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MC504 Sistemas Operacionais

Prof. Dr. Eng. Isaías Bittencourt Felzmann

isaias@ic.unicamp.br

Campinas, 2s/2026

Serviços do SO

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Aviso Legal

The following set of slides are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Modifications were made for their use in conjunction with MC504. The original material is available at os-book.com .

Os direitos autorais do conjunto de slides a seguir pertencem a Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Foram feitas modificações para seu uso em MC504. O material original está disponível em os-book.com .

Este material foi elaborado com apoio de ferramentas de IA generativa como recurso auxiliar. O conteúdo foi revisado, validado e é de responsabilidade do docente.

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Serviços do Sistema Operacional

Os sistemas operacionais fornecem um ambiente para a execução de programas e serviços a programas e usuários
Um conjunto de serviços do sistema operacional fornece funções úteis ao usuário:

Interface com o usuário - Quase todos os sistemas operacionais possuem uma interface com o usuário (UI).

Varia entre Linha de Comando (CLI), Interface Gráfica de Usuário (GUI), tela sensível ao toque

Execução de programas - O sistema deve ser capaz de carregar um programa na memória e executá-lo, encerrando a execução de forma normal ou anormal (indicando erro)
Operações de E/S - Um programa em execução pode exigir E/S, que pode envolver um arquivo ou um dispositivo de E/S
Manipulação do sistema de arquivos - O sistema de arquivos é de particular interesse. Os programas precisam ler e escrever arquivos e diretórios, criá-los e excluí-los, pesquisá-los, listar informações de arquivos e gerenciar permissões.

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Serviços do Sistema Operacional

Um conjunto de serviços do sistema operacional fornece funções que são úteis ao usuário:

Comunicações – Processos podem trocar informações, no mesmo computador ou entre computadores em uma rede

As comunicações podem ocorrer via memória compartilhada ou por troca de mensagens (pacotes movidos pelo SO)

Detecção de erros – o SO precisa estar constantemente atento a possíveis erros

Podem ocorrer no hardware da CPU e de memória, em dispositivos de E/S, no programa do usuário
Para cada tipo de erro, o SO deve tomar a ação apropriada para garantir uma computação correta e consistente
Recursos de depuração podem melhorar significativamente a capacidade do usuário e do programador de usar o sistema de forma eficiente

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Serviços do Sistema Operacional

Outro conjunto de funções do SO para garantir a operação eficiente do próprio sistema por meio do compartilhamento de recursos

Alocação de recursos - Quando há múltiplos usuários ou múltiplos jobs executando simultaneamente, os recursos devem ser alocados a cada um deles

Muitos tipos de recursos - ciclos de CPU, memória principal, armazenamento de arquivos, dispositivos de E/S.

Registro (logging) - Para acompanhar quais usuários usam quanto e que tipos de recursos computacionais
Proteção e segurança - Os proprietários de informações armazenadas em um sistema de computador multiusuário ou em rede podem querer controlar o uso dessas informações; processos concorrentes não devem interferir uns nos outros

Proteção envolve garantir que todo acesso aos recursos do sistema seja controlado
Segurança do sistema contra agentes externos requer autenticação de usuário, estendendo-se à defesa de dispositivos de E/S externos contra tentativas de acesso inválidas

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Serviços do Sistema Operacional

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Interpretador de Linha de Comando

CLI permite a entrada direta de comandos
Às vezes implementado no kernel, às vezes por um programa de sistema
Às vezes múltiplas variantes implementadas – shells
Primariamente obtém um comando do usuário e o executa
Às vezes os comandos são embutidos, às vezes apenas nomes de programas

Neste último caso, adicionar novos recursos não exige modificação do shell

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Bourne Shell

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Interface com o Usuário - GUI

Interface gráfica baseada na metáfora da área de trabalho (desktop)

Geralmente mouse, teclado e monitor
Ícones representam arquivos, programas, ações, etc
Vários botões do mouse sobre objetos na interface causam várias ações (fornecer informações, opções, executar função, abrir diretório (conhecido como pasta)
Inventada no Xerox PARC

Muitos sistemas hoje incluem tanto interfaces CLI quanto GUI

Microsoft Windows é GUI com o CLI “prompt de comando”
Apple Mac OS X é a interface GUI “Aqua” com o kernel UNIX por baixo e shells disponíveis
Unix e Linux têm CLI com interfaces GUI opcionais (CDE, KDE, GNOME)

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Interfaces de Tela Sensível ao Toque

Dispositivos de tela sensível ao toque exigem novas interfaces

Mouse não é possível ou não é desejado
Ações e seleção baseadas em gestos
Teclado virtual para entrada de texto
Comandos de voz

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A Interface Gráfica (GUI) do Mac OS X

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Chamadas de sistema

Interface de programação para os serviços oferecidos pelo SO
Normalmente escritas em uma linguagem de alto nível (C ou C++)
Em geral acessadas pelos programas por meio de uma API de alto nível, em vez do uso direto de chamadas de sistema
As três APIs mais comuns são a Win32 API para Windows, a POSIX API para sistemas baseados em POSIX (incluindo praticamente todas as versões de UNIX, Linux e Mac OS X) e a Java API para a Java virtual machine (JVM)

Note que os nomes de chamadas de sistema usados ao longo deste texto são genéricos

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Exemplo de Chamadas de sistema

Sequência de chamadas de sistema para copiar o conteúdo de um arquivo para outro arquivo

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Exemplo de API Padrão

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Implementação de Chamadas de sistema

Normalmente, um número é associado a cada chamada de sistema

Interface de chamada de sistema mantém uma tabela indexada de acordo com esses números

A interface de chamada de sistema invoca a chamada de sistema pretendida no kernel do SO e retorna o status da chamada de sistema e quaisquer valores de retorno
O chamador não precisa saber nada sobre como a chamada de sistema é implementada

Basta obedecer à API e entender o que o SO fará como resultado da chamada
A maioria dos detalhes da interface do SO fica oculta do programador pela API

Gerenciada pela biblioteca de suporte em tempo de execução (conjunto de funções embutidas em bibliotecas incluídas com o compilador)

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API – Chamada de sistema – SO

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Passagem de Parâmetros

Frequentemente, são necessárias mais informações do que apenas a identidade da chamada de sistema desejada

O tipo e a quantidade exata de informação variam conforme o SO e a chamada

Três métodos gerais usados para passar parâmetros ao SO

Mais simples: passar os parâmetros em registradores

Em alguns casos, pode haver mais parâmetros do que registradores

Parâmetros armazenados em um bloco, ou tabela, na memória, e o endereço do bloco passado como parâmetro em um registrador

Abordagem adotada pelo Linux e pelo Solaris

Parâmetros colocados, ou empilhados, na pilha pelo programa e desempilhados da pilha pelo Sistema Operacional
Os métodos de bloco e pilha não limitam o número nem o tamanho dos parâmetros passados

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Passagem de Parâmetros via Tabela

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Exemplos de Chamadas de sistema do Windows e do Unix

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Exemplo da Biblioteca Padrão do C

Programa em C invocando a chamada de biblioteca printf(), que chama a chamada de sistema write()

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Linkers e Loaders

Código-fonte compilado em arquivos objeto projetados para serem carregados em qualquer localização de memória física – arquivo objeto realocável
Linker combina esses em um único executável binário

Também incorpora bibliotecas

O programa reside no armazenamento secundário como executável binário
Deve ser trazido para a memória pelo loader para ser executado

A realocação atribui endereços finais às partes do programa e ajusta o código e os dados do programa para corresponder a esses endereços

Sistemas modernos de uso geral não vinculam bibliotecas aos executáveis

Em vez disso, bibliotecas dinâmicas (no Windows, DLLs) são carregadas conforme necessário, compartilhadas por todos que usam a mesma versão dessa mesma biblioteca (carregada uma única vez)

Arquivos objeto e executáveis têm formatos padronizados, assim o Sistema Operacional sabe como carregá-los e iniciá-los

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O Papel do Linker e do Loader

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Por que Aplicações são Específicas de um SO

Aplicações compiladas em um sistema geralmente não são executáveis em outros Sistemas Operacionais
Cada Sistema Operacional fornece suas próprias chamadas de sistema exclusivas

Formatos de arquivo próprios, etc.

Aplicações podem ser multi-Sistema Operacional

Escritas em linguagem interpretada como Python, Ruby, e o interpretador disponível em vários Sistemas Operacionais
Aplicação escrita em linguagem que inclui uma VM contendo a aplicação em execução (como Java)
Usar linguagem padrão (como C), compilar separadamente em cada Sistema Operacional para executar em cada um

Interface Binária de Aplicação (ABI) é o equivalente em arquitetura da API, define como diferentes componentes de código binário podem se interfacear para um dado Sistema Operacional em uma dada arquitetura, CPU, etc.

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Estrutura do Sistema Operacional

SO de propósito geral é um programa muito grande
Várias formas de estruturá-lo

Estrutura simples – MS-DOS
Mais complexa – UNIX
Em camadas – uma abstração
Microkernel – Mach

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Estrutura Monolítica – UNIX Original

UNIX – limitado pela funcionalidade do hardware, o Sistema Operacional UNIX original tinha estruturação limitada.
O Sistema Operacional UNIX é composto por duas partes separáveis

Programas de sistema
O Kernel

Consiste em tudo abaixo da interface de chamada de sistema e acima do hardware físico
Fornece o sistema de arquivos, escalonamento de CPU, Gerenciamento de Memória e outras funções do Sistema Operacional; um grande número de funções para um único nível

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Estrutura Tradicional do Sistema UNIX

Além de simples, mas não totalmente em camadas

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Abordagem em Camadas

O Sistema Operacional é dividido em várias camadas (níveis), cada uma construída sobre as camadas inferiores. A camada mais baixa (camada 0) é o hardware; a mais alta (camada N) é a interface com o usuário.
Com a modularidade, as camadas são selecionadas de modo que cada uma utilize funções (operações) e serviços apenas de camadas de nível inferior

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Microkernels

Move o máximo possível do kernel para o espaço de usuário
Mach é um exemplo de microkernel

Kernel do Mac OS X (Darwin) parcialmente baseado no Mach

A comunicação ocorre entre módulos de usuário usando troca de mensagens
Vantagens:

Mais fácil de estender um microkernel
Mais fácil de portar o Sistema Operacional para novas arquiteturas
Mais confiável (menos código executando em modo kernel)
Mais seguro

Desvantagens:

Sobrecarga de desempenho na comunicação entre espaço de usuário e espaço de kernel

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Estrutura de Sistema com Microkernel

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Módulos

Muitos sistemas operacionais modernos implementam módulos de kernel carregáveis (LKMs)

Usa abordagem orientada a objetos
Cada componente central é separado
Cada um se comunica com os outros por interfaces conhecidas
Cada um é carregável conforme necessário dentro do kernel

No geral, semelhante a camadas, mas mais flexível

Linux, Solaris, etc.

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Sistemas Híbridos

A maioria dos Sistemas Operacionais modernos não segue um único modelo puro

O híbrido combina múltiplas abordagens para atender às necessidades de desempenho, segurança e usabilidade
Os kernels do Linux e do Solaris ficam no Espaço de Endereçamento do kernel, portanto são monolíticos, além de modulares para o carregamento dinâmico de funcionalidades
Windows é majoritariamente monolítico, além de microkernel para diferentes personalidades de subsistema

Apple Mac OS X é híbrido, em camadas, Aqua como interface, além do Cocoa como ambiente de programação

Abaixo está o kernel, composto pelo microkernel Mach e por partes do BSD Unix, além do kit de E/S e de módulos carregáveis dinamicamente (chamados de extensões do kernel)

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Inicialização do Sistema

Quando a energia é inicializada no sistema, a execução começa em um endereço de memória fixo
O Sistema Operacional deve ser disponibilizado ao hardware para que o hardware possa iniciá-lo

Pequeno trecho de código – carregador de boot, BIOS, armazenado na ROM ou EEPROM, localiza o Kernel, carrega-o na memória e o inicia
Às vezes é um processo de duas etapas em que o bloco de boot em local fixo é carregado pelo código da ROM, que carrega o carregador de boot a partir do disco
Sistemas modernos substituem o BIOS pela Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)

Um carregador de boot comum, o GRUB, permite a seleção do Kernel a partir de múltiplos discos, versões e opções de Kernel
O Kernel é carregado e o sistema fica então em execução
Os carregadores de boot frequentemente permitem vários estados de boot, como o modo monousuário

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Depuração do Sistema Operacional

Depuração é encontrar e corrigir erros, ou bugs
Também ajuste de desempenho
O SO gera arquivos de log (registro) contendo informações de erro
A falha de uma aplicação pode gerar um arquivo core dump que captura a memória do processo
A falha do sistema operacional pode gerar um arquivo crash dump que contém a memória do kernel
Além das falhas, o ajuste de desempenho pode otimizar o desempenho do sistema

Às vezes utilizando listagens de trace de atividades, registradas para análise
Profiling é a amostragem periódica do apontador de instruções para buscar tendências estatísticas

Lei de Kernighan: “Depurar é duas vezes mais difícil do que escrever o código em primeiro lugar. Portanto, se você escrever o código da forma mais engenhosa possível, você, por definição, não é inteligente o suficiente para depurá-lo.”

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Rastreamento (Tracing)

Coleta dados de um evento específico, como as etapas envolvidas na invocação de uma chamada de sistema
As ferramentas incluem

strace – rastreia as chamadas de sistema invocadas por um processo
gdb – depurador em nível de código-fonte
perf – conjunto de ferramentas de desempenho do Linux
tcpdump – coleta pacotes de rede

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Bibliografia

Capítulo 1.

Capítulo 2.

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