

Proporciona un conjunt de serveis compartits i reutilitzables per diverses parts del sistema.

Exemple

• Compartició: simplifica, perquè sempre s’assumeixen les mateixes primitives bàsiques.
• Reutilització: evita reimplementar funcionalitats comunes i permet que els components evolucionin de forma independent.

El sistema de fitxers

Reflexió — Un exemple concret de pega

El sistema de fitxers proporciona una interfície estàndard per crear, llegir, escriure i eliminar fitxers de forma transparent (read, write, open, close…).

Exemple

Sobre aquesta interfície es construeix la libc, amb funcions d’entrada/sortida d’alt nivell (fopen, fread, fwrite, fclose…).

Reptes en el disseny dels sistemes operatius

Concepte — Complexitat

• Programació distribuïda, concurrent i paral·lela.
• Diversitat de contextos (mòbil, IoT, servidors, centres de dades…).
• Heterogeneïtat de maquinari.
• Portabilitat i compatibilitat.

Concepte — Equilibris i garanties

• Funcionalitat vs. rendiment.
• Rendiment vs. consum energètic.
• Fiabilitat i disponibilitat.
• Seguretat.
• Escalabilitat i mantenibilitat.

Reflexió

Cap SO real optimitza tots aquests reptes alhora: cada disseny és un compromís diferent.

Conclusions

Concepte

• Els sistemes operatius són presents a tots els dispositius que fem servir.
• El disseny és complex: cal integrar maquinari molt divers.

Reflexió

Un SO és Il·lusionista + Àrbitre + Pega:

• Abstrau el maquinari i ofereix la il·lusió d’una màquina virtual pròpia i “infinita”.
• Aïlla i protegeix usuaris i aplicacions entre ells.
• Comparteix serveis comuns per facilitar la interacció programari–maquinari.

Auditoria d’un sistema operatiu

Anàlisis de situacions

Per a cadascuna determina: (a) quin dels tres papers ha fallat (Il·lusionista / Àrbitre / Pega), (b) una frase justificant per quin mecanisme dels vistos avui.

Exercici — Situació A

En un ordinador amb diversos usuaris connectats alhora, un usuari engega un programa i, a partir d’aquell moment, la resta d’usuaris no poden fer res: els seus programes queden congelats fins que l’usuari inicial acaba.

Exercici — Situació B

Un procés aconsegueix llegir, sense cap error ni avís, dades que pertanyen a la memòria d’un altre procés que s’executa al mateix ordinador.

Exercici — Situació C

Cada aplicació que es vol comunicar amb la impressora ha d’incloure el seu propi codi per parlar directament amb el controlador de la impressora, perquè el sistema no ofereix cap funció comuna per fer-ho.

Exercici — Situació D

Un procés intenta escriure en una zona de memòria que no li pertany. El sistema el finalitza immediatament amb un error.

A → Àrbitre (repartiment del temps de processador, no de la protecció de memòria). B → Àrbitre (aïllament d’espais d’adreces, mecanisme MMU). C → Pega (no hi ha servei comú reutilitzable). D → cap paper falla; és el sistema funcionant correctament.

Crea una situació

Repte

Creeu una situació on un sistema operatiu no compleixi el paper d’Ilusionista. Explica quin mecanisme ha fallat i per què.

Sistema operatiu sense separació de privilegis

Repte

Imagineu un sistema operatiu que no distingeix entre mode kernel i mode usuari: tot el codi s’executa amb els mateixos privilegis. Quin dels tres papers (Il·lusionista, Àrbitre o Pega) deixaria de poder-se garantir de manera fiable? Justifiqueu la resposta amb el mecanisme concret que fallaria.

Àrbitre és el que depèn més directament del mode kernel/usuari, perquè la protecció i l’aïllament (que un procés no pugui tocar la memòria d’un altre, ni el processador d’un altre) necessiten que el hardware impedeixi que codi d’usuari alteri les estructures de control (com les taules de traducció d’adreces) que garanteixen aquest aïllament. Sense aquesta distinció de privilegi, qualsevol procés podria desactivar la seva pròpia protecció.