Ein Betriebssystem ist die Systemsoftware, die Anwendungen den Zugriff auf die Hardware gibt und die Betriebsmittel verwaltet: Prozessorzeit, Speicher, Geräte, Dateien. Sein Kern heißt Kernel. Er läuft im privilegierten Kernelmodus und darf alle Befehle und Speicherbereiche nutzen. Anwendungen laufen im Benutzermodus mit eingeschränkten Rechten. Will eine Anwendung eine Datei lesen, ruft sie den Kernel über einen Systemaufruf an, der die Anfrage prüft und ausführt.

Bei Unix-ähnlichen Systemen hat jede Datei Rechte für Besitzer, Gruppe und alle anderen, je als Lesen (r, Wert 4), Schreiben (w, 2) und Ausführen (x, 1). Die Rechte $\texttt{rwxr-x---}$ bedeuten: Besitzer rwx (4 + 2 + 1 = 7), Gruppe r-x (4 + 1 = 5), andere nichts (0), zusammen 750.

Ein Programm ist eine Datei mit Befehlen. Ein Prozess ist ein Programm in Ausführung, mit eigenem Adressraum, Befehlszähler und Registerinhalten. Das Betriebssystem führt für jeden Prozess einen Prozesskontrollblock mit Zustand und Registern. Ein Prozess ist in einem von drei Zuständen:

• bereit: Er könnte rechnen und wartet auf einen freien Prozessor.
• rechnend: Er hat einen Prozessor. Je Kern rechnet höchstens einer.
• blockiert: Er wartet auf ein Ereignis, etwa eine Eingabe.

Ein blockierter Prozess wird nie direkt rechnend, er muss erst bereit werden.

Der Scheduler wählt aus den bereiten Prozessen den nächsten für den Prozessor. Ein Verfahren ist verdrängend, wenn es einem rechnenden Prozess den Prozessor entziehen darf.

• FCFS (first come, first served): Die Prozesse laufen in der Reihenfolge ihres Eintreffens bis zum Ende. Ein langer Prozess lässt alle kurzen warten. Nicht verdrängend.
• SJF (shortest job first): Der Prozess mit der kürzesten Rechenzeit kommt zuerst. Das gibt die kleinste mittlere Wartezeit, braucht aber die Rechenzeit im Voraus.
• Round Robin: Jeder Prozess bekommt reihum eine Zeitscheibe, danach reiht er sich hinten ein. Verdrängend, gut für interaktive Programme.
• Prioritäten: Die höchste Priorität läuft zuerst. Niedrige können dauernd übergangen werden (verhungern).

Die Wartezeit eines Prozesses ist die Zeit, die er bereit ist, ohne zu rechnen.

Ein Thread ist ein Ausführungsstrang innerhalb eines Prozesses. Alle Threads eines Prozesses teilen sich Code und Daten im Speicher, jeder hat aber eigene Register, einen eigenen Befehlszähler und einen eigenen Stapel. Nebenläufig heißt: Aktivitäten schreiten unabhängig voran, ihre Schritte sind beliebig verschachtelt. Parallel heißt: Sie laufen wirklich gleichzeitig auf mehreren Kernen. Nebenläufigkeit gibt es auch auf einem Kern.

Gefährlich ist der gemeinsame Speicher. Ein kritischer Abschnitt ist ein Programmstück, das auf gemeinsame Daten zugreift und nur von einem Thread zur Zeit ausgeführt werden darf (gegenseitiger Ausschluss). Hängt das Ergebnis von der zufälligen Reihenfolge der Schritte ab, liegt ein Wettlauf (race condition) vor.

Ein Semaphor (nach Dijkstra) ist eine ganze Zahl s mit zwei unteilbaren Operationen. $P(s)$: Ist $s > 0$, wird s um 1 vermindert, sonst wird der Thread blockiert, bis ein anderer $V(s)$ ausführt. $V(s)$: Wartet ein Thread, wird er geweckt, sonst wird s um 1 erhöht. Mit Anfangswert 1 (Mutex) sichert ein Semaphor einen kritischen Abschnitt: $P$ davor, $V$ danach. Mit Anfangswert n zählt er n gleichartige Betriebsmittel.

Ein Monitor fasst gemeinsame Daten und die Methoden, die sie ändern, in einer Einheit zusammen. In ihr ist höchstens ein Thread aktiv, das regelt die Sprache. Ein Thread kann im Monitor auf eine Bedingung warten (wait) und wird von einem anderen geweckt (notify). In Java entspricht dem $\texttt{synchronized}$.

Eine Verklemmung (Deadlock) liegt vor, wenn Threads aufeinander warten und keiner weiterkommt. Das geschieht nur, wenn vier Bedingungen zugleich gelten: Ein Betriebsmittel ist nur einzeln benutzbar (gegenseitiger Ausschluss), ein Thread hält eines und wartet auf ein weiteres, kein Betriebsmittel lässt sich entziehen, und die Wartenden bilden einen Kreis. Schließt man eine aus, ist keine Verklemmung möglich. Üblich: Alle fordern Betriebsmittel in derselben festen Reihenfolge an.

Beim Erzeuger-Verbraucher-Problem legt ein Erzeuger Elemente in einen Puffer mit n Plätzen, ein Verbraucher entnimmt sie. Der Erzeuger wartet bei vollem, der Verbraucher bei leerem Puffer, und nur einer darf zur Zeit auf den Puffer zugreifen. Drei Semaphore genügen: frei (Anfangswert n), belegt (0) und mutex (1).

Beim Philosophenproblem sitzen fünf Philosophen an einem runden Tisch, zwischen je zwei Tellern liegt eine Gabel. Zum Essen braucht einer die Gabel links und rechts. Nimmt jeder zuerst die linke, hält jeder eine und wartet auf die rechte: Verklemmung. Lösungen: Die Gabeln werden nummeriert und jeder nimmt zuerst die mit der kleineren Nummer (kein Kreis), oder höchstens vier Philosophen sitzen gleichzeitig am Tisch.