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KStruct: Ein Ansatz zur Analyse und Beschreibung von Nebenläufigkeit in Betriebssystemen

Der Paradigmenwechsel bei der Architektur von Prozessoren hin zu Mehrkernprozessoren (multicore processor) verlangt von Software ein erhöhtes Maß an Nebenläufigkeit, um die verfügbaren parallelen Rechenressourcen effizient zu nutzen. Betriebssysteme sind ein Beispiel für Software, die hochgradig asynchron und damit in hohem Maße nebenläufig ist.

Für das Überwachen und Beobachten eines solchen nebenläufigen Systems ist häufig ein Zugriff auf nicht-skalare Daten im gemeinsamen Speicher notwendig, die den Zustand des Systems beschreiben. Der Zugriff auf diesen Zustand stellt einen kritischen Abschnitt im Kontrollfluss des Betriebssystems dar. Ohne hinreichende Synchronisierung bei der Ausführung der kritischen Abschnitte besteht die Gefahr von Wettlaufsituationen zwischen einzelnen nebenläufigen Aktivitäten, was zur Inkonsistenz der Daten im Allgemeinen und zur Korruption des Betriebssystemzustands im Speziellen führen kann. Für ein Beobachtungswerkzeug besteht nun dieselbe Gefahr, nämlich dass das Beobachtungswerkzeug Daten ausliest, die inkonsistent sind und keinen tatsächlichen Zustand des Systems repräsentieren. Mit dem Vorhandensein vieler paralleler Ausführungseinheiten nimmt die Gefahr von Wettlaufsituationen zwischen Betriebssystem und Beobachtungswerkzeug und damit die Gefahr des Auslesens von inkonsistenten Daten zu.

Um diese Probleme zu vermeiden, wird in der vorliegenden Arbeit der KStruct-Ansatz vorgestellt, der es einem dynamischen, nicht-integrierten Beobachtungswerkzeug erlaubt, auf den Zustand eines Betriebssystems unter Berücksichtigung des Synchronisationsprotokolls zuzugreifen. Dazu wird mit Hilfe der Sprache KStruct Access, einer Erweiterung der Programmiersprache C, das Synchronisationsprotokoll des Betriebssystems definiert, welches als Vertrag zwischen Betriebssystem und Überwachungswerkzeug dient. Die Annotationen werden von einem Compiler in eine Komponente übersetzt, die von Beobachtungswerkzeugen für den Zugriff auf den gemeinsamen Speicher verwendet werden kann, um Daten unter Einhaltung des Protokolls auszulesen. Um den Annotationsprozess gerade für bestehende Softwaresysteme zu unterstützen, wird zusätzlich KStruct Advice vorgestellt, womit sich ein Betriebssystem hinsichtlich des verwendeten Synchronisationsprotokolls analysieren lässt. Dazu wird ein formales Modell einer Sperre definiert, welches die Grundlage für eine statische Datenflussanalyse zur Berechnung der Zustände aller Sperren darstellt. Der Zustand einer Sperre wird schließlich mit Zugriffen auf Datenstrukturen im gemeinsamen Speicher korreliert und so ein Synchronisationsprotokoll abgeleitet. Die Ergebnisse des Ansatzes werden im Kontext des Windows Research Kernels betrachtet, diskutiert und evaluiert.