1

Concepts de base des O.S.

Chapitre 1

1.1. Qu'est-ce un O.S. ?1.2. Histoire des O.S.1.3. La jungle des O.S.1.4. Composantes des O.S.1.5. Les appels-systèmes

2

1.1. Qu'est-ce qu'un O.S. ?

• C'est la couche logicielle indispensable entre le hardware et les programmes applicatifs

• C'est une machine étendue– Présentation à l'utilisateur d'une machine virtuelle– Masquage de la complexité technique

• C'est un gestionnaire de ressources– Allocation équitable du temps (CPU) et de l'espace (mémoire) entre les

différents processus– Allocation équitable des autres ressources périphériques

3

L’O.S. est plus qu’une interface

• Beaucoup d’utilisateurs ne voient que l’interface (shell)

• Intégration de plus en plus forte actuellement entre les services (cfr Windows/Internet)

Hardware

Operating System

Libraries Utilities

Interface

4

Objectifs de l’O.S.

• Utilisation efficace des ressources – Eviter les bouchons (bottlenecks) et les temps d’attente– Partage “optimal” du CPU, mémoire, I/O

• Facilité d’utilisation– Le client est roi

• Disponibilité, fiabilité, sécurité– les systèmes informatiques sont le cerveau de nombreuses

entreprises

A failed system can mean a failed company...

5

Vue abstraite d'un système informatique

Un système informatique est composé de:– hardware– programmes systèmes– programmes d'applications

6

1.2. Historique des OS

7

Première génération OS 1945 - 1955

• Systèmes batch (par lots) simples

• Mono-tâche et séquentiel (héritier: DOS)ComputeRead Print

ComputeRead Print

Gaspillage d ’utilisation CPU !

8

Seconde génération OS 1955 - 1965

• Systèmes batch avec spooling (Simultaneous Peripheral Operations On-Line) lecture et écriture

• Mieux, mais problème des longs jobs

ComputeRead Print

ComputeRead Print

ComputeRead Print

9

Troisième génération OS 1965–1980

• Introduction des concepts de temps partagé et d’interactivité avec les utilisateurs (premiers terminaux texte tty)

systèmes multi-tâches, multi-utilisateurs• Nécessité d’un ordonnanceur et de gestion de

processus (priorités, tranches de temps)• Les premiers O.S. modernes, propriétaires (IBM,

Dec,…) ou de domaine public (Unix) • Vers une gestion moins gaspilleuse des ressources

10

Base de la multiprogrammation

Plusieurs jobs sont résidents en mémoire. Nécessité d’un ordonnanceur pour sélectionner le job suivant devant s’exécuter

11

Quatrième génération 1980 – ...

• Les premiers PCs: retour en arrière au niveau des O.S. (mono-tâche, mono-user)!

• Les premiers réseaux: intégration des protocoles de communication dans les O.S.

• L’avènement réel de l’informatique moderne

Internet a 30 ans! Unix aussi! C également!

12

Quatrième génération 1980 – ...• “The system is the network.” (Sun

Microsystems)

• Multi-utilisateurs, Multi-tâches, Multi-processeurs, Multi-ordinateurs (systèmes distribués)

13

Résumé de l’histoire de l’informatique

14

1.3. La jungle des O.S.

• Mainframe operating systems

• Server operating systems

• Multiprocessor operating systems

• Personal computer operating systems

• Real-time operating systems (O.S. temps-réel)

• Embedded operating systems (O.S. embarqués)

• Smart card operating systems (O.S. pour cartes à puces)

15

Systèmes parallèles

• Plusieurs CPU coopérant en topologie rapprochée (cartes multiprocesseurs, clusters)

• À mémoire partagée, distribuée, ou distribuée et virtuellement partagée.

• Pourquoi ?

– Coût/Performance

– Fiabilité/Tolérance aux pannes/Qualité de Service

– Sécurité

16

Systèmes distribués

• L’application est répartie sur plusieurs ordinateurs (loosely coupled).

• Avantages

– Partage de ressources

– Adaptation application/architecture

• Nouveau concept : Cluster & Grid computing (voir http://www.top500.org)

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Systèmes temps-réel

• Contraintes de temps strictes

• Souvent utilisés pour des applications dédicacées de contrôle (industrie, domaine médical, scientifique,…)

• Hard real-time system

Nécessite un O.S. + hardware adapté

• Soft real-time system

Nécessite un paramètrage de l’O.S. (ordonnanceur spécialisé)

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Systèmes mobiles (embarqués ou spécialisés)

• de l'informatique dans toutes les machines: cartes à puce, machines à laver, notebook, agenda électroniques, GSM,...

• nécessité d'un O.S. standard, miniature et adapté pour les programmer : Windows CE, adaptation de Linux, PalmOS,...

19

1.4. Composantes des O.S.

• Gestion des processus

• Gestion de la mémoire

• Gestion des fichiers

• Gestion des I/O et périphériques

• Administration et sécurité

• Réseau

• Services utilisateurs (interface, audit, monitoring…)

20

Gestion des processus

• Un processus est un programme en cours d’exécution

– Il occupe des ressources (mémoire, fichiers ouverts, CPU,..)

– Il a un contexte d’exécution (état)

• Les fonctions indispensables sont:

– Création et terminaison

– Allocation des ressources

– Synchronisation et communication

– Administration

21

Gestion de la mémoire

• Partage équitable de la mémoire entre processus

• Gestion d’une mémoire virtuelle (swap)

• Protection des accès

• Récupération des blocs devenus libres (garbage collection)

22

Gestion de la mémoire secondaire

L'O.S. doit gérer efficacement:

– L'allocation/désallocation de l'espace disque

– Les accès (lents) aux disques

– Les transferts mémoire-vive/mémoire secondaire

23

Gestion des fichiers

• Administration des fichiers

– Création/effacement/copiage fichiers/répertoires

– Modification des propriétés d’un fichier

– Correspondance fichier/stockage physique

– Backup et archivage

create, delete, open, close

read, write, seek

get or set attributes

24

L'arbre des fichiers

.

25

L'arbre des fichiers

• Before mounting, – Les fichiers sur "Floppy" sont inacessibles

• After mounting floppy on b,– Les fichiers sur "floppy" font partie de l'arbre des fichiers

26

Gestion des I/O

• Assurer un niveau d’abstraction: cacher les particularités des systèmes

• Composantes principales

– Gestion de buffering, caching et spooling

– Drivers

27

Administration et sécurité

• Gestion des comptes utilisateurs

– quotas, compatibilité, droits d’accès

• Audit du système

• Démarrage (boot) et redémarrage en cas de panne

• Lutte contre le piratage

Les fonctions réseaux jouent un rôle majeur aujourd’hui (accès distants au CPU et aux périphériques)

28

Administration réseau

• Lié de plus en plus à l’O.S.

• 4 types de systèmes

– Stand alone (en voie d'extinction)

– Multiprocesseurs

– Clusters (LAN)

– Distribué (WAN)

• 2 modèles de communication

– Par passage de message

– Mémoire (virtuellement) partagée

29

Services utilisateurs

• Interface (conviviale)

– Shell

– GUI (Graphic User Interface)

– Scripting (langages de commande)

• Comptabilité, administration

• Sécurité, Audit

L’utilisateur veut un O.S. simple d'emploi, efficace, fiable (cfr évolution de l’automobile)

30

Structure d’O.S. type - UNIX

signalsterminal handling

character I/O systemterminal drivers

file systemswapping

block I/O systemdisk and tape drivers

CPU schedulingpage replacementdemand pagingvirtual memory

system call interface to kernel

kernel interface to the hardware interface

terminal controllersterminals

device controllersdisks and tapes

memory controllersphysical memory

shells and commandscompilers and interpreters

system libraries

USERS

NOYAU

HARDWARE

31

1.5. Les appels-systèmes

• Les appels-systèmes permettent aux applications d'utiliser les ressources systèmes (gestion des processus, fichiers, mémoire I/O).

• Ils font basculer l'application de l'exécution en mode utilisateur à l'exécution en mode "kernel" (noyau)

• Ils déclenchent pour cela une interruption du cours normal de l'exécution vers un traitement (handler) en mode noyau.

32

Gestion des Processus

Chapitre 2

2.1. Les processus2.2. L'ordonnancement des processus

33

2.1. Les processus

• Un processus est un programme en exécution

• Un processus est caractérisé par un contexte d ’exécution

– segments de texte, données et pile– compteur spécifiant l’instruction suivante à exécuter– registres

34

Les segments d'un processus: le texte, les données, la pile

.

35

Etats d'un processus

.

ordonnanceur

36

L'importance de l'ordonnanceur

• Une des bases d'un OS multiprogrammé est

– le traitement des interruptions

– l'ordonnancement

37

Opérations sur les processus

• Création de nouveaux processus

• Terminaison de processus

• Suspension

– Interne (wait)

– Externe (attente d’une ressource)

P1

P4

P5

P6

P2

P3 P7

Arbre de processus

38

Création de processus

• Un processus (père) peut créer des processus fils

– stockage en une structure d'arbre de processus,

– chaque processus connaît son père

• Partage de ressources (mémoire, fichiers) entre père et fils

– total ou partiel

• Exécution

– soit concurrente

– soit le père attend la terminaison du fils

39

La terminaison de processus

• Exécution de la dernière instruction ou appel système exit() .

– L'O.S. libère les ressources employées

– Le père en attente peut se réactiver

• Un parent peut arrêter son exécution (abort()) ou un processus peut "tuer" un autre s'il en a le droit (kill())

• Les processus orphelins (père mort) sont généralement associés au processus racine.

40

La terminaison de processus

4 possibilités:

1. Sortie normale (appel exit() ou fin de code)

2. Sortie en cas d'erreur (volontaire, appel abort())

3. Erreur fatale (involontaire, kill() par l'O.S.)

4. Processus tué par un autre (involontaire, appel- système kill())

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Implémentation des processus

PCB = Process Control Block

Bloc d'informations caractérisant complètement un processus

– état

– compteur d'instruction

– état des registres

– paramètres de priorité et d'ordonnancement

– paramètres de gestion de la mémoire

– informations comptables

– informations I/O (fichiers ouverts…)

42

Process Control Block (PCB)

43

Les PCB permettent d'interrompre et de relancer des processus

44

2.2. L'ordonnancement des processus

• Bursts of CPU usage alternate with periods of I/O wait– (a) a CPU-bound process– (b) an I/O-bound process

45

Objectifs de l’ordonnancement

• Beau problème multicritère!

• Il n ’y a pas qu’une politique d’ordonnancement mais des politiques paramétrées

• Souvent, on choisit une politique, que l’on adapte (tuning) à la situation concrète

nombre et type de processus, priorités, contraintes,...

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Algorithmes d'ordonnancement

• Premier arrivé, premier servi (FCFS)

• Plus court d'abord (SJF)

• Avec priorité

• Carrousel (Round Robin)

• Avec files multiples

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L’ordonnancement le plus simple First Come First Served

• Simple

• Souvent frustrant (attente pour les jobs courts)

Job CPU use

1 24 2 3 3 3

temps d'attente moyen =17

2 31

t=0 24 30

48

Ordonnancement Shortest-Job-First (SJF)

• Associe à chaque processus une estimation n+1 de la durée de la prochaine utilisation CPU (CPU burst).

• Choisit le processus avec le plus petit n+1

• Difficulté: l'estimation n+1

• SJF est optimal : il donne le temps moyen d'attente minimal pour un ensemble de processus donnés (où l'on connaît les temps successifs d'exécution!)

49

SJF non préemptif ou préemptif

• 2 schémas possibles

– nonpréemptif

– préemptif: réquisitionner le CPU si un processus nouveau a une estimation n+1 plus petite que le temps estimé restant du processus en cours. Ce schéma est connu sous le nom deShortest-Remaining-Time-First (SRTF).

50

Ordonnancement par priorité

• Une priorité (nombre entier positif) est associée à chaque processus

• Le CPU est alloué au processus prêt avec la plus haute priorité (FIFO par priorité) (plus petit entier = plus haute priorité), de manière préemptive ou non.

• SJF est en fait un ordonnancement par priorité où la priorité est l'estimation du temps CPU du prochain cycle

• Problème Famine: un processus avec faible priorité peut attendre très longtemps

• Solution Priorité dynamique en fonction du temps d'attente. Au plus on attend, au plus la priorité augmente

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Ordonnancement "Carrousel" Round Robin (RR)

• Définition d'une durée maximale d'utilisation continue du CPU par processus (quantum), par ex. 10-100 millisecondes. Quand un processus en exécution atteint son quantum, il est interrompu.Choix FIFO des processus prêts (Carrousel)

• Si n processus prêts avec un quantum q, chaque processus utilisera 1/n du CPU au plus un temps q. Aucun processus n'attend donc plus de (n-1)q unités de temps

• si q grand => FIFO

• si q petit, beaucoup de pertes

52

Ordonnancement avec files multiples

• Le pool des processus prêts est partitionné en différentes files suivant le type de processus ou ses priorités

• Chaque file peut avoir son propre algorithme d'ordonnancement

– file de processus utilisateurs interactifs – RR

– file de processus système – FCFS

– file de processus batch - Par priorité

• Un ordonnancement doit être effectué entre les files.

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Ordonnancement avec files multiples (2)

• Priorités de files: d'abord les processus systèmes, ensuite les processus interactifs, enfin les batchs. Si priorité fixe, danger de famine.

• Réserver des quotas d'utilisation CPU par files: maximum 20% pour la file système, 50% pour l'interactive, 30% pour la batch (éventuellement quota dynamique suivant le moment de la journée).

54

Ordonnancement avec files multiples (3)

55

Ordonnancement avec files multiples et feedback

• Possibilité de transition d'un processus d'une file à une autre en fonction de son temps d'attente

• De nombreux paramètres sont à considérer:

– nombre de files

– ordonnanceur pour chaque file

– algorithme de rehaussement de priorité

– algorithme d'abaissement de priorité

– algorithme de choix de file de départ

56

Ordonnancement temps-réel

Garantie d'exécution de certains processus en des temps déterminés. Cela nécessite de l'ordonnanceur:

• la préemption possible (réquisition du CPU)

• la gestion des priorités

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2.3. ThreadsDans la plupart des systèmes d’exploitation, chaque processus a un espace d’adresse et un seul chemin d’exécution. Cependant, on trouve des situations dans lesquelles il est souvent souhaitable d’avoir plusieurs chemins d’exécution partageant le même espace d’adressage et fonctionnant en quasi-parallèle comme si c’étaient des processus distincts.

Plusieurs systèmes d’exploitation nouveaux proposent un tel mécanisme à travers des threads. Un thread est une unité de base d’utilisation de l’UC. Chaque thread s’exécute séquentiellement, possède son propre compteur d’instructions, ses registres et sa propre pile. Les threads partagent l’UC de la même façon que les processus: l’un d’entre eux est exécuté, puis c’est le tour d’un autre.

58

Chapitre 3

Communication entre processus

3.1. Mécanismes

3.2. Synchronisation

3.3. Problèmes classiques

59

3.1. Mécanismes

Signaux

Un signal est la notification à un processus de l'occurrence d'un événement. Il existe différents signaux, chacun destiné à un type d'événement particulier. Les signaux peuvent être vus comme des interruptions logicielles effectuées sur les processus.

Les signaux sont asynchrones, c’est-à-dire que le processus auquel un signal est délivré ne peut pas déterminer à l'avance le moment où il recevra le signal.

Les processus ne peuvent pas échanger des données par ce mécanisme.

60

Tubes

Un tube est un canal de communication directe entre 2 processus. Il transporte un flot d'octet. L'ordre des caractères en entrée est conservé en sortie (premier entré, premier sorti). Un tube est de taille limitée (souvent 4096 caractères). Pour lire et écrire dans un tube, le système d’exploitation fournit des appels système read, write aux processus. Le système assure donc la synchronisation de l'ensemble dans le sens où:

- il bloque le processus lecteur du tube lorsque le tube est vide en attendant qu'il se remplisse;

- il bloque (éventuellement) le processus écrivain lorsque le tube est plein (si le lecteur est plus lent que l'écrivain et que le volume des résultats écrits est important).

61

Mémoire partagée

Le concept de mémoire partagée permet à plusieurs processus d'accéder à un même segment de mémoire. Aucun transfert entre processus n'est nécessaire, les données sont simplement placées à un endroit accessible par les différents processus.

C'est le moyen le plus rapide pour échanger des données entre processus mais cette façon de communiquer pose certains problèmes de cohérence d’informations et de coordination.

62

Files de messages

Une file de messages est un mécanisme de communication s’apparentant au concept de boîte aux lettres qui permet la communication indirecte entre différents processus. Avec ce mécanisme, les messages sont envoyés et reçus à la file de messages comme dans une boîte aux lettres. Un processus peut communiquer avec d’autres à travers plusieurs files de messages différents. Deux processus ne peuvent communiquer que s’ils partagent une file de messages. Chaque file de message a une identification unique et les primitives send et receive.

Avec la file de messages, les processus peuvent échanger des données structurées.

63

Les sockets

Les sockets sont des points de connexion pour une communication. Une socket en utilisation possède généralement une adresse associée par laquelle un processus pourra émettre ou recevoir de l’information. En première approximation, les modèles de communication qui sont accessibles à travers les sockets sont tout à fait analogues à deux outils de la vie courante: le courrier et le téléphone.

Le mécanisme de socket peut être utilisé par des processus qui ne sont pas en relation. De plus, il fournit une interface générale pour les fonctions de gestion de réseaux.

64

3.2. La synchronisation entre processus

L’exclusion mutuelle de ressources non partageables

La synchronisation car la vitesse relative de deux processus est imprévisible puisqu'elle dépend de la fréquence des interruptions de chaque processus, ainsi que de la durée de travail et de la fréquence d’attribution des processeurs aux processus. On peut dire que les processus se déroulent de manière asynchrone les uns par rapport aux autres. Toutefois, pour assurer une certaine coopération, les processus doivent synchroniser leurs activités à certains moments du traitement lorsqu’un processus ne peut pas poursuivre avant qu’un autre processus n’ait achevé son traitement. Le système d’exploitation doit donc fournir un mécanisme de synchronisation.

65

Section critique

Problème d'accès concurrents (race condition)

Soient deux processus comptables P1 et P2 qui partagent une

même zone mémoire. Chaque processus veut retirer un montant d’un compte:

if (balance - retrait >=0)balance := balance - retrait;else

error( "on ne peut plus retirer !" );

Supposez que la balance soit égale à 800, le processus P1 veut

retirer 500 et le processus P2 400.

66

Un bon moyen d’éviter le conflit d'accès doit satisfaire les quatre conditions suivantes:

-Deux processus ne peuvent être en même temps en section critique.

-Aucune hypothèse ne doit être faire sur les vitesses relatives des processus et sur le nombre de processus.

-Aucun processus suspendu en dehors d’une section critique ne doit bloquer les autres processus.

-Aucun processus ne doit attendre trop longtemps avant d’entrer en section critique.

67

Solution " busy waiting"

Solutions logicielles

Les variables de verrouillage

Les processus partagent une variable (verrou), unique, qui a initialement la valeur 0. Un processus doit tester ce verrou avant d’entrer en section critique. Si le verrou vaut 0, le processus le met à 1 et entre dans sa section critique. Si le verrou est déjà à 1, le processus attend qu’il repasse à 0.

L’alternance

C’est une approche applicable à seulement deux processus à la fois. On laisse aux processus partager une variable partagée, tour. Ne fonctionne que si l'alternance est parfaite.

68

Solutions matérielles

Le masquage des interruptions

Laisser aux processus masquer les interruptions avant d’entrer dans la section critique et les restaurer à la fin de la section. (L’interruption horloge ne peut pas avoir lieu lorsque les interruptions sont masquées). Le processeur ne pourra donc plus être alloué à un autre processus.

69

L’instruction TSL

Solution qui requiert un peu d’aide de la part du matériel. Plusieurs ordinateurs fournissent une instruction spéciale qui permet de tester et de modifier le contenu d’un mot d’une manière atomique.

while (TRUE) {while (Test-and-Setlock(lock));

section-critique();lock := FALSE;section-noncritique();

}

70

Solutions « SLEEP and WAKEUP »

Pour éviter l’inconvénient du busy waiting, on peut utiliser quelques primitives de communication interprocessus qui se bloquent au lieu de prendre du temps processeur lorsqu’elles ne sont pas autorisées à entrer en section critique.

SLEEP est un appel système qui suspend l’appelant en attendant qu’un autre processus le réveille. L’appel WAKEUP a un seul paramètre: le processus à réveiller.

71

Sémaphores

Introduit par E. J. Dijkstra en 1965, un sémaphore s est une variable qui a les propriétés suivantes:

-Une valeur e(s) qui est un entier positif.

-Une file d'attente f(s) qui contient des processus bloqués sur le sémaphore s

Sur un sémaphore, seules deux opérations sont autorisées:

-Down (s): décrémente la valeur du sémaphore. Si la valeur du sémaphore s est >= à 0, le processus poursuit son exécution normalement, sinon, le processus est mis en attente.

-Up (s): incrémente la valeur du sémaphore s. Si un ou plusieurs processus étaient en attente sur le sémaphore s, bloqués par une opération Down, l’un d’entre eux sera choisi par le système pour terminer son Down.

72

Down (s): e(s) := e(s) - 1; if e(s) < 0 { état (P):= bloqué; entrer (P, f(s));

}Up (s): e(s) := e(s) + 1; if e(s) 0 { sortir (Q, f(s)); // Q est un processus bloqué sur s; état(Q) := prêt; entrer(Q, file d’attente de processus prêts);

}

73

Sémaphores d'Exclusion Mutuelle

Le concept de sémaphore permet de résoudre le problème de la section critique pour n processus. Les n processus partagent un sémaphore s, e(s) est initialisé à 1. Tous les processus doivent suivre la même règle suivante:

while (TRUE) {Down (s)section-critique();Up (s)section-noncritique();}

74

Sémaphores de Synchronisation

Dans une situation où un processus doit en attendre un autre pour continuer (ou commencer) son exécution. Les deux processus partagent un sémaphore s, e(s) est initialisée à 0. Tous les deux doivent suivre la règle suivante: Processus 1while (TRUE) {

travail1 ();Up (s); // réveille processus 2}

Processus 2while (TRUE) {

Down (s); // attente processus 1travail2 ();}

75

Moniteurs

C’est au compilateur de réaliser l’exclusion mutuelle au niveau des entrées dans le moniteur.

Echange de messages

Un processus contrôle la ressource et octroie la ressource en fonction des messages reçus.

76

3.3 Problèmes classiques de synchronisationProblème du producteur – consommateur

BufferSize := 3; // nbre d’emplacements dans le buffer

Semaphore mutex := 1; //Contrôle accès section critique

Semaphore vide := BufferSize; // nbre d’emplacements libres

Semaphore plein := 0; // nbre d’emplacements occupés

 

77

Producer()

{

int objet;

while (TRUE) {

produire_objet (&objet); // produire l’objet suivant

down (&vide); // décrémente nbre d’emplacements libres

down (&mutex); // entrer en section critique

mettre_objet (objet); // mettre l'objet dans le buffer

up (&mutex); // sortir de la section critique

up (&plein); // incrémente nbre d’emplacements occupés

}

} 

78

Consumer()

{

int objet;

while (TRUE) {

down (&plein); // décrémente nbre d’emplacements occupés

down (&mutex); // entrer en section critique

retirer_objet (&objet); // retirer l’objet du buffer

up (&mutex); // sortir de la section critique

up (&vide); // incrémente nbre d’emplacements libres

utiliser_objet (objet); // utiliser l’objet

}

}

79

Gestion des processus:gare aux deadlocks!

(a) Un deadlock potentiel (b) Un deadlock réel

80

Consumer()

{

int objet;

while (TRUE) {

down (&mutex); // entrer en section critique

down (&plein); // décrémente nbre d’emplacements occupés

retirer_objet (&objet); // retirer l’objet du buffer

up (&mutex); // sortir de la section critique

up (&vide); // incrémente nbre d’emplacements libres

utiliser_objet (objet); // utiliser l’objet

}

}

81

Le modèle des lecteurs et des rédacteurs

semaphore mutex := 1; // contrôler accès à rc

semaphore bd := 1; // contrôler accès à base de données

int rc; // nombre de processus lecteurs

Rédacteur()

{

while (TRUE) {

creer_donnees (); // section non critique

down (&bd); // obtenir l’accès exclusif à bd

ecrire_donnees (); // mettre à jour les données

up (&bd); // libérer l’accès à rc

}

82

Lecteur () { while (TRUE) { down (&mutex); // obtenir l’accès exclusif à rc rc := rc + 1; // un lecteur de plus if (rc = 1) // si c’est le premier lecteur down (&bd); // empêcher un rédacteur d’accéder à bd up (&mutex); // libérer l’accès à rc lire_base_de_donnees (); // lire les données down (&mutex); // obtenir l’accès exclusif à rc rc := rc - 1; // un lecteur de moins if (rc = 0) // si c’est le dernier lecteur up (&bd); // permettre au rédacteur d’accéder à bd up (&mutex); // libérer l’accès à rc

utiliser_donnees_lues (); // section non critique } }

83

3.4 Interblocage (deadlock)Un ensemble de processus est en interblocage si chaque processus attend un événement que seul un processus de l’ensemble peut engendrer. Exemple: problème du dîner des philosophes

P1

P5

P4

P2

P3

84

Il faut réunir quatre conditions pour provoquer un interblocage:

L’exclusion mutuelle: chaque ressource est, soit attribuée à un seul processus, soit disponible.

La détention et l’attente: les processus qui détiennent des ressources précédemment obtenues peuvent en demander de nouvelles.

Pas de réquisition: les ressources obtenues par un processus ne peuvent lui être retirées contre son gré. Elles doivent être explicitement libérées par le processus qui les détient.

L’attente circulaire: il doit y avoir un cycle d’au moins deux processus, chacun attendant une ressource détenue par un autre processus du cycle.

85

Traitement des interblocages

Prévenir

Eviter

Détecter

Corriger

86

Chapitre 4

Gestion de la mémoire

La mémoire est un tableau à une dimension de mots machines (ou d’octets) chacun ayant une adresse propre. Les échanges avec l’extérieur se font en général par des lectures ou des écritures à des adresses spécifiques. La mémoire est le point central dans un système d’exploitation; c’est à travers elle que l’UC communique avec l’extérieur.

87

correspondance entre adresses logiques et adresses physiques: comment convertir les adresses symboliques dans un programme en adresses réelles dans la mémoire principale?

gestion de la mémoire physique: comment étendre la mémoire disponible pour pouvoir maintenir plusieurs processus?

partage de l’information: comment permettre aux différents processus de partager des informations en mémoire?

protection: comment éviter au processus de porter atteinte aux zones de mémoire allouées aux autres processus?

88

Espace adresse logique versus espace adresse physique

Adresse logique - produite par l’unité centrale de traitement; également désignée sous le nom d'adresse virtuelle.

Adresse physique - adresse vue par l’unité de mémoire.

- La conversion au moment de l’exécution des adresses logiques en adresses physiques est effectuée par la memory-management unit (MMU) qui est un dispositif matériel. Les adresses logiques et physiques sont les mêmes dans le schéma de liaison d’adresses au moment de la compilation et du chargement; les adresses logiques et physiques diffèrent dans le schéma de liaison d’adresses au moment de l’exécution.

89

Allocation contigüe

Systèmes monoprogrammés: La mémoire est partagée entre le système d’exploitation et un processus unique. A un instant donné, une portion de la mémoire contient le système d’exploitation, le reste contient un seul processus. Ce processus peut parfois utiliser toute la mémoire disponible.

Systèmes multiprogrammés avec des partitions fixes: La mémoire est divisée en n partitions ayant une taille fixe (des partitions différentes peuvent avoir des tailles égales ou inégales). Utilisation des registres de base et limite.

Systèmes multiprogrammés avec partitions variables: On alloue des partitions variables aux processus et on choisit l'emplacement dynamiquement lors de l’entrée en mémoire du processus.

90

Systèmes multiprogrammés avec "swapping": Un processus qui est en attente durant une période relativement longue sera transféré en mémoire auxiliaire (swap out) pour libérer la mémoire principale pour d'autres processus. Quand son attente est terminée, il peut être ramené en mémoire principale (swap in) pour continuer son exécution.

91

Allocation non contigüe

Pagination: La mémoire physique est découpée en blocs de taille fixe appelés cadres de pages. La mémoire logique est également subdivisée en blocs de la même taille appelés pages. Quand on doit exécuter un processus, on charge ses pages dans les cadres de pages de mémoire disponibles. Un processus de taille N pages requiert N cadres de pages libres.

Memory Management Unit pour la pagination: Pour définir la conversion d’adresse, le support matériel pour la pagination est une table de pages. La table de pages contient l’adresse de base de chaque page dans la mémoire physique.

92

Mémoire virtuelle

La mémoire virtuelle est une technique autorisant l'exécution de processus pouvant ne pas être complètement en mémoire. La mémoire virtuelle schématise la mémoire comme un tableau de stockage uniforme extrêmement grand, séparant la mémoire logique telle que la voit l’utilisateur de la mémoire physique.

La mémoire virtuelle est communément implémentée avec la pagination à la demande équivalente à la pagination avec swapping.

93

Figure 4.5 Les étapes pour manipuler un défaut de page Mémoire physique

cadre libre /victime

référence

Mémoire virtuelle

Mémoire logique

charge M

OS

i

table de pages

Mémoire virtuelle

1

Mémoire virtuelle

2

Mémoire virtuelle

6

Mémoire vi

5

Mé

4

Mé

3

Mémoire virtuelle

déroutement

Mémoire virtuelle

la page est dans la mémoire auxiliaire

Mémoire virtuelle

3’

Mémoire virtuelle

page out la victime

Mémoire virtuelle

ramène en mémoire la

page absente

Mémoire

restaure la table de pages

redémarre instruction

Mémoire virtuelle

94

Chapitre 5

Protection et sécurité 

5.1 Objectifs de la protection

5.2 Domaines de protection

5.3 Matrice d'accès

5.4 Implémentation de la matrice de droits

5.5 Sécurité

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5.1 Objectifs de la protection

éviter la violation pernicieuse intentionnelle d’une restriction d’accès par un utilisateur,

assurer que chaque composante d’un système emploie les ressources du système seulement dans une forme cohérente avec les politiques instaurées pour l’utilisation de ces ressources,

améliorer la fiabilité d’un système en détectant des erreurs latentes dans les interfaces entre les sous-systèmes composants.

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5.2 Domaines de protection

Tous les processus fonctionnent dans un certain domaine de protection. Le domaine de protection indique à quelles ressources le processus peut accéder et quelles exécutions particulières le processus peut exécuter.

La capacité d'exécuter une certaine exécution sur une certaine ressource s'appelle un droit d'accès. Un domaine est une collection de droits d'accès. On définit un domaine par une paire ordonnée <objet, ensemble de droit d'accès>.

Les domaines peuvent partager les droits d’accès. L’association entre un processus et un domaine peut être statique ou dynamique. Le processus peut devoir changer dynamiquement des droits d'accès pour des procédures du système d’exploitation.

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Un domaine peut être associé à:

Un utilisateur: tous les processus d'un utilisateur sont dans le même domaine. On commute de domaine quand on change d’utilisateur.

Un processus: les différents processus du même utilisateur peuvent être dans différents domaines. On commute de domaine quand un processus envoie un message à un autre et attend ensuite une réponse.

Une procédure: les différentes procédures peuvent appartenir à différents domaines. On commute de domaine quand on effectue un appel à une procédure.

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5.3 Matrice d'accès 

Le modèle de protection peut être envisagé de façon abstraite comme une matrice, appelée matrice de droits. Les lignes de la matrice de droits représentent les domaines, et les colonnes les objets. Chaque entrée dans la matrice consiste en un ensemble de droits d’accès.

L'entrée droit (i, j) définit l’ensemble des opérations qu’un processus, s’exécutant dans le domaine Di, peut appeler sur un

objet Oj.

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5.4 Implémentation de la matrice de droits

L’implémentation la plus simple de la matrice des droits est une table globale consistant en un ensemble de triplets ordonnés <domaine, objet, ensemble de droits>. A chaque fois que l’on exécute une opération M sur un objet Oj dans le domaine Di, on

cherche dans la table globale un triplet < Di, Oj, Rk > où M Rk.

Si on trouve ce triplet, on permet à l’opération de continuer. Sinon, il se produit une situation d’erreur.

Cette implémentation possède plusieurs désavantages: la table est généralement grande et elle ne peut donc pas être maintenue en mémoire principale, il est difficile de profiter de groupements spéciaux d’objets ou de domaines.

100

Solutions:

Liste d’accès aux objets

Liste de capacités des domaines

Un mécanisme de clés et verrous

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5.5 Sécurité

erreurs de programmation (d'un utilisateur, ou du système lui-même) qui se propagent au système (du fait de contrôles insuffisants ou mal effectués)

mauvais fonctionnement du matériel

opérateur, concepteur ou réalisateur malveillant ou peu scrupuleux (quand il s'agit d'informations financières!).

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Authentification

Les mots de passe peuvent être générés par le système ou sélectionnés par les utilisateurs. Le problème commun à cet approche consiste à garder secret le mot de passe.

 

Menaces contre les programmes

Le cheval de Troie

Porte de contournement

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Menaces contre les systèmes

Ver

Virus

 

Surveillance de menaces

Le système peut contrôler des formes suspectes d’activité pour détecter une violation de sécurité.

Une liste de contrôle enregistre l’heure, l’utilisateur et tous les types d'accès à un objet.