Obiettivi Formativi

Il corso mira a fornire le conoscenze di base sulla struttura di un moderno Sistema Operativo di tipo general purpose mettendo in evidenza i meccanismo di basso livello che rendono possibile la il funzionamento multiprogrammato degli attuali sistemi e soffermandosi sulle strutture dati interne ad un kernel e sui principali algoritmi implementati in un sistema reale per la gestione del sistema. Si mira inoltre a sviluppare la capacità di implementazione di una applicazione multithreading con particolare riferimento alla corretta sincronizzazione dei thread e la gestione delle sezioni critiche.

Learning Goals

The aim of the course is to provide the basic knowledge on the structure of a modern general purpose Operating System; law level mechanisms used to make possible multi-programming environment are stressed, with particular attention to kernel internal data structures and system management algorithms implemented in real systems. Moreover, multi-threading programming technique is taught together with thread synchronization and race condition management.

Metodi didattici

- Lezioni frontali facendo uso di materiale didattico in formato elettronico reso disponibile dal docente tramite il sito di e-learnig dellUniversità. - Laboratorio di programmazione concorrente con esercitazioni al calcolatore sullo sviluppo di applicazioni multithreading.

Teaching Methods

- Lectures with use of educational material in electronic format made available by the teacher through the University's e-learning web site. - Concurrent programming laboratory with exercises on development of multithreading applications.

Prerequisiti

Conoscenze di programmazione C, e di algoritmi e strutture dati avanzate. Nozioni di architetture dei calcolatori.

Prerequisites

Basic knowledge on C programming, and advanced data structures and their management algorithm. Basics on computer architectures.

Verifiche dell'apprendimento

La prova finale consiste nella implementazione di un programma concorrente di bassa complessità e di una verifica orale durante cui lo studente deve descrivere due argomenti tra quelli presentati durante lo svolgimento delle lezioni.

Assessment

The final exam is based on an implementation of a low complexity concurrent program and a discussion during which students must describe two topics among those presented during the lectures.

Programma del Corso

* Generalità sui Sistemi Operativi: sistemi monolitici, sistemi a livelli, macchine virtuali, sistemi distribuiti client-server. Definizione di Processo, Memoria Virtuale, File System, System Call, Kernel, Shell. * Storia dei Sistemi Operativi: dalla mono alla multiprogrammazione; il concetto di multitasking. * Modello di interazione tra CPU e dispositivi. Sistema di interruzione. Interruzioni e multiprogrammazione. Processo di interruzione. Modi di funzionamento della CPU. * Gestione dei Processi: modello di un processo, vita di un processo, meccanismi di controllo. La Schedulazione a breve termine (di CPU), la Schedulazione a medio termine (swapping), La Schedulazione a lungo termine (dei processi): algoritmi di schedulazione (senza prelazione, con prelazione, Round Robin, con priorità, code multiple, SJF). * La Mutua Esclusione: corse critiche, mutua esclusione, sospensione e risveglio, stallo, meccanismi di condivisione della memoria e scambio messaggi. Meccanismi di sincronizzazione tra processi: semafori. La Comunicazione Inter-Processo (IPC) e i suoi problemi: esempio del produttore-consumatore. La Gestione dei Processi e IPC in ambiente distribuito (accenni). I Threads: definizione, sistemi operativi multi-threaded, rapporto tra threads e processi. * Blocco critico (deadlock). Condizioni e soluzioni. * Gestione della Memoria: partizionamento fisso, rilocazione e protezione; gestore con swapping: multiprogrammazione a partizioni variabili, squeeze (compattamento). Memoria Virtuale: definizione di spazio di indirizzamento virtuale, MMU, overlay e paginazione, Virtual Page Table a uno o più livelli. Segmentazione. * Gestione dei File: file system (struttura gerarchica in file e directory, tipi di file system). Implementazione del file system Unix: proprietà e modi di accesso, descrittori di file, protezione e sicurezza del file system; file speciali a blocchi e caratteri. * Gestione dell'Input/Output. Meccanismo delle Interruzioni. Driver delle interruzioni, driver dei dispositivi (device driver a blocchi o caratteri). Sottosistema di I/O del kernel Unix. Laboratorio * La gestione dei processi. * La libreria pthread. Gestione dei thread, mutex, semafori. * La comunicazione tra processi. * Esercitazioni su programmazione concorrente.

Course Syllabus

* Overview on Operating Systems: architectures, virtual machines, distributed systems, client-server paradigm. Process definition, virtual memory, File System, System Call, Kernel, Shell. * Evolution of Operating Sysstems: from mono-programming to multi-programming; basics on multitasking. * CPU - devices interaction models. Interrupts. Interrupts and multi-programming. CPU running modes. Process Management: process model, process control mechanisms. Short term scheduling, medium term scheduling, long term scheduling: scheduling algorithms. *Process synchronization: the critical section problem, the mutual exclusion, sleep and wake up, deadlock, shared memory, message exchange. Semaphores. Threads: multithreading models, threads and processes. Memory management: contiguous memory allocation, memory relocation and protection; swapping; variable partitions allocation, squeeze. Pagination. Segmentation. Virtual memory: demand paging, page replacement, thrashing. * Storage management: file-system interface, file system implementation: file system structure, directory implementation, allocation methods, free space management. * Process management. * The pthread library. Thread management, mutex, semaphores. * Interprocess communication. * Concurrent programming.