1002037 - SISTEMI OPERATIVI M - Z

Conoscenza e capacità di comprensione: Al completamento del corso, il discente avrà acquisito 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.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:  a fine corso gli allievi saranno in grado di scrivere applicazioni contenenti system call per: creazione e gestione di processi e threads, gestione file, invio/gestione segnali, interazione e comunicazione tra processi, gestire la concorrenza dell'utilizzo di risorse condivise e creare applicazioni multithread.

Autonomia di giudizio. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di scegliere una adeguata soluzione software basata su API Linux per ciascuno degli argomenti trattati all'interno del corso.

Abilità comunicative. Al termine del corso, lo studente può comunicare le sue conclusioni e raccomandazioni sulla progettazione e utilizzo dei sistemi operativi con l'argomentazione della conoscenza e della logica alla base di questi, a un pubblico sia specialista che non specialista in modo chiaro e inequivocabile.

Capacità di apprendimento. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di continuare a studiare in un modo che può essere ampiamente autodiretto o autonomo.

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. Il corso prevede anche esercitazioni pratiche svolte dagli studenti. Tali esercitazioni vengono svolte anche 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 di base dell’architettura del calcolatore, in particolare: CPU, interrupt, registri, memorie, architetture multiprocessore, dispositivi di I/O.

-Capacità di programmazione e conoscenza del Linguaggio ANSI C, con particolare riferimento a: "uso dei parametri argc e argv nella funzione main()", "uso dei puntatori, dei vettori  e dell'allocazione dinamica", "uso delle strutture", "uso di funzioni e relativo passaggio di parametri per valore e per riferimento"

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

La frequenza non è obbligatoria, ma fortemente consigliata

UNITÀ DIDATTICA 1: INTRODUZIONE AI SISTEMI OPERATIVI. IL SISTEMA GNU/LINUX. SYSTEM CALL. VIRTUALIZZAZIONE.

• Generalità sui sistemi operativi. Gestione delle risorse. Interfaccia utente. Concetto di Kernel.
• Struttura dei sistemi operativi: monolitici, stratificati, microkernel, moduli kernel, ibridi, client/server.
• Cenni su UNIX e sullo standard Posix.
• Il Sistema Operativo Linux. Gestione dei moduli kernel del sistema operativo Linux. File System in Linux
• Concetto di System Call e loro realizzazione. Panoramica delle system call di Unix/Linux.
• System call POSIX sui file. Esercitazioni su System call sui file.
• Virtualizzazione. Macchine virtuali.  Hypervisor di livello 1 e 2.  Esempi: Virtual Box.

UNITÀ DIDATTICA 2: PROCESSI E THREAD

• Concetto di Processo. Stati di un processo.
• Interruzioni hardware e software e loro gestione nei sistemi operativi.Context Switching.
  
• System call POSIX per creazione e gestione di processi: fork(), wait(), waitpid(). Famiglia delle exec().
• Segnali e loro gestione. Gestione segnali in Linux e limiti dei segnali. System call POSIX kill(), sleep(), pause(), alarm(), wait(), 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).
• La libreria Pthread. Funzioni pthread_create(), pthread_join(), pthread_exit(), pthread_detach, pthread_attr_init(). Cancellazione di thread. Esempi di programmi che usano la libreria Pthread.
• Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

UNITÀ DIDATTICA 3: SCHEDULAZIONE DELLA CPU

• Schedulazione della CPU. Obiettivi. Algoritmi classici: FIFO, Round-robin. Schedulazione basata su priorità. Schedulazione basata sulla prelazione. Il problema della Starvation. Code multiple.
• Scheduling di Linux: Completely Fair Scheduler.

UNITÀ DIDATTICA 4: GESTIONE DELLA CONCORRENZA E SINCRONIZZAZIONE.

• Concorrenza e sincronizzazione. Sezione critica. Mutua esclusione con attesa attiva. Semafori e Mutex.
• Semafori in Linux libreria System V: semget(), semop(), semctl().
• Mutex in Linux libreria POSIX Pthread: pthread_mutex_init, pthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock, pthread_mutex_destroy
• Problema classici di sincronizzazione: —Problema del produttore-consumatore che condividono un Blocco Dati, —Problema del produttore-consumatore con buffer di dimensione limitata, —Problema dei lettori-scrittori. Risoluzione di tali problemi tramite semafori e mutex.
• Cenni su Deadlock
• Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

UNITÀ DIDATTICA 5: INTER PROCESS COMMUNICATION (IPC)

• Introduzione alla Inter Process Communication (IPC). Code dei Messaggi, Shared Memory e Socket.
• IPC in Linux. Shared memory basata sulle librerie Linux System V: shmget(), shmat(), shmdt(), shmctl(). Comunicazione nei sistemi client-server basata su socket e sulle librerie POSIX: socket(), bind(), listen(), accept(), connect()
• Esercitazione sui contenuti della Unità Didattica

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

In alternativa: [2] Andrew S. Tanenbaum, “I moderni sistemi operativi", Pearson.

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.

La prenotazione all'esame è obbligatoria tramite il portale di Ateneo. La data di chiusura delle prenotazioni è fissata di norma alcuni giorni prima dell'esame, in modo da dare la possibilita' al docente di prenotare le aule informatiche di capacita' adeguata al numero degli iscritti.

L’esame si compone di una prova scritta, seguita da una prova orale. La prova scritta, della durata di 3 ore, è rappresentata da uno o più elaborati al calcolatore, del valore complessivo di 18/30 punti, e da una sezione teorica, composta da uno o più quesiti a risposta aperta, del valore complessivo di 12/30 punti. La prova scritta si intende superata se il voto è maggiore o uguale a 18/30.

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 orale è facoltativa e può essere svolta solo nello stesso appello in cui la prova scritta è stata superata. La prova orale verte sugli argomenti teorici svolti a lezione.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

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.