Sistemi Operativi (a.a. 2022-2023)

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Informazioni generali

CFU: 9
ore: 72
anno: 2°
semestre: 2°
inizio lezioni: 7 Marzo 2023

modalità: presenza
aula: 24
orario: 10-13
giorni: martedì – giovedì

requisiti: basi di programmazione, conoscenza dell’architettura di un calcolatore
propedeuticità: Architettura degli Elaboratori, Programmazione 1
docente: Prof. Mario Di Raimondo (A-L) / Prof. Mario Pavone (M-Z)
frequenza: non obbligatoria ma fortemente consigliata

Obiettivi

Il corso propone una completa introduzione alle problematiche relative alla progettazione dei moderni sistemi operativi. La parte teorica è integrata con riferimenti concreti ai sistemi operativi contemporanei ed è prevista una parte di laboratorio in cui sono curati gli aspetti implementativi attinenti il corso.

Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità  di comprensione (knowledge and understanding)

Lo studente sarà in grado di comprendere problematiche quali l’organizzazione di un sistema di calcolo moderno, la gestione delle risorse di un sistema di calcolo (memoria, CPU, dispositivi esterni), e la gestione e la sincronizzazione dei processi e dei thread in un sistema multiprogrammato e a condivisione del tempo. Tramite lo studio del kernel del sistema operativo Linux lo studente avrà una conoscenza pratica delle più moderne tecniche nel campo dei sistemi operativi.

Capacità  di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Lo studente sarà in grado di utilizzare le metodologie apprese per analizzare le prestazioni di un sistema operativo in un particolare contesto applicativo; saprà formulare alternative o proporre soluzioni originali a problemi legati al funzionamento dei sistemi di calcolo complessi; saprà porre e sostenere argomentazioni nell’ambito dei sistemi operativi, evidenziando vantaggi e svantaggi di particolari soluzioni implementative; infine, grazie alle conoscenze acquisite nella parte di laboratorio, potrà operare attivamente su un sistema operativo UNIX-like attraverso la shell di comando e, dal punto di vista della programmazione, attraverso le chiamate di sistema POSIX.

Autonomia di giudizio (making judgements)

Lo studente sarà in grado di seguire i trend moderni nell’ambito della progettazione di sistemi operativi; sarà in grado di raccogliere i dati necessari alla valutazione delle prestazioni di un particolare sistema operativo, e di interpretare i risultati della valutazione; infine, sarà in grado di elaborare i requisiti necessari alla progettazione di un nuovo sistema operativo, e di valutare l’efficacia di diverse soluzioni alternative.

Abilità comunicative (communication skills)

Lo studente acquisirà la capacità di comunicare ed esprimere problematiche inerenti l’oggetto del corso; sarà in grado di sostenere conversazioni su tematiche relative ai moderni sistemi operativi, di confrontare diversi sistemi operativi, e di offrire possibili soluzioni.

Capacità  di apprendimento (learning skills)

Lo studente avrà appreso le interazioni tra le tematiche dei sistemi operativi, della progettazione software, e dell’importanza di adeguati supporti hardware e questo gli consentirà di proseguire gli studi universitari con un elevato grado di autonomia.

Programma

Avviso pubblicato sul sito del DMI in data 29/09/2022:
“A partire dall’a.a. 2022-2023, per necessità relative all’aggiornamento tecnologico del programma, il corso di Sistemi Operativi (AL & MZ) vedrà una revisione dei contenuti relativi al laboratorio. Alcuni strumenti saranno rimossi (exec, dup, pipe, fifo, code di messaggi, segmenti di memoria condivisa, …) e altri saranno aggiunti (thread, lock, lock R/W, variabili condizione …). Tale modifica sarà applicata a partire dagli appelli della sessione estiva dell’a.a. 2022-2023 (Giugno 2023) a tutte le coorti e a tutti gli studenti.”

    Teoria
    • Introduzione al concetto di sistema operativo
    • Richiami sull’architettura degli elaboratori
    • Struttura di un sistema operativo
    • I processi: definizione, multiprogrammazione, stati e transizioni
    • I thread: definizione, modelli utilizzabili; programmazione multicore
    • Sezioni critiche e mutua esclusione: variabili di lock, alternanza stretta, soluzione di Peterson, istruzioni TSL/XCHG, semafori, mutex lock in spazio utente, futex, monitor, messaggi tra processi
    • Problema dei 5 filosofi e dei lettori-scrittori (soluzioni basate su semafori e monitor)
    • Scheduling: scheduler e dispatcher
    • Algoritmi di scheduling: progettazione, FCFS, SJF, SRTN, RR, a priorità, con code multiple, SPN, garantito, a lotteria, fair-share
    • Scheduling dei thread e su sistemi multi-processore
    • Gestione della memoria per la multi-programmazione: swapping, rilocazione, gestione dello spazio libero
    • Memoria virtuale: paginazione, tabella delle pagine, uso di memoria associativa, varianti multi-livello, tabella delle pagine invertita, conseguenze sulla cache
    • Algoritmi di sostituzione delle pagine: progettazione, ottimale, NRU, FIFO, seconda chance, clock, LRU, NFU, aging; anomalia di Belady
    • Altri aspetti legati alla gestione della memoria: allocazione dei frame, working set, controllo del carico, dimensione delle pagine, condivisione delle pagine, copy-on-write, zero-fill-on-demand, librerie condivise, mappatura di file, slab allocator
    • File-system: astrazione, file, directory
    • Progettazione di un file-system: allocazione dei file (contigua, concatenata, tabellare e indicizzata), directory, hard/soft-link, gestione blocchi liberi (con bitmap e con lista concatenata)
    • Altri aspetti tecnici sui file-system: controlli di consistenza,  journaling; cache del disco
    • Scheduling del disco e relativi algoritmi: FCFS, SSTF, algoritmo dell’ascensore, variante circolare
    • Sistemi RAID: principi di base, RAID-[0,1,2,3,4,5]
    • Memorie flash, dischi a stato solido (SSD) e implicazioni sui file system
    Laboratorio
    • Gestione dell’I/O su file, chiamate di servizio relative al file-system e alla mappatura dei file in memoria
    • Gestione dei processi e dei thread: creazione e coordinamento tramite attesa
    • Coordinamento tramite mutex/lock, semafori contatori, variabili condizione (in stile monitor), lock per reader/writer e barriere
    • Accenno ai segnali sui sistemi UNIX

    Il programma delinea in modo generico i contenuti trattati durante il corso: per ulteriori dettagli è possibile consultare le diapositive usate durante le lezioni. Tutto ciò che è stato esposto a lezione sarà oggetto di valutazione durante l’esame.

    Tutti i contenuti NON sottolineati sono da intendersi come facenti parte delle conoscenze minime richieste per il superamento dell’esame.

    Risorse

    Il materiale didattico utilizzato nell’a.a. passato è riconoscibile dal link barrato: durante l’anno questo potrebbe subire modifiche e aggiornamenti. Il materiale aggiornato che verrà man mano pubblicato sarà riconoscibile dal link non barrato.

      Libri

       I moderni sistemi operativi (quarta o quinta edizione)

      autori: Andrew S. Tanenbaum, Herbert Bos
      casa editrice: Pearson 
      anno di pubblicazione: 2016 / 2023 
      ISBN: 9788891912695 / 9788891931955

      Sistemi operativi – Concetti ed esempi (nona edizione)

      autori: Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne
      casa editrice: Pearson 
      anno di pubblicazione: 2014 
      ISBN: 9788865183717

      Tutti i testi sono disponibili presso la biblioteca del DMI.

      Proiezioni

      Le proiezioni viste a lezioni sono disponibili sul repository GIT pubblico del corso.

      Esempi

      Gli esempi di laboratorio visti a lezioni sono disponibili sul repository GIT pubblico del corso.

      Sono anche disponibili alcuni esempi e compiti di laboratorio svolti nell’ambito delle attività di tutorato del corso. Tali codici non sono però stati revisionati dai docenti del corso.

      Esercizi

      Gli esercizi proposti durante le lezioni e il tutorato sono disponibili sul repository GIT pubblico del corso.

      Compiti

      I compiti passati di laboratorio attinenti ai nuovi contenuti introdotti nell’a.a. 2022-2023 (leggi “pthread”) sono disponibili sul repository GIT pubblico del corso. Tra il materiale delle precedenti edizioni del corso sono comunque disponibili altri compiti d’esame ma alcuni degli strumenti impiegati sono stati dismessi nella nuova edizione del corso.

      Tra il materiale messo a disposizione dai tutor del corso sono disponibili alcune soluzioni a compiti d’esame recenti.

      Risorse esterne

      Esame

      L’esame finale prevede, esattamente in quest’ordine, le seguenti prove da superare:

      • prova di teoria: si tratta di un questionario, con risposte a scelta multipla e/o aperte, su argomenti relativi alla teoria ed esercizi; superato questo si sosterrà un colloquio orale sugli stessi argomenti;
      • prova pratica di laboratorio: si tratta di una sessione di laboratorio in cui lo studente dovrà scrivere un programma in linguaggio C che risolva un problema proposto facendo uso dei costrutti e delle chiamate di sistema UNIX viste a lezione; si lavorerà in un ambiente ad-hoc in cui sarà possibile consultare solo la documentazione di sistema e le proiezioni viste a lezione.

      La prova scritta di teoria riceverà una valutazione del tipo “ammesso/non ammesso” all’orale: quest’ultimo, se ritenuto sufficiente, porterà ad una valutazione finale sulla parte teorica in trentesimi. Superata la teoria si potrà accedere alla prova di laboratorio che, a sua volta, avrà una propria votazione in trentesimi. Il voto finale si baserà sulla media pesata dei voti ottenuti sulle due parti del programma (65% teoria, 35% laboratorio): l’esatto arrotondamento e l’eventuale assegnazione della lode rimane a completa discrezione della commissione.

      La prova scritta e il colloquio orale vanno superati nell’ambito dello stesso appello; la prova pratica, in genere fissata in una data distinta, può essere sostenuta nello stesso appello o anche in un appelli successivi. E’ pertanto possibile superare tutte le prove nell’ambito di un unico appello ufficiale o decidere di sostenerle a cavallo di appelli distinti (scritto+orale in un appello, laboratorio in un altro). Il voto sulla parte di teoria, se non completato con il laboratorio, avrà comunque una scadenza: Maggio 2024. Superata la teoria (scritto+orale), se lo studente è insoddisfatto del voto ricevuto per il laboratorio, può ripetere quest’ultima prova in un appello successivo mantenendo la votazione sulla teoria.

      Per poter sostenere una qualunque prova in un dato appello è obbligatorio prenotarsi sul portale SmartEdu, indicando le prove da sostenere nel campo note (teoria e/o laboratorio). Se si sostengono le prove in appelli distinti, è necessario prenotarsi ad ogni appello. In caso di assenza per cause di forza maggiore lo studente deve avvisare il docente il prima possibile. In caso di mancata comunicazione, l’assenza verrà regolarmente verbalizzata sul portale d’Ateneo.

      Nella data dell’appello riportata sul calendario esami si terrà sempre la prova scritta di teoria; la prova orale si terrà qualche giorno dopo (da 1 a 5 giorni, in base al numero di elaborati da correggere) e la data esatta, unitamente a quella della prova di laboratorio, sarà comunicata successivamente allo scritto con un apposito avviso.

      Gli studenti ERASMUS stranieri in visita presso il nostro Ateneo, tenendo conto delle difficoltà linguistiche e dei ristretti periodi di permanenza, possono superare l’esame sostenendo direttamente il colloquio orale sulla teoria (senza scritto) e, superato questo, la prova pratica in laboratorio (anche in appelli distinti). Il colloquio, su richiesta, si potrà sostenere anche in lingua Inglese.