TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Transcriptie

1 TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskune en Informatica Examen Operating Systemen (2R230) op insag 21 juni 2005, uur. Het tentamen bestaat uit rie elen ie apart woren ingelever. Deel A bestaat uit kennisvragen ie u zeker in max. 30 minuten kunt beantwooren, op een apart bla! Wanneer u eel A hebt ingelever (eventueel eerer an eze 30 minuten) mag u bij eel B uw boeken en aantekeningen gebruiken. Deel C betreft het essay at u thuis hebt gemaakt en wort bij het verlaten van e zaal gezamenlijk met het gemaakte werk ingelever. Werk overzichtelijk. Lees e elen afzonerlijk eerst geheel oor. De normering is bij alle onerelen tussen haakjes aangegeven. Er zijn in totaal 3 pagina s. DEEL A (3 punten) 1. Geef tenminste 3 motivaties voor het bestaan van Operating Systemen. a. abstractie, van onerliggene iversiteit b. virtualisatie, algemene concepten (lineair geheugen, file systeem, processor) beschikbaar voor applicaties c. sharing, van functionaliteit ie alle applicaties noig hebben. resource management e. concurrency, gelijktijig gebruik kunnen maken van resources f. programma portabiliteit,.m.v. gestanaarizeere interfaces 2. Wat is het verschil tussen e signal-an-continue en e signal-an-wait policies bij een monitor? a. signal-an-continue: het process wat e signal uitvoert blijft in e monitor; het process at is wakker gemaakt moet opnieuw wachten op toegang b. signal-an-wait: het process at wakker gemaakt wort zet executie voort in e monitor; het process at e signal uitvoert moet wachten op toegang. 3. Bij een POSIX seinpaal kan e waare van een seinpaal woren geinspecteer en us woren gebruikt in tests. Geef voorelen en/of naelen. a. vooreel: je kunt e kans at een process geblokkeer raakt wat kleiner maken, je kunt informatie over e toestan van e seinpaal gebruiken. b. naeel: e waare is niet stabiel; bijv. e conitie: er zijn geen wachters is niet stabiel. 4. Wat is het verschil tussen een process en een threa? a. process: programma in uitvoering; eenhei van memory management en foutbeheersing; bevat 1 threa. b. threa: eenhei van concurrency en scheuling; behoort bij een omvatten process.

2 5. Wat is het verschil tussen een moe switch en een context switch? a. moe switch: kernel <> user moe. Kost nauwelijks tij. b. context switch: veranering van het geheugenbeel; geassocieer met een processwisseling. 6. Noem rie manieren waarop e kernel e controle krijgt. a. exception (speciale trap, fault) b. system call (trap, supervisor call, SVC) c. interrupt 7. Noem rie reenen om buffering te gebruiken in e kernel. a. sharing van e betreffene gegevens b. caching c. snelheisverschillen oplossen. communicatie problemen oplossen tussen processen en kernel (bijv. interrupt hanler kan i.h.a. e ata-ruimte van het gebruikersprocess niet bereiken). 8. Waarom is het in het algemeen beter een ongewijzige pagina te vervangen an een gewijzige pagina? Oner welke omstanigheen is het wenselijker een gewijzige pagina te vervangen? a. This can significantly reuce the time require to service a page fault, since it reuces I/O time by one half. b. When there is an argument that the page is not reference in the future. Or when there is a argument erive from experience that a ifferent policy leas to better results. For example, a policy that provies less page swapping by keeping pages in main memory that are least-recently use rather than the ones that are moifie (LRU). Out of two pages with combination of bits (u,w) in the page table of (0,1) an (1,0), the first page will be chosen for replacement. u=use bit, w=write (moifie) bit. 9. Wat is het vooreel van Dynamic memory partitions boven fixe partitions? a. Het ene vooreel is at processen net zo veel geheugen gebruiken als ze noig hebben.dus er heeft geen interne fragmentatie plaats gevonen. Het anere vooreel is at er geen beperking is van e omvang van een proces. (De beperking is slechts e fysieke grootte van het geheugen). 10. Geef twee voorelen en twee naelen van een file-organisatie als een gelinkte lijst van blokken (1) in vergelijking met een aaneenliggene organisatie (2). a. efficiente toegang tot het bestan: beter voor (2) b. uitbreien: beter voor (1) c. heen en weer bewegen (seek): beter voor (2). beheer van vrije stukken: beter voor (1)

3 DEEL B (8 punten) 1. Gegeven is een reaer/writers systeem at synchroniseert met behulp van conitievariabelen RB en WB om e invariant: I: nr=0 or nw=0 te hanhaven. var RB, WB: Conition; m: Semaphore; nr, nw: int; Proc Reaer = [ while true o P(m); while nw>0 o Wait (m, RB) o; nr := nr+1; V(m); rea actions ; P(m); nr := nr-1; Sigall (WB); V(m) Proc Writer = [ while true o P(m); while nw>0 or nr>0 o Wait (m, WB) o; nw := nw+1; V(m); write actions ; P(m); nw := nw-1; Sigall (RB); Sigall (WB); V(m) a. (0.5 pt) Sigall(WB) mag woren vervangen oor Signal(WB). Leg it uit. ten hoogste één Writer mag oorgaan volgens e synchronisatie-eis. b. (0.5 pt) Sigall(RB) mag niet woren vervangen oor Signal(RB). Leg it uit en geef een tegenvoorbeel. Na het einigen van een Writer mogen willekeurig veel Reaers verer. Als er bijvoorbeel 10 Reaers zijn geblokkeer moeten eze alle woren opgewekt om verer te gaan. Zoniet, an staan e 9 overige willekeurig lang en onnoig te wachten. Overigens hangt it in beie gevallen samen met e gekozen structuur om Sigall te gebruiken, in plaats van een geketene wake-up. c. (1 pt) Pas het programma aan zoanig at, naat een schrijver geblokkeer raakt, er ten hoogste nog K lezers toegang krijgen. U bent vrij om nieuwe variabelen te introuceren. Er zijn veel oplossingen mogelijk. Verstanig is in eerste instantie het bestaane programma te hanhaven, alleen wat toevoegen. In onerstaane oplossing gebruiken we variable qw ie het aantal Writers registreert at staat te wachten en variabele avr ie registreert hoeveel Reaers nog vrij oormogen in geval er Writers wachten. De aanpassing betreft vervolgens 1. verscherping van e test (ofwel, verzwakker van e guar) 2. registeren van het passeren oor een Reaer in geval er schrijvers staan te wachten 3. registreren van het wachten van een Writer

4 var RB, WB: Conition; m: Semaphore; nr, nw: int; avr, qw: int; 4. initialiseren van avr inien e eerste Writer van een groep gaat wachten Proc Reaer = [ while true o P(m); while nw>0 or (qw>0 an avr=0) o Wait (m, RB) o; { nw=0 an (qw=0 or avr<>0) } if qw>0 then avr := avr-1 fi; nr := nr+1; V(m); rea actions ; P(m); nr := nr-1; Sigall (WB); V(m) Proc Writer = [ while true o P(m); qw := qw+1; if qw=1 then avr := K fi; while nw>0 or nr>0 o Wait (m, WB) o; nw := nw+1; qw := qw-1; V(m); write actions ; P(m); nw := nw-1; Sigall (RB); Sigall (WB); V(m) een oplossing ie gebruik maakt van e test op een conitie variabele lijkt wat eenvouiger omat e coe van Writer niet hoeft te woren aangepast. Sommigen hebben een oplossing ie in e buurt komt van wat hieroner staat. Deze is echter niet goe: na e Sigall op WB is WB leeg terwijl er in feite wel wachters staan. Je zou echter kunnen stellen at e opgave hier niet voloene specifiek is. Overigens hebben beie oplossingen het in zich at er starvation van Reaers kan optreen.

5 var RB, WB: Conition; m: Semaphore; nr, nw, avr: int; Proc Reaer = [ while true o P(m); while nw>0 or avr=0 o if Empty (WB) then avr := K else Wait (m, RB) fi o; { nw=0 an avr<>0 } if not Empty (WB) then avr := avr-1 fi; nr := nr+1; V(m); rea actions ; P(m); nr := nr-1; Sigall (WB); V(m) Proc Writer = [ while true o P(m); while nw>0 or nr>0 o Wait (m, WB) o; nw := nw+1; V(m); write actions ; P(m); nw := nw-1; Sigall (RB); Sigall (WB); V(m) 2. In eze opgave gaan we e operaties wait en signal op een conitie variable implementeren als system calls. Ga uit van e signal-an-continue policy. Uitgangspunt voor e implementatie is het volgene schema waarin variabele c.q het aantal wachters registreert op seinpaal c.s. wait (m, c): c.q := c.q+1; V(m); P(c.s); P(m) signal (c): if c.q>0 then c.q := c.q-1; V(c.s) fi a. (0.5 pt) Geef aan welke acties in wait oneelbaar bij elkaar horen en geef met een scenario aan wat er fout kan gaan als it niet het geval is. Zoals tijens instructie uitgeleg (en ook op slie 46 staat): V(m); P(c.s) moet oneelbaar zijn, althans het beginnen met wachten op c.s. Zoniet an is het mogelijk at seinpaal c.s geurene langere tij e waare 1 heeft als gevolg van een Signal. Een willekeurige Wait kan in zo n geval passeren. Effectief gaat e Signal hiermee verloren. Het is niet moeilijk om hiermee foutieve scenario s te maken. Hiermee is bovenstaan schema als irecte implementatie us afgekeur. Uiteraar moeten ook e assignment en tests atomair zijn maar it is het geval wegens e uitsluiting ie sowieso gelt op eze variabelen. b. (1.5 pt) Geef een schematische implementatie van eze acties als system calls, conform e uitwerking tijens college, waarbij u e implementatie ient te vereenvouigen voorzover mogelijk. Het is e beoeling om één system call per actie te hebben. In feite moeten e 4 statements in Wait in elkaar woren geschoven. We hebben gezien bij a. at it essentieel is voor e het eerste stuk. Het schema van e system call geeft ongeveer het volgene (er zijn wat alternatieven in volgore mogelijk). Seinpaal c.s wort niet echt geïmplementeer, slechts een bijbehorene wachtrij.

6 wait (c,m): moe switch; inhibit interrupts; acquire c->lock; acquire m->lock; c.q ++; Store in c->queue an Blocke; m->val ++; if m.val <=0 then release one from m->queue, Blocke fi; release (c->lock, m->lock); Transfer control to scheuler; Finalize: (inhibit interrupts;) acquire m->lock; remaining part of P(m) (see slie) signal(c): moe switch; inhibit interrupts; acquire c->lock; if c.q>0 then c.q := c.q-1; remaining part completely analogous to V-operation (see slie) c. (0.5 pt) Is er een specifieke lock -variabele noig voor uitsluiting op e atastructuur van e conitie variabele? Motiveer uw antwoor en betrek hierin seinpaal m. Het iee is at zowel Wait als Signal slechts binnen kritische secties woren uitgevoer ie oor m woren bewaakt. Dit betekent at conitie-variabelen al oner uitsluiting woren gebruikt en een eigen lock us niet strikt noig is. Eventuele fouten van een programmeur in it verban kunnen aanleiing geven tot corruptie van e atastructuren. Voorzover it aanleiing kan geven tot corruptie van e kernel (bijvoorbeel, wachtrijen) moet it woren voorkomen.. (1 pt) Geef ook e implementatie voor e signal-an-wait policy op e manier zoals aangegeven bij b. Geef aarbij eerst aan wat u gaat maken (zoals bovenstaan implementatie schema). Is er via e parameters afoene informatie voor e Signal? Opmerking: hoewel een ergelijk schema ook als irecte implementatie kan ienen, ient het schema te woren gereuceer tot een enkele system call per functie. wait (m, c): c.q++; V(m); P(c.s); c.q signal (c): if c.q>0 then V(c.s); P(m) fi (... zie slie 44) Probleem is at signal ook kennis moet hebben van e gebruikte seinpaal m. Verer is uitwerking van e oplossing gewoon vergelijkbaar met e vorige.

7 wait (c,m): moe switch; inhibit interrupts; acquire c->lock; acquire m->lock; c.q ++; Store in c->queue an Blocke; m->val ++; if m.val <=0 then release one from m->queue, Blocke fi; release (c->lock, m->lock); Transfer control to scheuler; Label Finalize: Return form moe switch signal(c): moe switch; inhibit interrupts; acquire c->lock; if c.q>0 then c.q := c.q-1; remaining part completely analogous to V-operation (see slie), i.e.: Release one from c->queue, Blocke; fi; Release (c->lock); { next, perform P(m) } acquire (m->lock); m->val := m->val-1; if m.val<0 {negative values recor # waiters } then Store in m->queue an Blocke; Release (m->lock); Transfer control to scheuler; else LeaveCS; { Release m->lock an enable interrupts } fi Label Finalize: Return from moe switch; 3. Beschouw het working-set moel met τ = 3. Gegeven is e volgene rij van verwijzingen van een proces p. y x x x x x x y y u x x x y z y z w w z x x w w a. (0.5) Wat is e grootste workingset ie proces p ooit kan hebben? En welke e kleinste (afgezien van e eerste τ referenties)? There is no consecutive substring that contains more than 3 ifferent characters; thus the largest working set will be 3; the smallest working set will contain one element (x) which has been accesse 6 times in a row. b. (1 pt) Beschouw nu e volgene lijst: a b c e b c c b b. Bepaal e maximum winow grootte zoanig at eze lijst ten hoogste 5 pagefaults

8 genereert. Geef aan welke pagina s in het geheugen zijn en markeer pagefaults met een sterretje. This one was given in the work-out session. The maximum winow size is τ=3. In this case exactly 5 page faults are generate. Time t Reference string a b c e b c c b b Page a Page b Page c Page Page e IN t a * b * c * * e * OUT t a e c 4. (1 pt) Gegeven is een systeem met rie resource types, R1, R2, R3 waarvan er resp. 2, 2 en 3 beschikbaar zijn. Er zijn rie processen, p1, p2 en p3 ie van e rie resources maximaal resp. 1,2,1 (p1); 1,1,3 (p2) en 1,1,1 (p3) noig hebben. a. Teken e claimgraaf p1 R1 R2 R3 p2 p3 Beschouw e toestan at p1 één type R1 resource heeft en p3 één type R3 resource. Leg uit en motiveer of in eze toestan e volgene verzoeken kunnen woren gehonoreer volgens het bankiersalgoritme. Teken e corresponerene grafen. b. p1 vraagt en krijgt twee type R2 resources; p2 verzoekt om 2 type R3 resources

9 p1 R1 R2 R3 p2 p3 De figuur geeft e situatie weer op het moment van e request van twee type R3 resources oor p2. Zouen we ie toekennen an is er geen enkel process meer in een open toestan. Kortom, er is gevaar voor ealock. Deze toekenning is niet toegestaan. c. p1 vraagt en krijgt twee type R2 resources; p2 verzoekt om 1 type R3 resource p1 R1 R2 R3 p2 p3 In it geval blijft p1 open. Reuctie van p1 maakt reuctie van p3 mogelijk. Vervolgens kan p2 woren gereuceer. Deze toekenning kan us.