feat: lezione 25 02

+# Architettura dei sistemi Operativi

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+descrive quali sono le varie componenti del so e come queste sono collegate tra loro

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+L'architettura dei so da diversi punti di vista

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+- servizi forniti (visione utente non tanto la persona quanto i programmi)

+- interfaccia di sistema (visione programmatore)

+- componenti di sistema (visione progettista so)

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+## Componenti di un sistema operativo

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+ Gestione dei processi

+ Gestione della memoria principale: ram o mem interna processore

+ Gestione della memoria secondaria: dischi

+ Gestione file system: stato che si colloca al disopra della mem secondaria e ci permette di vedere le cose nella mem secondaria

+ Gestione dei dispositivi di I/O

+ Supporto multiuser: moduli all'interno del so che creano l'astrazione multiutente (sono info di corredo che vengono aggiunte per creare multiutenti)

+ Networking

+ Inter Process Communication (IPC)

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+### Gestione processi

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+- un processo e' un programma in esecuzione (l'attivita di un programma in esecuzione).

+- il sistema operativo e' responsabile delle seguenti attivita'

+ - creazione e terminazione dei processi

+ - sospensione e riattivazione dei processi

+ - gestione deadlock

+ - comunicazione tra processi

+ - sincronizzazione tra processi

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+### Memoria Principale

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+- e' un array di byte indirizzabili singolarmente

+- ci sono istruzioni per accedere a un singolo byte o di piu fino al (non ho capito) es. un processore da x64 puo accedere a 1-16-64 byte in blocchi

+- è un deposito di dati facilmente accessibile alla CPU (econdiviso con i controller dei dispositivi di I/O se DMA)

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+il sistema operativo e' responsabile delle seguenti attivita:

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+- tenere traccia di quali parti della mem sono usate da chi

+- decidere quali processi caricare quando diventa disponibile spazio in mem

+- allocare e deallocare lo spazio di memoria quando necessario

+- usare mem secondaria per ampliare la mem principale (vitual memory, swap) se una pagina non viene usata da un po viene messa in mem secondaria

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+### Memoria Secondaria

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+Poiché la memoria principale è volatile e troppo piccola per

+contenere tutti i dati e tutti i programmi in modo

+permanente, un computer è dotato di memoria secondaria

+ In generale, la memoria secondaria è data da hard disk,

+dischi ottici, dischi allo stato solido, etc.

+Si accede a blocchi (nella mem primaria si accede a byte)

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+Il sistema operativo e' responsabile delle seguenti attivita riguardanti la gestione della memoria secondaria:

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+- gestione partizionamento

+- gestione dell'accesso efficiente e affidabile (RAID) Nota: raid viene usato per velocita'. Si usa per sparpagliare i dati su vari dischi cosi da ridurre il tempo di ritardo medio delle richieste. Facendo raid semplice si va piu veloci come performance ma si ottiene un sistema piu fragile i dischi si rompono prima

+- ordinamento efficiente delle richieste (disk scheduling)

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+### Gestione dell'I/O

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+Un interfaccia per la gestione dei device driver

+Un insieme di driver per dispositivi hw specifici

+Un sistema di gestione buffer per il caching delle informazioni

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+Per ogni op di io un dirver va in funzione due volte (alla fine dell'op di io quando deve essere inviato l'interrrupt e per la richiesta )

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+### Gestione del file system

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+Un file e' l'astrazione informatica di un archivio di dati

+(il concetto di file e' indipendente dal media sul quale viene memorizzato)

+Un file system e' composto da un insieme di file

+un fs e' anche quello contenuto in una chiavetta (quando si fa mount viene visto il file system della chiavetta)

+Il sistema operativo e' responsabile delle seguenti attivita':

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+- creazione e cancellazione file

+- creazione e cancellazione di directory

+- manipolazione di file e directory

+- codifica dei file system su una sequenza di blocchi

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+### Supporto multiuser - protezione

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+Il termine protezione si riferisce al meccanismo per controllare gli accessi dei processi alle risorse del sistema e degli utenti

+Il meccanismo di protezione sw deve:

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+- gestire l'identita' del proprietario del processo (uid gid)

+- gestire chi può fare cosa (per ogni utente per ogni risorsa memorizzare cosa puo’ essere fatto e cosa no)

+- Fornire un meccanismo di attuazione della protezione

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+### Networking

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+- consente

+ - di fare comunicare processi in esecuzione su piu elaboratori

+ - di condividere risorse

+- quali servizi

+ - protocolli di comunicazione a basso livello

+ - ip

+ - tcp,udp

+- servizi di comunicazione ad alto livello

+ - file system distribuiti (nfs,smb)

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+## Architettura dei sistemi operativi - struttura del programma sistema operativo

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+### Sommario

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+ Sistemi con struttura semplice

+ Sistemi con struttura a strati

+ Microkernel

+ Macchine virtuali

+ Progettazione di un sistema operativo

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+Ora vediamo come le componenti del so sono collegate tra loro

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+progettazione di un so:

+sistemi molto efficienti sono poco modulari

+ sistemi molto modulari sono meno efficienti

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+### Struttura dei so

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+Divisi in due grandi famiglie

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+- struttra semplice

+- struttura a strati

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+Sistemi a struttura semplice (o senza struttura)

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+- in alcuni casi sono so che non hanno struttura progettata a priori

+- possono essere descritti come una collezione di procedure, ognuna delle quali puo chiamaer altre procedure

+- tipicamente sono so semplici e limitati

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+MS-DOS Free-DOS

+

+

+MS-DOS

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+- Commenti

+  le interfacce e i livelli di funzionalità non sono ben separati

+  le applicazioni possono accedere direttamente alle routine

+ di base per fare I/O

+  come conseguenza, un programma sbagliato (o "maligno")

+ può mandare in crash l'intero sistema

+- Motivazioni:

+  i progettisti di MS-DOS erano legati all'hardware dell'epoca

+  8086, 8088, 80286 non avevano la modalità protetta (kernel)

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+nessun controllo di accessi in memoria (l'uso piu comune sel tsr era quello di inserire dei virus, lol)

+I giochi cercavano di bypassare il so e accedere direttamente alle risorse (es gpu)

+Un errore del programma (visto che non cerano controllo di accessi in memoria) poteva causare il crash del sistema

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+UNIX

+Le prime versioni facevano un po cagare

+diviso in due parti (kernel e programmi di sistema)

+Il kernel e' delimitato:

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+- in basso dall'hw

+- in alto dal livello delle system call

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+Motivazioni

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+- anche Unix inizialmente fu limitato dalle limitazioni

+ hardware...

+- ... ma ha un approccio comunque più strutturato

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+### Sistemi con struttura dati a strati

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+Il so e' strutturato tramite un insieme di strati (layer)

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+Ogni strato:

+e' basato sugli strati inferiori

+offre servizi agli strati superiori

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+Motivazioni:

+il vantaggio principale e'la modularita:

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+- encapsulation e data hiding

+- abstract data types

+ Vengono semplificate le frasi di implementazione, debugging e ristrutturazione del sistema

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+Esempi:

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+The O.S. (Dijkstra) 5) Programmi utente 4) Gestione I/O 3) Console device/driver 2) Memory management

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+1. CPU Scheduling

+2. Hardware

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+Venus os 6) Programmi utente 5) Device driver e scheduler 4) Memoria virtuale 3) Canali di I/O 2) CPU Scheduling

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+1. Interprete di istruzioni

+2. Hardware

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+Problema dei sistemi con struttura a strati

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+- tendono a essere meno efficienti (ogni stato tende ad aggiungere overhead)

+- occorre studiare accuratamente la struttura dei layer

+ - le funzionalita previste al layer N devono essere implementate utilizzando esclusivamente i servizi dei livelli inferiori

+- in alcuni casi questa limitazione puo essere difficile da superare

+- esempio: meccanismi di swapping di memoria

+ - Win: swap area è un file in memoria

+ - Linux: swap area ha una partizione dedicata

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+risultato: si tende a trovare un compromesso tra i due mondi

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+OS/2

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+Nota: scrivi due righe su window subsystem for linux

+Computer HW/SW architecture (Myers)

+Grafico di myers

+ISA e'il codice macchina per fare le op macchina (instruction set architucture)

+Alla fine l'hw e' linguaggio

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+### politiche e meccanismi

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+Separazione della politica dai meccanismi

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+- la politica decide cosa deve essere fatto

+- i meccanismi attuano la decisione

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+E un concetto fondamentale di software engineering

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+- la componente che prende le decisioni politiche puo essere completamente diversa da quella che implementa i meccanismi

+- rende possibile

+ - cambiare la politica senza cambiare i meccanismi

+ - cambiare i meccanismi senza cambiare la politica

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+Nei sistemi a microkernel (si chiamano cosi perche cercano di fare fare meno cose al kernel) si implememntano nei kernel

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+Esempio: MINIX

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+- il gestore della memoria è un processo esterno al kernel decide la memoria da allocare ai processi ma non accede direttamente alla memoria del sistema può accedere però alla propria memoria (è un processo come tutti gli altri)

+- quando deve attuare delle operazioni per implementare la politica decisa lo fa tramite chiamate specifiche al kernel (system task)

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+Controesempio: MacOS <=9 (non Mac OS X)

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+- in questo sistema operativo, politica e meccanismi di gestione dell'interfaccia grafica sono stati inseriti nel kernel

+- svantaggi: - un bug nell'interfaccia grafica puo mandare in crash lintero sistema

+ Windows 9x non e'differente

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+### Organizzazione del kernel

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+Esistno 3 categorie principali di kernel

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+Kernel Monolitici

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+- Un aggregato unico (e ricco) di procedure di gestione

+ mutuamente coordinate e astrazioni dell’HW

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+Micro Kernel

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+- Semplici astrazioni dell’HW gestite e coordinate da un kernel

+ minimale, basate un paradigma client/server, e primitive di

+ message passing

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+Kernel Ibridi

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+- Simili a Micro Kernel, ma hanno componenti eseguite in kernel

+ space per questioni di maggiore efficienza

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+(+ ExoKernel, AnyKernel)

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+### Organizzazione del kernel

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+Kernel Monolitici

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+- Un insieme completo e unico di procedure mutuamente correlate e coordinate

+ System calls

+ Implementano servizi forniti dal kernel, tipicamente realizzati in moduli eseguiti in kernel mode

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+Esiste modularità, anche se l’integrazione del codice, e il fatto che tutti i moduli sono eseguiti nello stesso spazio, è tale da rendere tutto l’insieme un corpo unico in esecuzione

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+### Organizzazione del kernel

+

+Kernel Monolitici:

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+Efficienza

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+- L’alto grado di coordinamento e integrazione delle routine

+ permette di raggiungere ottimi livelli di efficienza

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+Modularità

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+- I più recenti kernel monolitici (Es. LINUX) permettono di effettuare il caricamento (load) di moduli eseguibili a runtime

+- Possibile estendere le potenzialità del kernel, solo su richiesta

+- Esempi di Kernel monolitici: LINUX, FreeBSD UNIX

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+### Microkernel o sistemi client/server

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+problema: i kernel continuano a crescere in complessita

+idea: rimuover dal kernel tutte le parti non essenziali e implementarle come processo a livello utente

+Esempio: per accedere a un file un processo interagisce con il processo gestore del file system

+Un kernel perfetto avrebbe solo 2 system calls (send e recieve)

+Es: AIX, BeOS, L4, Mach, Minix, MorphOS, QNX, RadiOS, VSTa

+cosa si perde? efficienza (tante richieste)

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+**Quali funzionalità deve offrire un microkernel?**

+

+- funzionalità minime di gestione dei processi e della memoria

+- meccanismi di comunicazione per permettere ai processi clienti di chiedere servizi ai processi serventi

+

+**La comunicazione è basata su message passing**

+il microkernel si occupa di smistare i messaggi fra i vari processi

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+Quelli di gnu volevano fare un microkernel, avevano fatto tutto il sistema ma mancava il kernel. Linus riusci per opportunita e tempo a batterli

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+**System call di un s.o. basato su microkernel**

+Tramite queste due system call, è possibile implementare l'API standard di gran parte dei sistemi operativi

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+```c

+int open(char* file, ...)

+{

+msg = < OPEN, file, ... >;

+send(msg, file-server);

+fd = receive(file-server);

+return fd;

+}

+```

+

+Vantaggi

+

+- il kernel risultante è molto semplice e facile da realizzare

+- il kernel è più espandibile e modificabile

+ - per aggiungere un servizio: si aggiunge un processo a livello utente, senza dover ricompilare il kernel

+ - per modificare un servizio: si riscrive solo il codice del servizio stesso

+- il s.o. è più robusto

+ - se per esempio il processo che si occupa di un servizio cade, il resto del sistema può continuare ad eseguire

+- sicurezza

+ - è possibile assegnare al microkernel e ai processi di sistema livelli di sicurezza diversi

+- adattabilità del modello ai sistemi distribuiti

+ - la comunicazione può avvenire tra processi nello stesso sistema o tra macchine differenti

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+Minix: Il kernel

+è dato dal gestore dei processi e dai task

+i task sono thread del kernel

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+### Confronto tra kernel monolitici e microkernel

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+- Monolitico

+ - Considerato obsoleto nel 1990...

+ - È meno complesso gestire il codice di controllo in un’unica area di indirizzamento (kernel space)

+ - È più semplice realizzare la sua progettazione (corretta)

+- Micro Kernel

+ - Più usato in contesti dove non si ammettono failure

+ - Es. QNX usato per braccio robot Space shuttle

+ - N.B. Flamewar tra L. Torwalds e A. Tanembaum riguardo alla soluzione migliore tra Monolitico e Micro Kernel https://en.wikipedia.org/wiki/Tanenbaum%E2%80%93Torvalds_debate

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+### Kernel Ibridi

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+Kernel Ibridi (Micro kernel modificati)

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+- Si tratta di micro kernel che mantengono una parte di codice in “kernel space” per ragioni di maggiore efficienza di esecuzione

+- ...e adottano message passing tra i moduli in user space

+ N.B.

+- i kernel Ibridi non sono da confondere con Kernel monolitici in grado di effettuare il caricamento (load) di moduli dopo la fase di boot.

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+### Windows NT e derivati

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+Windows NT è dotato di diverse API

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+- Win32, OS/2, Posix

+ Le funzionalità delle diverse API sono implementate tramite processi server

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+### ExoKernel (kernel di sistemi operativi a struttura verticale)

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+Approccio radicalmente modificato per implementare O.S.

+Motivazioni

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+- Il progettista dell’applicazione ha tutti gli elementi di controllo per decisioni riguardo alle prestazioni dell’HW

+- Dispone di Libreria di interfacce connesse all’ExoKernel

+- Es. User vuole allocare area di memoria X o settore disco Y

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+Limiti

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+- Tipicamente non vanno oltre l’implementazione dei servizi di protezione e multiplazione delle risorse

+- Non forniscono astrazione concreta del sistema HW

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+### AnyKernel

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+Driver in user space

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+- I driver possono essere caricati in user space

+- Rapido/sicuro sviluppo di driver

+- Il concetto può essere esteso a file system e stack di rete

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+### Macchine virtuali

+

+E' un approccio diverso al multitasking

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+- invece di creare l'illusione di molteplici processi che posseggono la propria CPU e la propria mememoria...

+- si crea l'astrazione di un macchina virtuale

+ Le macchine virtuali

+- emulano il funzionamento dell'hardware

+- è possibile eseguire qualsiasi sistema operativo sopra di esse

+ 

+

+Vantaggi:

+

+- consentono di far coesistere so differenti

+- possono fare funzionare so monotask in un sistema multitask e sicuro (es. linux in macos o windows e viceversa)

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+Svantaggi:

+

+- soluzioni inefficienti

+- istruzioni hw di virtualizzazione (istruzioni VMX)

+- difficile condividere risorse

+

+es. storici IBM VM, la macchina virtuale java o python