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LB-02 · Betriebssysteme

OS-Kernkomponenten & Architektur

Kernel, Prozesse, Scheduling und Speicherverwaltung

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Was ein OS leistet

Das Betriebssystem vermittelt zwischen Hardware und Anwendungen.

Abstraktion: Programme müssen die Hardware nicht kennen
Ressourcenverwaltung: CPU, RAM, Datenträger, Geräte
Schutz & Isolation zwischen Prozessen und Nutzern

Kernel vs. Userspace

Der Kernel läuft privilegiert (Ring 0), Anwendungen laufen isoliert im Userspace (Ring 3).

Übergang über System Calls (kontrollierte Schnittstelle)
Absturz einer App reißt nicht das System mit
Treiber laufen meist im Kernel – daher kritisch für Stabilität

Kernel-Typen

Monolithisch Alles im Kernel (Linux). Schnell, aber Treiberfehler treffen den Kern.

Mikrokernel Nur das Nötigste im Kern, Dienste im Userspace. Robust, mehr Overhead.

Hybrid: Mischform (Windows NT, macOS/XNU)
Trade-off zwischen Geschwindigkeit und Isolation

Prozesse & Threads

Prozess Eigener Speicherraum, isoliert. Eigene Ressourcen.

Thread Läuft innerhalb eines Prozesses, teilt sich dessen Speicher.

Mehrere Threads ermöglichen Parallelität
Kontextwechsel kostet CPU-Zeit

Scheduling

Der Scheduler verteilt CPU-Zeit auf die lauffähigen Prozesse.

Bei einer CPU läuft nie wirklich alles gleichzeitig – der Scheduler wechselt nur sehr schnell.

Zeitscheiben (Time Slices) und Prioritäten
Preemptives Multitasking: OS kann Prozesse unterbrechen
Ziel: Fairness + Reaktionsfähigkeit

Speicherverwaltung

Jeder Prozess sieht seinen eigenen virtuellen Adressraum.

Virtueller Speicher entkoppelt Programm von physischem RAM
Paging: Speicher in Seiten (Pages) verwaltet
Auslagern auf Datenträger: Swap (Linux) / Auslagerungsdatei (Windows)

Dateisysteme

Windows NTFS (Rechte, Journaling), ReFS für große Volumes.

Linux / macOS ext4, XFS, Btrfs (Linux) · APFS (macOS).

Journaling schützt vor Inkonsistenzen bei Abstürzen
Berechtigungen sind Teil des Dateisystems

Ein-/Ausgabe & Treiber

Der Kernel spricht die Hardware über Treiber an
Interrupts melden Ereignisse an die CPU
Fehlerhafte Treiber sind eine häufige Absturzursache
Unter Linux erscheinen Geräte als Dateien unter /dev

Der Bootvorgang

Firmware → Bootloader → Kernel → Init-System – diese Kette solltest du kennen.

UEFI/BIOS startet den Bootloader
Der Bootloader lädt den Kernel
systemd bzw. Init startet die Dienste

Das Wichtigste

Kernel verwaltet Hardware und schützt Prozesse; Scheduling und virtueller Speicher schaffen die Illusion von Gleichzeitigkeit und unbegrenztem RAM.

Kernel privilegiert, Apps isoliert
Prozess = Isolation, Thread = Parallelität
Virtueller Speicher + Paging als Fundament