Linux y teoria de sistemas operativos
De Jose Castillo Aliaga
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Linux es un buen sistema operativo para aprender teoría de los sistemas operativos observando su funcionamiento. En este texto, vamos a usar comandos de la terminal de Linux para demostrar los conceptos teóricos de los sistemas operativos.
Un sistema operativo intenta simplificar el uso del ordenador a los usuarios. Para ello introduce conceptos abstractos como los procesos, los ficheros, la terminal... En realidad, la máquina es mucho más difícil de tratar y, curiosamente, más simple. ¿Cómo puede ser más simple y más difícil al mismo tiempo? El sistema operativo proporciona multitud de herramientas programadas con unas pocas instrucciones de máquina. El resultado es más parecido al lenguaje verbal o visual humano que a secuencias de bits.
Código C vs Ensamblador
El lenguaje C es el lenguaje con el que se programa el núcleo del sistema operativo. Es un lenguaje de alto nivel, aunque permite hacer cosas de muy bajo nivel. Esto quiere decir que es fácil de programar, ya que se parece al lenguaje humano (inglés). Para que lo entienda la máquina ha de ser compilado. El sistema operativo permite al programador olvidar cosas tan complejas como el acceso a memória, a la E/S...
El lenguaje máquina se compone de instrucciones simples codificadas según el tamaño de la palabra (32 o 64 bits, por ejemplo) Estas instrucciones se guardan en binario, como todo. Entenderlas es muy complicado, pero se simplifica un poco si usamos ensamblador. Este lenguaje usa palabras para cada instrucción y otras abstracciones que permiten que sea más fácil de aprender y memorizar.
Veamos una demostración de cómo programar en un lenguaje de alto nivel como C es más fácil que hacerlo en lenguaje máquina o ensamblador.
Tenemos el clásico hello world:
#include<stdio.h>
int main(int arg_count,char ** arg_values)
{
printf("Hello World\n");
return 0;
}
El significado de cada línea lo puedes encontrar en cualquier manual de c. Pero casi se puede entender todo si sabes un poco de inglés. Si lo compilamos:
$ gcc hello.c -o hello $ ./hello Hello World
Vemos que funciona.
En Linux tenemos a nuestra disposición algunas herramientas para ver el contenido binario de un fichero compilado. Podemos usar xxd, que nos lo muestra en hexadecimal:
0000000: 7f45 4c46 0101 0100 0000 0000 0000 0000 .ELF............ 0000010: 0200 0300 0100 0000 2083 0408 3400 0000 ........ ...4... 0000020: 3c11 0000 0000 0000 3400 2000 0900 2800 <.......4. ...(. 0000030: 1e00 1b00 0600 0000 3400 0000 3480 0408 ........4...4... 0000040: 3480 0408 2001 0000 2001 0000 0500 0000 4... ... ....... 0000050: 0400 0000 0300 0000 5401 0000 5481 0408 ........T...T... 0000060: 5481 0408 1300 0000 1300 0000 0400 0000 T............... 0000070: 0100 0000 0100 0000 0000 0000 0080 0408 ................ 0000080: 0080 0408 c405 0000 c405 0000 0500 0000 ................ 0000090: 0010 0000 0100 0000 140f 0000 149f 0408 ................ 00000a0: 149f 0408 0001 0000 0801 0000 0600 0000 ................ 00000b0: 0010 0000 0200 0000 280f 0000 289f 0408 ........(...(... 00000c0: 289f 0408 c800 0000 c800 0000 0600 0000 (............... 00000d0: 0400 0000 0400 0000 6801 0000 6881 0408 ........h...h... 00000e0: 6881 0408 4400 0000 4400 0000 0400 0000 h...D...D....... 00000f0: 0400 0000 50e5 7464 cc04 0000 cc84 0408 ....P.td........ 0000100: cc84 0408 3400 0000 3400 0000 0400 0000 ....4...4....... 0000110: 0400 0000 51e5 7464 0000 0000 0000 0000 ....Q.td........ 0000120: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0600 0000 ................ 0000130: 0400 0000 52e5 7464 140f 0000 149f 0408 ....R.td........ 0000140: 149f 0408 ec00 0000 ec00 0000 0400 0000 ................ 0000150: 0100 0000 2f6c 6962 2f6c 642d 6c69 6e75 ..../lib/ld-linu 0000160: 782e 736f 2e32 0000 0400 0000 1000 0000 x.so.2.......... 0000170: 0100 0000 474e 5500 0000 0000 0200 0000 ....GNU......... 0000180: 0600 0000 1800 0000 0400 0000 1400 0000 ................ 0000190: 0300 0000 474e 5500 deb8 688e 30c2 df19 ....GNU...h.0... 00001a0: 628b 19b1 de36 d36b 2923 3147 0200 0000 b....6.k)#1G.... 00001b0: 0400 0000 0100 0000 0500 0000 0020 0020 ............. . 00001c0: 0000 0000 0400 0000 ad4b e3c0 0000 0000 .........K...... 00001d0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 2900 0000 ............)... 00001e0: 0000 0000 0000 0000 1200 0000 0100 0000 ................ 00001f0: 0000 0000 0000 0000 2000 0000 2e00 0000 ........ ....... 0000200: 0000 0000 0000 0000 1200 0000 1a00 0000 ................ 0000210: bc84 0408 0400 0000 1100 0f00 005f 5f67 .............__g 0000220: 6d6f 6e5f 7374 6172 745f 5f00 6c69 6263 mon_start__.libc 0000230: 2e73 6f2e 3600 5f49 4f5f 7374 6469 6e5f .so.6._IO_stdin_ 0000240: 7573 6564 0070 7574 7300 5f5f 6c69 6263 used.puts.__libc 0000250: 5f73 7461 7274 5f6d 6169 6e00 474c 4942 _start_main.GLIB 0000260: 435f 322e 3000 0000 0200 0000 0200 0100 C_2.0........... 0000270: 0100 0100 1000 0000 1000 0000 0000 0000 ................ 0000280: 1069 690d 0000 0200 4000 0000 0000 0000 .ii.....@....... 0000290: f09f 0408 0602 0000 00a0 0408 0701 0000 ................ 00002a0: 04a0 0408 0702 0000 08a0 0408 0703 0000 ................ 00002b0: 5383 ec08 e800 0000 005b 81c3 3b1d 0000 S........[..;... 00002c0: 8b83 fcff ffff 85c0 7405 e831 0000 00e8 ........t..1.... 00002d0: dc00 0000 e897 0100 0083 c408 5bc3 0000 ............[... 00002e0: ff35 f89f 0408 ff25 fc9f 0408 0000 0000 .5.....%........ 00002f0: ff25 00a0 0408 6800 0000 00e9 e0ff ffff .%....h......... 0000300: ff25 04a0 0408 6808 0000 00e9 d0ff ffff .%....h......... 0000310: ff25 08a0 0408 6810 0000 00e9 c0ff ffff .%....h......... 0000320: 31ed 5e89 e183 e4f0 5054 5268 6084 0408 1.^.....PTRh`... 0000330: 68f0 8304 0851 5668 d483 0408 e8cf ffff h....QVh........ 0000340: fff4 9090 9090 9090 9090 9090 9090 9090 ................ 0000350: 5589 e553 83ec 0480 3d14 a004 0800 753f U..S....=.....u? 0000360: a118 a004 08bb 209f 0408 81eb 1c9f 0408 ...... ......... 0000370: c1fb 0283 eb01 39d8 731e 8db6 0000 0000 ......9.s....... 0000380: 83c0 01a3 18a0 0408 ff14 851c 9f04 08a1 ................ 0000390: 18a0 0408 39d8 72e8 c605 14a0 0408 0183 ....9.r......... 00003a0: c404 5b5d c38d 7426 008d bc27 0000 0000 ..[]..t&...'.... 00003b0: 5589 e583 ec18 a124 9f04 0885 c074 12b8 U......$.....t.. 00003c0: 0000 0000 85c0 7409 c704 2424 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....[........... 00004c0: 4865 6c6c 6f20 576f 726c 6400 011b 033b Hello World....; 00004d0: 3000 0000 0500 0000 14fe ffff 4c00 0000 0...........L... 00004e0: 08ff ffff 7000 0000 24ff ffff 9000 0000 ....p...$....... 00004f0: 94ff ffff cc00 0000 96ff ffff e000 0000 ................ 0000500: 1400 0000 0000 0000 017a 5200 017c 0801 .........zR..|.. 0000510: 1b0c 0404 8801 0000 2000 0000 1c00 0000 ........ ....... 0000520: c0fd ffff 4000 0000 000e 0846 0e0c 4a0f ....@......F..J. 0000530: 0b74 0478 003f 1a3b 2a32 2422 1c00 0000 .t.x.?.;*2$".... 0000540: 4000 0000 90fe ffff 1c00 0000 0041 0e08 @............A.. 0000550: 8502 420d 0558 c50c 0404 0000 3800 0000 ..B..X......8... 0000560: 6000 0000 8cfe ffff 6100 0000 0041 0e08 `.......a....A.. 0000570: 8502 410e 0c87 0341 0e10 8604 410e 1483 ..A....A....A... 0000580: 054e 0e30 024a 0e14 410e 10c3 410e 0cc6 .N.0.J..A...A... 0000590: 410e 08c7 410e 04c5 1000 0000 9c00 0000 A...A........... 00005a0: c0fe ffff 0200 0000 0000 0000 1000 0000 ................ 00005b0: b000 0000 aefe ffff 0400 0000 0000 0000 ................ 00005c0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 00005d0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 00005e0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 00005f0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000600: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000610: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000620: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000630: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000640: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000650: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000660: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000670: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000680: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................ 0000690: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 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rs_aux.completed 0001a50: 2e36 3135 3900 6474 6f72 5f69 6478 2e36 .6159.dtor_idx.6 0001a60: 3136 3100 6672 616d 655f 6475 6d6d 7900 161.frame_dummy. 0001a70: 5f5f 4354 4f52 5f45 4e44 5f5f 005f 5f46 __CTOR_END__.__F 0001a80: 5241 4d45 5f45 4e44 5f5f 005f 5f4a 4352 RAME_END__.__JCR 0001a90: 5f45 4e44 5f5f 005f 5f64 6f5f 676c 6f62 _END__.__do_glob 0001aa0: 616c 5f63 746f 7273 5f61 7578 0068 656c al_ctors_aux.hel 0001ab0: 6c6f 2e63 005f 5f69 6e69 745f 6172 7261 lo.c.__init_arra 0001ac0: 795f 656e 6400 5f44 594e 414d 4943 005f y_end._DYNAMIC._ 0001ad0: 5f69 6e69 745f 6172 7261 795f 7374 6172 _init_array_star 0001ae0: 7400 5f47 4c4f 4241 4c5f 4f46 4653 4554 t._GLOBAL_OFFSET 0001af0: 5f54 4142 4c45 5f00 5f5f 6c69 6263 5f63 _TABLE_.__libc_c 0001b00: 7375 5f66 696e 6900 5f5f 6936 3836 2e67 su_fini.__i686.g 0001b10: 6574 5f70 635f 7468 756e 6b2e 6278 0064 et_pc_thunk.bx.d 0001b20: 6174 615f 7374 6172 7400 5f65 6461 7461 ata_start._edata 0001b30: 005f 6669 6e69 005f 5f44 544f 525f 454e ._fini.__DTOR_EN 0001b40: 445f 5f00 5f5f 6461 7461 5f73 7461 7274 D__.__data_start 0001b50: 0070 7574 7340 4047 4c49 4243 5f32 2e30 .puts@@GLIBC_2.0 0001b60: 005f 5f67 6d6f 6e5f 7374 6172 745f 5f00 .__gmon_start__. 0001b70: 5f5f 6473 6f5f 6861 6e64 6c65 005f 494f __dso_handle._IO 0001b80: 5f73 7464 696e 5f75 7365 6400 5f5f 6c69 _stdin_used.__li 0001b90: 6263 5f73 7461 7274 5f6d 6169 6e40 4047 bc_start_main@@G 0001ba0: 4c49 4243 5f32 2e30 005f 5f6c 6962 635f LIBC_2.0.__libc_ 0001bb0: 6373 755f 696e 6974 005f 656e 6400 5f73 csu_init._end._s 0001bc0: 7461 7274 005f 6670 5f68 7700 5f5f 6273 tart._fp_hw.__bs 0001bd0: 735f 7374 6172 7400 6d61 696e 005f 4a76 s_start.main._Jv 0001be0: 5f52 6567 6973 7465 7243 6c61 7373 6573 _RegisterClasses 0001bf0: 005f 696e 6974 00 ._init.
Como se puede observar, es bastante complicado de entender. Hay que tener en cuenta que el compilador añade información extra y las librerías de entra y salida también ocupan su sitio. Estas librerías simplifican la escritura por pantalla (acceso a la memória de vídeo, renderización de las letras...) a un simple printf().
Podemos usar el comando objdump para ver el código resultante de la compilación en ensamblador:
$ objdump -Dslx a.out | grep -2 'Hello' 80484ac e89ffeff ff83c408 5bc3 ........[. Contents of section .rodata: 80484b8 03000000 01000200 48656c6c 6f20576f ........Hello Wo 80484c8 726c6400 rld. Contents of section .eh_frame_hdr:
Con este comando y el grep, nos quedamos sólo con la línea que indica dónde se guarda la cadena "Hello World". De todas formas, el código total queda muy complicado de leer. Cabe decir que queda más largo porque ha desensamblado. En ensamblador hecho por una persona el programa sería más legible, aunque mucho más complejo que en C. [1]
Gestión de memoria
Una de las funciones fundamentales del Kernel de un sistema operativo es la gestión de la memoria. Está íntimamente relacionada con la gestión de procesos.
La memoria principal es un almacén de datos temporales de los programas en ejecución. Guarda las instrucciones y los datos de los programas. Pero en la arquitectura Von Neumann no tiene estructura. Simplemente proporciona un espacio con direcciones de memoria.
En los ordenadores sin sistema operativo es relativamente sencillo programar con la memoria principal. Solo hay que tener en cuenta el no llenarla o usar direcciones de memoria ya utilizadas. En este tipo de ordenadores (Microcontroladores, Arduino...) tienes toda la memoria a tu disposición y no molestas a nadie. Las direcciones de memoria son absolutas. Es decir, si el programador quiere guardar un número en la dirección 0x0001, en la dirección física de la memoria estará ese dato hasta que se pare el ordenador.
Si ya usamos sistema operativo, pero es monoproceso, tampoco es mucho más complicado. El sistema operativo indica al procesador cual es la dirección de memoria para programas. Le llama el registro base. De esta manera, el programador ya no sabe donde está su variable.
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