Synthèse os

bac2/os/synthèse/syntheses.tex

@@ -0,0 +1,389 @@
+\documentclass{article}
+
+\usepackage[utf8]{inputenc}
+\usepackage[T1]{fontenc}
+\usepackage[french]{babel}
+\usepackage{graphicx}
+\usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm}
+
+\title{Synthèse Système d'éxploitation}
+\author{Debucquoy Anthony}
+
+\begin{document}
+
+\maketitle
+\tableofcontents
+\newpage
+
+Ce document est une synthèse du cours de système d'exploitation. Il n'est pas complet et ne 
+peut pas se substituer à une lecture du document originale. Il permet toutefois de lister les
+diffèrents points et d'y accompagner une brève explication.
+
+\section{Events}
+
+Un programme est composé:
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Du code machine}: exécuté par la machine
+	\item \textbf{D'un espace de données}: Stock les données statiques et dynamiques
+	\item \textbf{D'une stack}: Stoque les variables locales et les appels 
+\end{itemize}
+Ces composants se trouvent dans un "espace d'adresssage" commun et sont liés logiquements par le
+biais d'appels (lw, j, ...)
+
+\begin{figure}[h]
+	\centering
+	\includegraphics[width=0.8\textwidth]{prog_components.png}
+	\caption{Composents d'un programme}
+\end{figure}
+
+Lors de l'éxécution, les composents sont placés dans la mémoire afin d'y être accésible par le processeur.
+L'entièretée d'un programme est alors définie par 4 éléments:
+
+\begin{enumerate}
+	\item La valeur des registres
+	\item le contenu de la stack (et le pointeur vers son sommet)
+	\item L'espaces de données utilisés
+	\item L'IP (instruction pointer) 
+\end{enumerate}
+
+Nous pouvons alors sauvegarder l'état (instantané) du programme.
+
+
+\subsection{Gestion d'évènements}
+
+Nous distingons 2 types d'évènements traités par le processeur:
+\begin{enumerate}
+	\item erreur / exceptions: ayant une origine \textbf{interne}  au processeur
+		ex: division par zero, op-code invalide, right-fault, ...
+	\item evènement / interuptions: ayant une origine \textbf{externe} au processeur
+		ex: clavier, fichier pret, packet, clk, ...
+\end{enumerate}
+
+Suite à ces évènements, le programme sera mis en pause pour pouvoir traiter l'évènement. Puis 
+le programme pourra (ou non) reprendre son cours. Dans le cas d'un évènement \textbf{récupérable},
+le programme continue. Dans l'un cas d'un évènement \textbf{irécupérable}, le programme s'arrète.
+Pour que le programme puisse poursuivre, il faut sauvegarder son contexte. cette "snapshot" est
+placée sur la stack. (cette stack peut basculer vers une autre pendant l'évènement pour éviter
+de laisser la posibilitée au programme de récupérer des informations sur l'évent sans autorisation).
+Cette sauvegarde sert à la fois pour les programmes récupérable pour la reprise/poursuite mais également
+pour les programmes irécupérables, ces informations sont utiles au dévelopeur pour le debug de l'app.
+Il est également nécéssaire de libèrer les resources aloués.
+
+\subsection{Reprise ou poursuite}
+Lors que l'évènement à été pris en charge par le processeur, nous envisageons deux scénario.
+\begin{enumerate}
+	\item \textbf{reprise}: retente l'éxécution du IP
+	\item \textbf{pouruite}: passe à l'instruction suivante
+\end{enumerate}
+
+En générale, les intéruptions constituent tous des évènements récupérables avec poursuite.
+
+\subsection{Déroutement}
+
+Chaques architectures implémente sa propre méthode de déroutement. voici quelques examples:
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Registre de cause}: C'est un registre mis à jours lors d'une exception ou d'une
+		intéruption. au terme du cycle d'éxécution, le processeur consulte ce registre pour savoir
+		si un déroutement est nécéssaire et dans ce cas vers quel adresse.
+	\item \textbf{Vectorisation}: chaques évent est un numéro dans une table de descripteur(IDT). Ce
+		descripteur est l'adresse de la fonction de gestion de l'évènement.
+\end{itemize}
+
+\subsection{Niveau de privilège}
+
+Le jeu d'instruction du processeur contient des instructions "système" qui ne sont pas accésibles en
+principe à tout les utilisateurs. Un programme typiquement fait appel à l'OS qui à son tours fait
+les appels systèmes. on parle de ring 3/0 (0 étant le plus privilégié/OS)
+
+\subsection{Basculement de stack}
+
+Lors d'un déroutement, L'os utilise son propre stack. (après avoir sauvegardé le contexte du
+programme) ainsi, le programme ne peu pas accéder a son contenu lors de la continuation.
+
+\subsection{Multiple évènements}
+Lorsque plusieurs évènements surviennents, la prioritée est : Abandon > Reprise > Poursuite.
+Il est également envisageable qu'un évènement survienne pendant la gestin d'un autre évènement. Dans
+ce cas, étant donné que nous utilisons le stack pour le stockage du contexte du programme, il est
+tout à fait envisageable d'utiliser ce même stack pour le stockage du contexte de la gestion du dit
+évènement. Nous avons alors une imbrication des évènement à la manière de fonctions récursives.
+Dans le cas ou nous authorisons plusierus évènements à dérouter en même temps, il peut être
+nécéssaire d'implémenter un ordre de priorité. Pour ce faire une solution est d'utiliser un masque
+d'interruption. Un évènement place alors les bits de sa prioritée. un évènement postèrieur est
+déclencher ou non selon son propre masque de priorité.
+
+\section{Memoire}
+
+Nous avons vu qu'un programme étais composé de trois compostantes: le code machine, l'espace de
+données et le stack. Ces composantes sont liées logiquement au sein du programme à l'aide d'adresse.
+(branchements, ...). Deux problèmes se posent alors:
+
+\begin{enumerate}
+	\item \textbf{La concurence d'adresse}: Il est possible que les adresses choisies soient déjà
+		utilisées par un autre programme. Il est également important de vérifier quelles mémoires
+		sont accédées pour éviter qu'un programme accède à des donnes ne lui appartenant pas. 
+	\item \textbf{Gestion de la mémoire disponible}: L'OS doit savoir quelle partie de la mémoire
+		est libre et quelle partie est utilisé.
+\end{enumerate}
+
+Il nous faut résoudre ces problèmes de manière efficace et performante. car ces opérations sont les
+plus utilisées
+
+\subsection{Projection et protection}
+
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Adressage absolu}: Cas de figure le plus directe. Les adresses du programmes sont
+		copiées précisément aux adresses de la mémoire choisies au moment de la compilation.
+		Le programme fonctionne alors parfaitement. Si certaine des adresses du programme ne sont
+		pas libres, Nous pourions comprometre l'intègritée du système. Il n'est également pas
+		possible de vérifier si le programme accède a des adresse qui ne sont pas autorisées.
+	\item \textbf{Adressage relatif}: Nous définissons un décalage (offset) au démarage du
+		programme. Cet offset sera appliqué à tout les adresse utilisées dans le programme.
+		\begin{itemize}
+			\item \textbf{static}: Modifie les adresse en y ajoutant l'offset (adresse de base) à la
+				volée lors de la mise en mémoire. Pour celà, l'éxécutable doit contenir une table
+				contenant les emplacement des adresse à modifier. Cette aproche n'empèche toujours
+				pas l'accés à des adresse hors mémoire. De plus, les adresse générées pendant le
+				déroulement du programme ne seront pas corigées
+			\item \textbf{dynamique}: L'ajout de l'offset se fait à chaques accés mémoires pendant
+				l'éxécution. nous stockong également la \textbf{limite} (la taille du programme) qui
+				permet de vérifier, lors d'un accès mémoire, si cette addresse est inférieur à
+				limite. si ça n'est pas le cas c'est que le programme tente de d'accèder à une
+				adresse ne lui appartenant pas. dans le cas contraire, l'adresse est additionée à
+				\textbf{base}. Un avantage de cette aproche est que le programme peut à tout moment
+				être déplacer dans la mémoire en métant à jour \textbf{base} et \textbf{limit}. A
+				contrario, chaques appel mémoire demande deux opérations (une comparaison et une
+				addition). ajout non négligable même si ces opérations font partie des plus rapides
+				du procésseur
+		\end{itemize}
+	\item \textbf{Segmentation}: Le programme est ségmenté dans la mémoire physique. chaques
+		ségments est encodé dans un \textbf{déscripteur de ségment} à l'aide de sa \textbf{base} et
+		\textbf{limit} (il est également possible de stocker le type, la permission, la direction,
+		la présence et un champ pour savoir si l'adresse a été modifiée ultérieurement). ces
+		déscripteurs sont stocké dans une \textbf{table de segments} en mémoire physique. Pour
+		gagner du temps cette table est stocké dans un registre de sélécteur de ségment. 
+		Ces ségments sont crées à la compilation et la table de segments est liée au programme.
+
+		Un avantage de la ségmentation est \textbf{le partage de segment}. En effet, il est possible
+		pour plusieurs programmes de partager un segment de mémoire physique commun (ex: librairies).
+	\item \textbf{Pagination}: Meilleure solution pour la souplesse dans la gestion de mémoire. Nous
+		considérons deux espaces. La pagination repose sur un découpage uniforme de ces deux espaces (e.g. 4Kib, 4Mib). 
+		\begin{itemize}
+			\item \textbf{espace physique} : dont la taille dépend de l'architecture du processeur
+				(16/32/64 bits). Cet espace sera découpé en \textbf{pages} 
+			\item \textbf{espace virtuel} : dont la taille dépend du controlleur et de la quantitée
+				de mémoire disponible. Cet espace sera découpé en \textbf{cadre} 
+		\end{itemize}
+		Par conséquent, une page peut être contenue dans un cadre. Pour localiser l'endroit où une
+		page réside en mémoire physique, nous utilisons une \textbf{table des pages} (propre à
+		chaques programmes) \textbf{exhaustive} (contient une entrée pour chaques pages) et est
+		stockée dans la mémoire physique. L'MMU (\textit{Memory Management Unit}) s'occupe de la
+		traduction d'une page vers un cadre. La taille de la table des pages peut être trouvé par 
+		\[\text{Taille} = \frac{\text{Espace virtuel}}{\text{Taille de page}} \times \text{Taille d'une
+		entrée}\]
+		Chaques entrées dans la table des pages contient un numéro de cadre qui identifie l'adresse
+		du cadre occupé par la page en question.(Nous y accompagnons un bit de présence, permission,
+		référencée, modifiée).
+		Un accés mémoire par le procésseur sépare l'adresse virtuelle en deux parties, suivant la
+		taille de découpage. Nous avons donc une portion qui encode le numéro de page (utilisé en
+		indice dans la table des pages) ainsi que l'offset qui sera apliqué une fois l'adresse
+		physique trouvée. L'utilisation du bit de présence est expliqué ci-dessous, il permet en
+		effet l'éxécution d'un programme quelque soit la quantité de mémoire physique disponible
+		pour le stocker.
+\end{itemize}
+
+Les méthodes utilisant le \textbf{bit de présence}  permetent l'éxistance partielle d'un programme en mémoire.
+Dans le cas d'un appel vers une mémoire non présente, le processeur déclanche une \textbf{excéption}
+de type défaut de page qui va recharger la partie concernée en mémoire physique. Si au moins un
+cadre est disponible, il peut être pris. Si ça n'est pas le cas, un remplacmeent doit être
+effectué \ref{sec:Eviction} Eviction de page
+Il devra alors modifier les entrées base et limites en conséquence ainsi que mettre le bit de
+présence à 1.
+
+\label{sec:Eviction}
+L'éviction d'une entrée dans la table des pages prends en compte le bit \textbf{modifié}. Celà
+permet d'éviter de perdre du temps d'écriture car si la page n'est pas modifiée, elle est encore
+accècible. IL existe alors plusieurs stratégies d'évicitions:
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Least Recently Used}: Eviction de la page la moins utilisée. nécéssite de
+		connaitre le temps depuis le dernier accès 
+	\item \textbf{Not Recently Used} permet une simplification du LRU, un simple bit est tenu à
+		jours à la place du temps. 
+	\item \textbf{First In First Out}: la page la plus ancienne est choisie. une structure de type
+		\textit{FIFO} peut être utilisée. Il est également possible d'implémenter la stratégie de la
+		\textbf{dernière change}. C'est à dire, d'implémenter l'utilisation du bit de référence
+		(régulièrement mis à jours par l'os) pour garder les pages régulièrement chargées. Il est
+		finalement possible d'implémenter une structure circulaire. 
+\end{itemize}
+
+la \textbf{Préemption} est le fait de libèrer de la mémoire d'un programme qui ne s'éxécute pas à
+l'instant pour la donner à un autre programme en cours.
+
+\subsection{Gestion de la mémoire physique}
+
+Le système d'exploitation doit pouvoir, à tout moment, connaitre l'état d'occupation de la mémoire
+physique. L'allocation de mémoire est alors plus dynamique.
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Bitmap}: tableau de bits, la mémoire physique est découpée en unités d'allocation
+		de taille constante. on place les bits respectifs selon si l'espace est aloué ou non.
+		\[\text{Nombres d'unités} = \frac{\text{Mémoire physique}}{\text{Taille d'une unité}}\]
+		\[\text{Taille du bitmap} = \frac{\text{Nombres d'unités}}{8}\]
+		Nous pouvons alors trouver le bit corespondant à une unitée en divisant l'adresse par la
+		taille d'une unitée. Il suffit alors à l'os de trouver des suites de bits consécutifs libre
+		pour alouer de la mémoire en conséquence.
+	\item \textbf{Liste chainée}: chaques noed est une plage d'adresse particulière. un champ
+		contient:
+		\begin{itemize}
+			\item état: libre ou aloué
+			\item base
+			\item longeur
+			\item suivant
+		\end{itemize}
+		Nous avons finalement une chaine d'état alternant entre libre et aloué. lorsqu'un programme
+		souhaite alouer une plage, il parcours la liste afin de trouver une plage libre dont la
+		taille est supérieur à celle demandée. et de crée une maille de la chaine avec l'état
+		aloué. lorsque nous avons deux états consécutifs, nous pouvons les fusioner en gardant
+		l'adresse du premier mayon et en sommant les longeurs.
+
+\end{itemize}
+
+\section{Processus}
+
+Un processus représente la mise en activité d'un programme qui réside en mémoire. (complétement ou
+partiellement). Ce processus va occuper un processeur en utilisant le context de sa stack lorsque
+son code sera en cours d'éxécution. Ces processus auront la capacitée de faire des appels systems
+(syscall) qui seront transmis à l'OS pour exécution. Il est donc nécéssaire d'alterner entre
+l'éxécution du processus et celui de l'os (notament pour les évènements/syscall).
+
+\begin{figure}[h]
+	\center
+	\includegraphics[width=0.8\textwidth]{process_exe.png}
+	\caption{Temps d'éxécution d'un processus}
+\end{figure}
+
+Le temps d'éxécution du programme augmente donc. Il est même souvent nécéssaire de partager le
+processeur avec d'autre programmes en cours d'éxécution. (\textit{interleaving})
+
+Tout les processus sont stockés dans la \textbf{table des processus} attaché à leurs état. Cet état
+peut être: \textbf{éxécution, pret, bloqué, zombie} et chaques processus contient un context
+nécéssaire à son fonctionnement. Il est également nécéssaire de sauvegarder l'état de la mémoire.
+(avec sa table des segments ou la table des pages). Finalement nous devons garder les divers
+descripteurs de resources (fichiers ouvers, ... et leurs status, décalage dans le fichiers, ...)
+
+L'\textbf{état} est un élément éssentiel pour le processus. Celui-ci est constament dans l'un des
+états décrits ci-dessous. Celà permet de savoir comment le processus est censé se comporter à un
+instant t. 
+
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{éxécution}: Le processus suis son éxécution courante. peut être utilisateur, où
+		les instructions du programme s'enchainent et passe en éxécution système lors d'un
+		évènement. Une fois cet évènement traité, le système redonne la main à l'utilisateur qui
+		peut continuer l'éxécution du programme. Il est également possible que l'évènement soit
+		irrécupérable. dans ce cas, le programme se termine est passe à l'état \textbf{zombie} 
+	\item \textbf{prêt}: le processus est pret à etre éxécuté mais le processeur est actuellement
+		occupé. une fois celui-ci libéré, il choisit (en fonction de méthodes discutés plus tard) un
+		processus à l'état prêt et commence son éxécution.
+	\item \textbf{bloqué}: Le processus ne peux pas continuer car il n'a pas les resources
+		nécéssaire. Il peut par example attendre un signal réseau, une touche clavier, ... une fois
+		cet élément reçu, le processus passe à l'état \textbf{prèt}. Le tout se fait pendant
+		l'éxécution d'un évènement. ce qui implique que le procéssus en cours donne la main au
+		système.
+	\item \textbf{Zombie}: Un processus à l'état zombie ne peux plus rien faire. Il donne son état à
+		son processus parent qui peut, une fois cet état reçu, terminer le processus.
+\end{itemize}
+
+Un procéssus peut créer à son tours d'autre processus (parents/enfants) Le système fonctionne alors
+sous forme d'arborescence de processus, tous défini par leurs entrée dans la table des processus.
+
+\begin{figure}[h]
+	\centering
+	\includegraphics[width=0.8\textwidth]{process_diag.png}
+	\caption{cycles de vie des processus}
+\end{figure}
+
+Suite à cet agencement, il est nécéssaire de trouver des méthode d'ordonnancement. Ces méthodes
+doivent s'assurer la bonne répartition du temps processeur qui sont pret. Nous en étudierons sous 3
+type des systèmes différents.
+
+Un point important à éviter est la \textbf{famine}. c'est à dire qu'une tache resterait à pret sans
+jammais se voir éxécuter.
+
+
+\subsection{systèmes batch}
+
+éxécute des taches de manière régulière. chaques tache est simples mais effectuée sur une quantitée
+importante de données. Les taches sont garantie de terminer et il est possible d'estimer le temps
+d'une tache donnée.
+Il faut alors une équité dans les resources distribuées.
+
+Nous regardons deux unitées. le \textit{Throughput}: nombre de taches par unité de temps, à
+maximiser; le \textit{Turnaround}: temps moyen entre création et terminaison, à minimiser.
+
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{First come first served (FCFS)}: Par ordre d'arrivé à l'état pret. Peut
+		s'implémenter à l'aide d'une file. cette méthode est équitable et évite la famine car toutes
+		les taches finirons par s'éxécuter. Mais ne garantis pas une utilisation optimale des
+	\item \textbf{Shortest job first (SJF)}: Nous pouvons éstimer la durée des tache (car batch)
+		donc nous pouvons priorisé les taches courtes. Cette stratégie minimise le turnaround mais
+		n'est pas équitable vis à vis des tache longues. nous avons un risque de famines. 
+	\item \textbf{Shortest Remaining Task First (SRTF)}: Nous gardons le temps restant d'éxécution
+		de chaques processus. l'ordre d'éxécution suis alors cette liste. 
+\end{itemize}
+
+\subsection{Systèmes intéractifs}
+
+Centré autours de l'utilisateur et l'intéraction. Nous voulons une équité entre les utilisateurs et
+les resources utilisées. Nous utilisons les métriques suivantes: \textit{latence}: le temps qui
+s'écoule entre une action de l'utilisateur et la réaction du système, \textit{Proportionalité}
+en adéquation avec les attentes de l'utilisateur.
+
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{Round-Robin}: Le temps CPU est divisé en \textit{quantum} de temps de durée fixe.
+		Ces quantums sont distribués aux processus prets. Nous pouvons l'implémenter à l'aide d'une
+		liste cylindrique. l'Os configure un timer pour générer une intérruption à la fin du quantum
+		de temps pour passer à l'éxécution suivante. Cette stratégie garantit une répartition
+		équitable du CPU entre les procéssus. Il ne faut pas que le quantum soit trop bas car au
+		final il y aurais plus de temps nécéssaire à la commutation qu'à l'éxécution des processus.
+	\item \textbf{Priority Schéduling}: Mise en place d'un niveau de priorité par processus.  
+	\item \textbf{Guaranteed Scheduling}: A pour but une répartition du nombre de processs face à un
+		délai garanti.
+		\[\text{Délai garanti} = \frac{\text{Temps depuis sa création}}{\text{Nombre de processus}}\]
+		L'ordonnanceur réalise un suivi du temps d'éxécution par chaque processus.
+		\[\rho = \frac{\text{Temps reçu}}{\text{Délai garanti}}\]
+		L'ordonnancement se base alors sur la valeur minimale.
+	\item \textbf{Fair-share scheduling} : Deux niveau de round robin, un pour les utilisateurs et
+		un par processus d'un utilisateur. Celà permet une répartition équitable du temps CPU par
+		utilisateur.
+\end{itemize}
+
+\subsection{Systèmes temps réel}
+
+Système nécéssitant un controle du temps (réel) critique. Il se doit de réagir dans un temps
+déterminé. (example système de défense anti-missile scannant continuellement son périmètre.)
+Dans ces système. chaques évènements est précisément calibré pour être traités dans un temps
+impartis avec échéances strictes. Ce système est ordonnancable uniquement si
+\[\sum_{i=1}^m \frac{C_i}{P_i} \leq 1\]
+avec $P$ intervalle entre deux occurence d'évènements et $C$ Temps nécéssaire au traitement.
+
+\vspace{1cm}Un thread (processus léger) permet un découpage des traitement qui, au sein d'un processus, peuvent
+être effectué de mainère indépendante les uns des autres (\textbf{multi-threading} )
+Le coup de la gestion d'un thread est moindre que celui d'un processus. car celui-ci prends toutes
+les resources déjà alouées de son thread principal. Il suffit juste d'effectuer une allocation de
+mémoire pour héberger le stack du thread engendré. La continuation est nest rendu également plus
+simple.
+L'implémentation d'un thread peut se faire à deux niveaux.
+\begin{itemize}
+	\item \textbf{User-level}: l'os n'a pas conscience des threads, c'est à l'application de gérer
+		son ordonencement. Mais n'est pas très évicace faces aux évènements car un blocage
+		(ouverture de fichiers, ...) bloquera tout les autres threads
+	\item \textbf{Kernel-level}: la stratègie d'ordonencement apliqués aux processus est appliqué
+		aux threads. Le blocage n'a donc pas de conséquence sur les autres threads du même
+		processus.
+\end{itemize}
+
+\section{Concurence}
+
+\section{Systèmes de fichiers}
+
+\section{Entrées-sorties}
+
+\end{document}