Grundlagen der Betriebssysteme

Praktische Einführung mit Virtualisierung

Stefan Bosse

Universität Koblenz - FB Informatik

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung ::

C Programmierung

Die Grundlagen, um aus einem Quellcode mit einfachsten Mitteln eine ausführbare Datei zu generieren

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Literatur

Literatur

Jürgen Wolf, René Krooß

Grundkurs C

3., aktualisierte und überarbeitete Auflage 2020

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: C Compiler

C Compiler

Es gibt verschiedene Compiler. Folgende Auswahl sind bekannte und weniger bekannte C Compiler:

GCC aus GNU GCC: Der C-Compiler GCC aus der GNU Compiler Collection (kurz: GCC) wird auf vielen Plattformen verwendet und ist sehr beliebt, um neue Funktionen auszuprobieren. Unter Linux ist er für gewöhnlich die erste Wahl. Unter Windows steht die Portierung MinGW (Minimal GNU for Windows) zur Verfügung. Allerdings ist MinGW besonders unter Windows 10 nicht einfach zu installieren.

Clang der LLVM: Clang aus dem LLVM-Projekt ist der C-Standard-Compiler für die macOS-Entwicklung schlechthin, mit einer sehr guten Unterstützung für C11 und C18. Aber auch für Linux können Sie diesen Compiler kostenlos nachinstallieren.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: C Compiler

C Compiler

Pelles C: Diese schlanke Entwicklungsumgebung für Microsoft Windows verwendet eine modifizierte und erweiterte Version des LCC-Compilers mit Unterstützung für C11 und C18 und dürfte somit die erste Wahl für die reine Programmierung in C unter Windows sein.

Microsoft Visual Studio: Diese Entwicklungsumgebung ist der Standard schlechthin für Windows-Anwendungen. Mittlerweile können Sie sogar Apps für macOS oder Smartphones erstellen. Visual Studio eignet sich nur bedingt für diesen Kurs (oder gar nicht), weil es für die einfachen Beispiele schlicht »überdimensioniert« ist und darüber hinaus vierstellige Beträge kostet. Eine Installation benötigt bis zu 10 GB Festplattenspeicher.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: C Workflow und Toolchain

C Workflow und Toolchain

Der Workflow (und die Toolchain) ist i.A. nicht monolithisch, sondern besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Schritten mit eigenen Programmen.

Typischer C Workflow: Präprozessor CPP → C Compiler CC → Assembler ASM → Linker LD

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: C Workflow

C Workflow

Präprozessor

Der Präprozessor ist eine Krücke um den C Programmcode anpassbar und konfigurierbar zu machen.
Die Präprozessorsprache ist unabhängig von C und bietet Makrodefinition und Substitution sowie konditionale Codeblöcke

Makros

#define X 1
#define PRINT2(a,b) \
        printf("%d:%d",a,b)
#define LINUX 1
int x=X;

Konditionale 1

#ifdef LINUX
 XXX
#endif
#ifdef LINUX
 XXX
#else
 YYY
#endif

Konditionale 2

#if (X > 0)
  #define XSIGN 1
#else
  #define XSIGN 0
#endif
#if (X > 0)
  unsigned int x;
#else
  signed int x;
#endif

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: C Workflow

Präprozessor

+</p>

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Der C-JS Transpiler

Der C-JS Transpiler

In diesem Kurs wird C mittels eines C-JavaScript Transpilers geübt un erprobt.

Der C-JS Transpiler besteht aus folgenden Komponenten:

Ein gebündelter C Lexer und Parser (handwritten, Token und RegEx-basiert). Ausgabe ist ein Abstrakter Syntaxgraph.
Ein C-JS Generator mit Typprüfer. Ausgabe ist audführbarer JS Code.
Eine Ausführungsfunktion für den transpilierten Code.

Der generierte JS Code ist lesbar und kann eingesehen werden um ein tieferes Verständnis eines C Programms zu erhalten. Alles dreht sich um ein zentrales Speichermodell und Zugriff darauf.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Der C-JS Transpiler

Der C-JS Transpiler

Aufbau des C-JS Transpiler mit optionalen inkrementellen Kompilieren

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Variablen und das Speichermodell

Variablen und das Speichermodell

Die C Programmiersprache implementiert ein prozedurales und imperatives Programmiermodell mit zustandsbehafteten Variablen und zustandsänderndern Operationen inklusive Funktionen.

Daten werden durch Variablen verwaltet. Eine Variable ist gekennzeichnet durch:
- Wert ε
- Name name
- Speicheradresse (Beginn) σ
- Datengröße (Länge) δ

Eine Variable bezeichnet durch name befindet sich im Speicher Σ, formal ausgedrückt:

${v}{a}{r}{\left({n}{a}{m}{e}\right)}\Leftrightarrow{\left\lbrace\sigma,\delta,\epsilon\right\rbrace}\\ {v}{a}{r}{\left({n}{a}{m}{e}\right)}\Rightarrow{B}{l}{o}{c}{k}{\left(\sigma,\sigma+\delta\right)}\\ {B}{l}{o}{c}{k}{\left({a},{b}\right)}\Rightarrow{{\left[\epsilon\right]}_{{a}}^{{b}}}\in\Sigma$

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Variablen und das Speichermodell

Variablen und das Speichermodell

Eine Vielzahl von Variablen können hintereinander oder beliebig verteilt im Speicher Σ platziert werden.
- Es gibt keine Regel wie Variablen im Speicher angeordnet werden
- Die Platzierung kann zur Kompilierungszeit oder zur Laufzeit erfolgen
- Statische Speicherbelegung versa dynamischer

┌―――――――┐      ┌―――――――┐             
│ x     │      │       │             
├―――――――┤      ├―――――――┤             
│ y     │      │ z     │             
├―――――――┤      ├―――――――┤             
│ z     │      │       │   int x,y,z;
├―――――――┤      ├―――――――┤             
│       │      │ x     │             
│       │      ├―――――――┤             
│       │      │       │             
│       │      ├―――――――┤             
│       │      │ y     │             
└―――――――┘      └―――――――┘

Zwei verschiedene Speicherallokationen für die Variablen x,y,z: Linear fortlaufend versa verstreut

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Speichermodell C-JS Transpiler

Speichermodell C-JS Transpiler

DS: Das Datensegment welches den Heap (globale Variablen) und den Stack (lokale Variablen) beinhaltet.

CS: Anders als in C wo Funktionen Maschinenkode sind und im Speicher ebenfalls gespeichert werden, werden hier C Funktionen als normale JS Funktionen implementiert. Um Funktionszeiger (kommt noch) zu ermöglichen ist das Codesegment CS nur eine Indextabelle mit "virtuellen" Adressen von Funktionen, also eine Lookup Tabelle.

CSI: Reverse lookup Tabelle

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Speichermodell C-JS Transpiler

Speichermodell C-JS Transpiler

Speichermodell des CJS Transpilers, DS: Datensegment, CS: Code Funktion Index Tabelle, CSI: Inverse CS Tabelle

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Definition versa Deklaration

Definition versa Deklaration

Definition: Einführung eines Bezeichners (Variable, Funktion) mit Speicherallokation und Festlegung des Datentyps oder der Typsignatur

Deklaration: Bekanntgabe eines Bezeichners (Variable, Funktion) ohne Speicherallokation und Festlegung des Datentyps oder der Typsignatur

Typdefinition: Einführung und Bekanntgabe eines benutzerdefinierten Datentyps (Structure, Enumeration)

int x;                          extern int x;
int foo(int x) { return x };    int foo(int x);
                                extern int foo(int x);

(Links) Definition (Rechts) Deklaration

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Symbole in C

Symbole in C

Ein Symbol ist durch einen Namen (lexikalische Folge aus Textzeichen) und einer operationalen Semantik gekennzeichnet.

Es gibt folgende Symbolklassen:

Bezeichner (benutzerdefiniert)
Reservierte Schlüsselwörter
Literale
Begrenzer

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Symbole in C

Bezeichner in C

Bezeichner sind Namen für Objekte in einem Programm, die vom Programmierer festgelegt werden können, etwa Variablen, Funktionen usw. Für die Namen für gültige Bezeichner gelten folgende Regeln:

Namen können aus Buchstaben aus dem Basis-Ausführungszeichensatz, Ziffern und Unterstrichen bestehen.
Das erste Zeichen darf keine Zahl sein. Ein Bezeichner darf also nur mit einem Buchstaben oder einem Unterstrich beginnen. Zeichen wie @ oder der (Back-)Slash sind bei manchen Compilern nicht erlaubt.
Es wird zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden (engl.: case sensitive). Somit sind fun, Fun und FUN drei verschiedene Bezeichner.
Als Bezeichner darf kein reserviertes Schlüsselwort von C verwendet werden.

int osMinorVersion2=1;
int main(int x) { .. };
struct node { .. };

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Symbole in C

Reservierte Bezeichner

Auf Bezeichner, die mit zwei sequenziellen Unterstrichen oder einem Unterstrich, gefolgt von einem Großbuchstaben beginnen, sollte verzichtet werden, weil sie für C-Implementierungen reserviert sind.

Bezeichner wie __asdf sind für gewöhnlich für Compiler-Zwecke, Bezeichner wie _Asdf für Betriebssystem- und Bibliotheken gedacht.

Bei gcc kann die Liste von vordefinierten Bezeichnern (mit Werten) mittels echo | gcc -dM -E - ausgegeben werden:

__UINT8_MAX__   0xff
__unix          1
__INT_WIDTH__   32

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Symbole in C

Reservierte Schlüsselwörter

Reservierte Schlüsselwörter dürfen nicht als Bezeichner verwendet werden (auch nicht in Feld- und Attributenamen),

auto     break    case    char    const  continue   default  do       double     
else     enum     extern  float   for    goto       if       int      long
register return   short   signed  sizeof unsigned   void     volatile  while

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Datentypen

Datentypen

Wir unterscheiden folgende Datentypen in C:

Nicht nutzerdefinierbare Kerndatentypen (zunächst Skalarwerte):
- Ganzzahlige Werte (long,int,short)
- Gleitkommawerte (double,float)
- Bytes und Textzeichen (char)
- Referenzen auf Variablen und Funktionen, Pointer (*)
Benutzerdefinierte Aggregate
- Datenstrukturen/Records (typedef, struct)
- Arrays von Datenstrukturen oder Kerndatentypen (t[],* t)
Datentypmodifizierer
- Vorzeichen (signed,unsigned)
- Länge (long,short)

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Boolescher Datentyp

Boolescher Datentyp

In C gibt es keinen Booleschen Datentyp. Aber dieser kann einfach mit einer Ganzzahl implementiert werden. Dazu verwendet man eine Enumeration.

Eine Enumeration definiert eine Wertemenge die i.A. einen Bezeichner mit einem Ganzzahlwert verknüpft.
Enumerationen sind i.A. autonummeriert.

enum bool_vals {false,true};
typedef enum bool_vals bool;
bool b1=false;

Hier ist enum die eigentliche Enumeration, mittels typedef wird aus der Wertemenge bool ein neuer Datentyp.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Enumerationen

Enumerationen

Eine Enumeration definiert eine Wertemenge die i.A. einen Bezeichner mit einem Ganzzahlwert verknüpft.
- Der "echte" Datentyp einer Ennumeration ist i.A. Integer (int)

enum <ennumname> {
  C1,
  C2=<expressio>,
  ..
};

Eine Eumeration führt konstante benannte Werte ein


#define C1 0
#define C2 <expression>
...

Alternative mit Präprozessor Makrodefinitionen

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Variabledefinition

Variabledefinition

<datentypmod> <datentyp> <name>;
<datentypmod> <datentyp> <name> = <initval>;

+</p> </div>

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Begrenzer

Begrenzer

Um einzelne Symbole voneinander zu trennen, werden sogenannte Begrenzer benötigt.

Begrenzer	Bedeutung
Semikolon (;)	Dient als Abschluss einer Anweisung. Jeder Ausdruck, der mit einem Semikolon endet, wird als Anweisung behandelt. Der Compiler weiß dann, dass hier das Ende der Anweisung ist, und fährt nach der Abarbeitung dieser Anweisung mit der nächsten fort.
Komma (,)	Mit dem Komma trennen Sie für gewöhnlich gleichartige Elemente, z. B. können Sie mehrere Variablen für Ganzzahlen so definieren: `int minSp, maxSp, startSp;`
geschweifte Klammern ({})	Zwischen den geschweiften Klammern wird ein Anweisungsblock zusammengefasst. In diesem befinden sich alle Anweisungen (abgeschlossen mit einem Semikolon), die ausgeführt werden sollen.
Gleichheitszeichen (=)	Das Gleichheitszeichen `=` steht in C für eine Zuweisung, z. B. in `int maxSpieler = 500;`

Einfache Begrenzer in C

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Speicherbedarf

Speicherbedarf

Eine Variable belegt immer einen Teil des Datenspeichers, auch bei Zeigervariablen (kommen noch).

Speicherbedarf mit sizeof ermitteln
Wenn die Größe eines Typs oder einer Variable benötigt wird, wird der sizeof-Operator verwendet.

Dieser gibt in der Regel die Größe des Operanden in Bytes zurück und wird beispielsweise bei der dynamischen Speicherreservierung verwendet, oder wenn Sie Programme schreiben, die auf andere Plattformen portierbar sind.

Wie viel Speicherplatz ein Variablentyp letztlich benötigt, ist implementierungsabhängig.

int x;
int szx=sizeof(x);
int szint=sizeof(int);

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Wertebereiche von Datentypen

Wertebereiche von Datentypen

Alle Datentypen können anders als in der Mathematik nur eine diskrete und endliche Menge von Werten darstellen (kodieren).

num2017 Wertebereiche von Ganzzahl- und Gleitkommazahlen in C. Die Bytereihenfolge ist prozessor- und betriebssystemabhängig!

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Konstanten

Konstanten

Benötigen Sie einen unveränderbaren Wert, können Sie eine Konstante verwenden.

Der Sinn und Zweck einer solchen Konstanten ist es, dass der Wert zur Laufzeit des Programms nicht mehr verändert werden kann.
Das Gegenstück zu einer Konstanten ist eine Variable.
Eine Konstante definiert man, indem vor den eigentlichen Datentyp das Schlüsselwort const gesetzt wird (Typqualifikator als Modifizierer, als Alternative zur Makrowertdefinition für den Präprozessor)

#define N2 100
const int N1 = 100;
int x1 = N1;
int x2 = N2;

Vorteil: "read only" Semantik, der Wert von konstanten "Variablen" kann zur Kompilierungszeit substituiert werden und benötigt keinen (Heap/Stack) Speicher.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Lebensdauer und Sichtbarkeit von Variablen

Lebensdauer und Sichtbarkeit von Variablen

Die Lebensdauer einer Variablen gilt immer bis zum Ende des Anweisungsblocks (Bezeichnerkontext, Scope), in dem sie definiert wurde. Dazu ein einfaches Beispiel:

int x=1,y=2;
if (x>0) {
  int x=2;
  printf("x=%d y=%d\n",x,y);
}
printf("x=%d y=%d\n",x,y);

Die Variable x gibt es tatsächlich zweimal.
Am Ende vom Blockkontext ist nur der äußere Kontext sichtbar, d.h. hier die ersten x und y Variablen, im tieferen Kontext wird x überlagert (überschattet), aber y kann aus dem äußeren Kontext verwendet werden.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Lebensdauer und Sichtbarkeit von Variablen

Lebensdauer und Sichtbarkeit von Variablen

Lokaler Blockscope

+</p> </div>

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Referenz- versa Wertsemantik

Referenz- versa Wertsemantik

Wir unterscheiden:

Wertsemantik ⇒ Eine Variable liefert immer ihren Wert, aber nicht ihre Kontainereferenz

x=100
function foo(u) {
  u=200
}
foo(x)
// x==100!

Referenzsemantik ⇒ Eine Variable wird über ihre Referenz ihres Kontainers (oder Wertes), also letztlich einer Speicheradresse benutzt.

x=100
function foo(reference u) {
  u=200
}
foo(x)
// x==200!

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Referenz- versa Wertsemantik

Die Unterscheidung beider Semantiken kann verwirrend sein. Insbesondere in C. Hier unterscheiden wir Wert- und Zeigervariablen.

Das pardoxe in C ist aber: Auch Zeigervariablen (werden noch eingeführt) unterliegen der Wertsemantik. In C gibt es nur Wertsemantik!. Das ist i.A. typisch für statisch typisierte Programmiersprachen.
Dynamisch typisierte Programmiersprachen können teils wert- teil referenzbasiert sein.

Welche Programmiersprachen unterstützen echte Referenzsemantik bei Funktionsparametern?

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Kontrollanweisungen

Kontrollanweisungen

Bedingte Verzweigung

if (ε) { 
  .. 
}
if (ε) { 
 ..
} else { 
 .. 
}

Mehrfachauswahl

switch (ε) {
  case c1: 
    .. 
    break;
  case c2: 
    .. 
    break;
  case c3: 
    .. 
    break;
  default : 
    ..
}

Schleifen

for(i=ε;i<ε;i=ε(i)) { 
  .. 
} 
while (ε) { 
  .. 
} 
do { 
  .. 
} while (ε)

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Schleifen

Schleifen

Man unterscheidet:

Zählschleife for(start;condition;update) mit drei integrierten Anweisungen: Einer Initialisierung (einer oder mehrere Zählvariablen), einer Schleifenbedingung die vor jedem Durchlauf getestet wird (i.A. der Zählvariable), und einer Update Anweisung die nach jedem Schleifendurchlauf ausgeführt wird (i.A. Veränderung der Zählvariable).
Abweisende Schleife while(condition) die abhängig von der Schleifenbedingung niemals, einmal oder mehrmals den Schleifenkörper ausführt (Test vor Schleifendurchlauf).
Eine nicht abweisende Schleife do {} while(condfition) die mindestens einmal den Schleifenkörper ausführt (Test nach jedem Schleifendurchlauf).

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Beispiele von Kontrollanweisungen

Beispiele von Kontrollanweisungen

+</p>

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Goto Hell

Goto Hell

Goto ist eine reine Sprunganweisung zu einem symbolischen Label an anderer Stelle im Programm (unbedingter Sprung).
Goto ist ein Relikt aus alten (Assembler) Zeiten und reduziert die Lesbarkeit und erhöht die Fehlerwahrscheinlichekit von Programmen.
Goto kann vorwärts oder rückwärts im Programmfluß verzweigen.

Goto sollte nur sparsam (wenn überhaupt) verwendet werden und nut vorwärts verzweigende.

Modernes (vorwärts) Goto: Exceptions!
Aber: Goto kann die Lesbarkeit und Nachvollziehbarkeit von Programmen auch erhöhen wenn es keine Exceptions gibt, wie das in C der Fall ist.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Goto Heaven

Goto Heaven

Die Bearbeitung von Ein-Ausgabe Aufgaben, d.h. die Kommunikation mit Peripheriegeräten, ist i.A. mehrschrittig.
- Bei den einzelnen Schritten kann es zu Fehlern kommen (z.B. Timeout).
- Nach jeder Teiloperation wird der Status abgefragt, und wenn ein Fehler aufgetreten ist dann wird zum Ausgang der Hauptoperation und einer Fehlerbehandlung verzweigt.

Goto nur als Ersatz für Exceptions benutzen.

Eine Ausnahme: Virtuelle Machinen und deren Instruktionsinterpreter. Hier kann die Verwendung von Goto vorwärts und rückwärts sinnvoll sein.

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Goto Heaven

#define EOK 0
#define EIO -1
int IOOP(...) {
  int status;
  status=dev_open(...);
  if (status!=0) goto error;  // raise Error
  status=dev_read(...);
  if (status!=0) goto error;  // raise Error
  status=dev_write(...);
  if (status!=0) goto error;  // raise Error
  status=dev_close(...);
  if (status!=0) goto error;  // raise Error
  return EOK;
error:
  dev_close(...);  // handle Error locally
  return EIO;  // raise EIO
}

Teilschrittige Ausführung einer EA Operation mit Fehlerbehandlung

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Goto Earth

Goto Earth

Der C2JS Transpiler kann kein Goto unterstützen da 1. JavaScript (zu Recht) kein Goto unterstützt und 2. C Anweisungsblöcke als JS Anweisungsblöocke implementiert werden (und dann wieder 1.).

Um C Goto zu unterstützen bräuchte man eine VM Loop die adressierte (Bytecode) Instruktionen verarbeitet - haben wir hier aber nicht.
Eine Krücke wäre nur die o.g. Struktur in eine try-catch-raise Struktur umzusetzen.

Analysiere den Kernel vom basekernel BS auf die Verwendung von goto (Üungsaufgabe)

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Funktionen

Funktionen

Eine Funktion besteht aus einem Namen, einer (optionalen) Liste von Funktionsparametern, dem Rückgabetyp, und dem Funktionsrumpf aus Anweisungen.

Der Funktionsrumpf ist ein Blocklevel Scope und kann neue lokale Variablen einführen, aber keine weitere Funktionen oder Typdefinitionen.

==== Definition ====
<rettype> <name>(<partype> <parname>,...) { ... };
==== (Vorwärts)Deklaration ====
extern <rettype> <name>(<partype> <parname>,...);
==== Aufruf ====
<name>(<argexpr>,<argexpr>,..)

Funktionsdefinition in C

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Stefan Bosse - Grundlagen der Betriebssysteme - Modul A C Programmierung :: Beispiele von Funktionen

Beispiele von Funktionen

+</p>

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