Sistemi operativi, processi e file system

1. Che cos’è un sistema operativo?

Il sistema operativo (SO, in inglese operating system, OS) è l’insieme coordinato di componenti software che gestisce le risorse di elaborazione, memoria e input/output, controlla l’accesso ai dati e mette a disposizione servizi utilizzati dalle applicazioni. È un software di sistema: non è un componente fisico e non coincide con il computer nel suo insieme.

Quando apriamo un browser, per esempio, il sistema operativo avvia i processi necessari, assegna memoria, permette di leggere file e inviare dati alla scheda di rete. Il browser rimane un programma applicativo; il sistema operativo, invece, rende disponibili le funzioni necessarie al suo funzionamento.

Un SO svolge due ruoli complementari: gestore delle risorse, perché coordina risorse condivise e limitate, e fornitore di astrazioni e servizi, perché consente ai programmi di lavorare con file, finestre e connessioni senza dover conoscere ogni dettaglio elettrico dell’hardware.

Perché un computer ha bisogno di un sistema operativo?

Immaginiamo tre applicazioni che chiedono contemporaneamente di usare la stampante, leggere un file e occupare la memoria. Senza regole comuni, ogni programma dovrebbe conoscere il dispositivo e negoziare direttamente l’accesso alle risorse. Un SO general purpose offre invece un punto di coordinamento: assegna tempo di esecuzione, isola gli spazi di memoria, semplifica l’accesso ai dispositivi in operazioni come «apri» e «scrivi» e controlla gli accessi.

La parola astrazione indica proprio questo: il programma vede un’interfaccia più semplice della complessità fisica sottostante. Quando un’applicazione richiede di aprire relazione.txt, non deve calcolare autonomamente in quale cella di un SSD sia collocato ogni byte.

2. Hardware, firmware, sistema operativo e applicazioni

L’hardware comprende processori, RAM, SSD, tastiere e altre componenti materiali. Il firmware è software legato al dispositivo, spesso conservato in memoria non volatile: il firmware UEFI di molti PC contribuisce all’inizializzazione e all’avvio. Il sistema operativo gestisce l’ambiente di esecuzione e le risorse. Le applicazioni realizzano attività per l’utente, come scrivere un testo o navigare nel Web.

Questa tabella è un modello didattico, non una catena rigida: il firmware può intervenire anche durante il funzionamento e i componenti software comunicano tramite molte interfacce. Un programma in linguaggio macchina non è hardware: rimane codice eseguito dall’hardware.

Software di sistema: uno stesso obiettivo, responsabilità differenti

Il firmware permette, tra l’altro, di inizializzare componenti e partecipare all’avvio; il kernel governa operazioni privilegiate; i servizi di sistema svolgono funzioni comuni; l’applicazione risolve un compito dell’utente. Il confine non è sempre netto in ogni implementazione: un driver, per esempio, può essere eseguito nel kernel oppure in spazio utente.

3. Le funzioni fondamentali del sistema operativo

Le responsabilità del SO sono diverse ma collegate. La gestione della CPU sceglie le attività eseguibili; la gestione della memoria assegna spazio e protegge le aree dei processi; il file system organizza i dati persistenti; i servizi di input/output coordinano dispositivi e trasferimenti; il controllo degli accessi applica identità e permessi.

Il SO offre inoltre servizi per creare processi, aprire file, gestire la rete e comunicare con le periferiche. Molte applicazioni richiedono questi servizi tramite chiamate di sistema (system call) e librerie che le utilizzano. Una chiamata di sistema permette a codice applicativo di richiedere un’operazione controllata dal sistema.

Dal servizio richiesto alla risorsa reale

Consideriamo la richiesta di lettura di un file. L’applicazione invoca una funzione di libreria, che può tradursi in una o più system call. Il kernel verifica parametri e autorizzazioni, interagisce con il file system e coordina l’I/O. Al termine la funzione restituisce dati oppure un’indicazione di errore; l’applicazione deve saper gestire entrambi gli esiti.

Di conseguenza, questa separazione spiega anche perché un’applicazione ordinaria non può ignorare i permessi semplicemente scegliendo un diverso pulsante della propria interfaccia: l’autorizzazione è applicata al livello dei servizi di sistema.

4. Kernel, spazio utente e servizi di sistema

Il kernel è il nucleo del sistema operativo. Esegue operazioni privilegiate e coordina risorse fondamentali, come CPU, memoria e I/O. Le applicazioni normali lavorano prevalentemente in uno spazio utente meno privilegiato, per ridurre il rischio che un errore alteri l’intero sistema.

In particolare, la distinzione riguarda livelli di privilegio e modalità di accesso alle risorse, non due luoghi fisici della RAM. Attraverso interfacce controllate, il codice utente richiede servizi al kernel. Alcuni SO impiegano architetture monolitiche modulari, altri microkernel o soluzioni ibride: per ora è più importante comprendere la separazione delle responsabilità che memorizzare classificazioni architetturali.

I servizi di sistema sono componenti che svolgono attività di supporto, ad esempio stampa, gestione di sessioni o funzioni di rete; a seconda del sistema possono essere eseguiti nello spazio utente oppure avere parti nel kernel.

Modalità utente e modalità kernel

Molte CPU mettono a disposizione modalità con privilegi diversi. Quando il codice in spazio utente chiede un servizio privilegiato, attraversa un’interfaccia controllata: il processore passa al contesto necessario per eseguire il codice del kernel e successivamente torna all’applicazione. Non significa che il programma acquisisca liberamente tutti i privilegi del kernel.

5. GUI, CLI e shell: come comunichiamo con il computer

Una GUI (Graphical User Interface) presenta finestre, icone, pulsanti e menu. Una CLI (Command-Line Interface) consente di impartire comandi scritti. Entrambe possono essere utilizzate per svolgere molte delle stesse attività, con strumenti e procedure differenti.

La shell è un programma che interpreta comandi o facilita l’interazione con il sistema. Una shell testuale può essere usata dentro un terminale; il terminale è l’ambiente che visualizza testo e riceve input, mentre la shell interpreta comandi. Una shell non coincide con il kernel.

Tuttavia, non tutti i comandi funzionano identicamente in Windows, Linux e macOS: nomi, sintassi e permessi dipendono dalla shell e dall’ambiente.

Confronto operativo su sistemi differenti

Questi comandi illustrano le interfacce, non richiedono privilegi amministrativi se si lavora in una cartella personale. Non confondere PowerShell con il vecchio Prompt dei comandi: sono ambienti diversi, anche quando alcuni nomi coincidono.

6. Dall’accensione all’ambiente utente: il boot

Il boot è la procedura che porta un dispositivo dall’accensione a un ambiente utilizzabile. Per molti PC moderni si può usare questa sequenza semplificata:

1. Il firmware inizializza e verifica le funzioni necessarie all’avvio.
2. Il firmware o un gestore d’avvio individua il software da caricare; quando previsto, interviene un bootloader.
3. Il kernel viene caricato e inizializza strutture di memoria, gestione della CPU e dispositivi necessari.
4. Vengono avviati servizi e programmi di sistema.
5. Si arriva alla schermata di accesso, al desktop o a un’interfaccia testuale.

Si tratta, quindi, di uno schema generale: alcune implementazioni differiscono e non tutte prevedono un bootloader separato. Nei PC storici il BIOS e il MBR avevano ruoli tipici; molti PC moderni adottano UEFI e partizioni di sistema EFI. Non è corretto presentare BIOS e MBR come gli unici meccanismi di avvio possibili.

Che cosa succede tra firmware e desktop?

Il sistema deve identificare una sorgente di avvio autorizzata, caricare il codice necessario e rendere disponibili memoria e dispositivi. Il kernel crea strutture fondamentali e avvia i componenti che predisporranno sessioni e interfacce. Molti servizi vengono inizializzati anche dopo la prima schermata visibile, quindi «compare il desktop» non significa sempre che ogni attività di avvio sia terminata.

7. Programmi, processi e thread

Un programma è un insieme organizzato di istruzioni, spesso conservato come file. Un processo è un’istanza attiva di un programma, con uno spazio di indirizzamento, dati, risorse e uno stato gestito dal SO. Eseguire due volte lo stesso programma può creare due processi distinti.

Un thread è un flusso di esecuzione all’interno di un processo. I thread dello stesso processo condividono normalmente una parte importante delle risorse, come lo spazio di indirizzamento, ma possiedono ciascuno un proprio stato di esecuzione (per esempio registri e stack). In molti sistemi moderni lo scheduler assegna tempo di CPU ai thread eseguibili; parlare di «processi che si alternano» è una semplificazione introduttiva. Il numero di processi non coincide necessariamente con il numero di finestre aperte.

Che cosa contiene il contesto di un processo?

Il SO mantiene strutture informative associate a ciascun processo, spesso descritte nei manuali come PCB (Process Control Block): identificativo, stato, informazioni di gestione, riferimenti allo spazio di indirizzamento, risorse aperte e dati per la pianificazione. Nei sistemi reali nomi e organizzazione di queste strutture variano. Un PCB non è il file eseguibile: è una descrizione del processo mentre viene gestito.

Ogni thread possiede inoltre un contesto di esecuzione, ad esempio contatore delle istruzioni, registri e stack. Un processo può contenere più thread; se due thread modificano lo stesso dato condiviso senza coordinamento, possono produrre un risultato inatteso: questa situazione introduce il problema della sincronizzazione, che qui riconosciamo senza approfondire algoritmi avanzati.

8. Gli stati di un processo e le transizioni

Per ragionare sul comportamento dei processi utilizziamo un modello didattico a cinque stati: nuovo (in creazione), pronto (può essere eseguito, ma attende CPU), in esecuzione (sta utilizzando una CPU), in attesa (non può proseguire finché non si verifica un evento), terminato (ha concluso).

Attesa non significa semplicemente «sto aspettando il mio turno»: in quel caso lo stato è pronto. Inoltre, i SO reali hanno stati e dettagli più complessi del modello scolastico.

Una traccia temporale con attesa di I/O

Questo schema descrive un’unità con un solo flusso di esecuzione. In un processo multithread, thread differenti possono trovarsi contemporaneamente in stati diversi.

9. Multitasking, concorrenza e parallelismo

Il multitasking permette di far progredire più attività nello stesso intervallo di tempo. Su una singola CPU logica, più thread possono avanzare alternandosi rapidamente: questa è una forma di concorrenza, non necessariamente di esecuzione simultanea. Il parallelismo si verifica quando più attività sono effettivamente eseguite nello stesso momento su risorse di calcolo differenti, per esempio core diversi.

Inoltre, un computer multicore può combinare concorrenza e parallelismo. Inoltre, durante l’attesa di un dispositivo, una CPU può svolgere altro lavoro. Dunque vedere varie finestre aperte non dimostra che ciascuna abbia una CPU dedicata.

Un confronto con una sola CPU logica e con due

10. Scheduling e time slice

Lo scheduling è la scelta di quale attività pronta eseguire e per quanto tempo. Nel modello scolastico trattiamo i processi come singole unità di esecuzione; negli OS moderni, come visto, la decisione riguarda tipicamente i thread. Lo scheduler cerca di bilanciare reattività, utilizzo della CPU, equità ed eventuali priorità.

In alcuni algoritmi un processo può essere preempted, cioè interrotto dal SO anche se non ha finito. Il time slice o quantum è un intervallo massimo di esecuzione continuativa previsto in determinati schemi: non è una durata universale, uguale su tutti i sistemi operativi.

Se un’attività usa poco tempo CPU e poi aspetta un file, può cedere il controllo prima della fine del quantum. Se invece usa intensamente la CPU, può esaurire il proprio turno e tornare pronta.

Le misure dello scheduler

Per confrontare algoritmi occorre dichiarare la metrica. Il tempo di completamento è l’istante in cui il lavoro termina; il turnaround time è il tempo dal suo arrivo alla conclusione; il tempo di attesa è quello trascorso nella coda dei pronti nel modello senza I/O; il tempo di risposta misura quanto passa dall’arrivo fino alla prima assegnazione della CPU.

Perciò, un algoritmo può migliorare la risposta iniziale senza migliorare il tempo medio di attesa: per questo confrontare solo una misura non basta.

11. Tre algoritmi introduttivi: FCFS, Round Robin e priorità

FCFS — First Come, First Served

Nel modello FCFS non preemptive le attività sono servite nell’ordine di arrivo e restano sulla CPU fino alla conclusione del loro burst CPU (intervallo di calcolo) o a un evento che le blocca. Un lavoro lungo arrivato per primo può far attendere gli altri.

Round Robin

In Round Robin ciascuna attività pronta ottiene al massimo un quantum; se non ha completato il lavoro CPU, torna in coda. È utile per comprendere la condivisione temporale, ma il costo dei cambi di contesto non è nullo.

Scheduling a priorità

Si favoriscono attività di priorità maggiore. Il comportamento dipende dalla regola scelta: priorità statiche o dinamiche, preemption e gestione delle parità. Una politica troppo rigida può causare starvation, cioè attese molto lunghe di attività meno prioritarie.

Diagramma di Gantt: lettura guidata

Il diagramma di Gantt distribuisce il tempo sull’asse orizzontale: ogni intervallo riporta quale processo occupa la CPU. Gli intervalli sono rappresentati come [inizio, fine), cioè comprendono l’istante iniziale ma non quello finale. In questo modo non contiamo due volte il confine tra due turni.

Un esempio di priorità

Supponiamo che A, B e C arrivino insieme, richiedano 4, 2 e 1 ms e abbiano rispettivamente priorità 2, 1 e 3, dove 3 è la più alta. Con politica a priorità non preemptive e nessun I/O, l’ordine è C → A → B. Attese: C=0 ms, A=1 ms, B=5 ms; attesa media = (0+1+5)/3 = 2 ms. Cambiando la convenzione delle priorità o ammettendo preemption, il risultato può cambiare: le regole devono essere esplicite.

12. Il cambio di contesto

Il context switch è il passaggio dall’esecuzione di un’attività a un’altra. Il SO conserva lo stato necessario alla ripresa, come registri e altre informazioni, e ripristina quello dell’attività successiva. È come interrompere un esercizio segnando il punto raggiunto, poi riprendere un altro esercizio dal punto in cui era stato sospeso.

In ogni caso, questo passaggio richiede lavoro: perciò turni troppo brevi possono produrre un numero elevato di cambi di contesto. Non ogni passaggio tra modalità utente e kernel implica necessariamente un cambio di processo, né tutti i cambi hanno lo stesso costo.

Quali informazioni vengono salvate?

Prima di sospendere un thread, il sistema deve conservare informazioni sufficienti per proseguire correttamente: posizione nel flusso di istruzioni, valori dei registri necessari, puntatore dello stack e altri dati secondo l’architettura. Se il thread successivo appartiene a un processo diverso, possono variare anche le mappature di memoria e i dati di contesto associati.

13. Gestione e protezione della memoria

La RAM contiene dati e istruzioni necessari alle attività in corso, ma è una risorsa limitata. Il SO tiene traccia delle aree allocate, collabora con l’hardware per gestire gli indirizzi e applica meccanismi di protezione per ridurre la possibilità che un processo alteri arbitrariamente la memoria di un altro.

È importante distinguere la quantità di RAM installata, la memoria fisica effettivamente disponibile e la memoria virtuale utilizzabile dai processi: sono grandezze collegate, non sinonimi. I processi non possiedono di norma un blocco fisico fisso e continuo per ogni loro dato.

Allocazione e isolamento

Quando l’editor richiede memoria per il contenuto del documento, il sistema rende disponibile uno spazio di indirizzamento coerente con le richieste e con i limiti del processo. La MMU (Memory Management Unit) e le tabelle di mappatura permettono di tradurre gli indirizzi; i bit di protezione possono vietare accessi non autorizzati. È possibile che parti della memoria virtuale non abbiano ancora una pagina fisica assegnata fino al primo utilizzo.

Di conseguenza, un indirizzo numericamente uguale in due processi non identifica necessariamente la stessa posizione fisica: ciascun processo può avere mappature differenti. È uno dei motivi per cui la memoria virtuale aiuta sia l’organizzazione sia l’isolamento.

14. Memoria virtuale, paginazione e page fault

La memoria virtuale è un meccanismo di gestione degli indirizzi che offre ai processi spazi di indirizzamento virtuali e permette di mappare i loro indirizzi su risorse fisiche, con protezione e flessibilità. Non coincide con il file di paging o con una porzione di SSD: questi possono essere strumenti di supporto, ma non definiscono da soli la memoria virtuale.

Nella paginazione, lo spazio virtuale è organizzato in pagine e la memoria fisica in frame di dimensione corrispondente. Strutture dette tabelle delle pagine, utilizzate dalla CPU insieme al SO, consentono di tradurre gli indirizzi virtuali in indirizzi fisici.

Un page fault si verifica quando un accesso a memoria non può essere completato immediatamente con la mappatura e i permessi correnti: il SO interviene per decidere come gestirlo. Può essere un evento normale, per esempio quando una pagina deve essere caricata o allocata; oppure può causare un errore, quando l’accesso non è valido. Non tutti i page fault richiedono una lettura dall’SSD.

Traduzione degli indirizzi: esercizio svolto

Una piccola tabella delle pagine

Un accesso alla pagina 2 può provocare un page fault. Il kernel potrebbe assegnare un frame o recuperare i dati, se l’accesso è legittimo; in caso contrario potrebbe segnalare un errore. La semplice assenza del frame in questa tabella didattica non permette da sola di decidere quale dei due esiti si verificherà.

Una TLB (Translation Lookaside Buffer) è una cache hardware delle traduzioni usate di recente; non è un file di paging. In questa unità è un approfondimento facoltativo.

15. File, directory e file system

Un file è un’unità logica di dati identificata secondo le regole del file system. Una directory (cartella) consente di organizzare nomi e collegamenti ai file e, normalmente, ad altre directory. Il file system è l’insieme di strutture e regole attraverso cui i dati sono organizzati, identificati e accessibili su un volume o in un ambiente logico.

In particolare, non bisogna confondere SSD e file system: l’SSD è un dispositivo fisico di archiviazione; NTFS, ext4 e APFS sono esempi di file system. Uno stesso dispositivo può ospitare più volumi o partizioni, e un file system può essere presentato anche tramite risorse di rete o dispositivi virtuali.

Un file può avere contenuto e metadati: ad esempio nome, dimensione, informazioni temporali e attributi o permessi, secondo il sistema utilizzato. Le estensioni (.txt, .jpg) aiutano a riconoscere alcuni formati, ma non garantiscono da sole la natura dei dati contenuti.

Dal nome del file ai blocchi del supporto

Quando chiediamo di leggere misure.csv, il SO usa il percorso per raggiungere la directory che contiene il riferimento al file; il file system individua poi i dati secondo le sue strutture. I byte non devono occupare necessariamente una sola area fisica continua. In modo differente secondo il file system, le informazioni di gestione permettono di associare il contenuto logico del file alle posizioni utilizzate dal supporto.

Le directory possono contenere collegamenti e i permessi possono essere ereditati o valutati lungo il percorso. Questo introduce la differenza tra trovare un nome e essere autorizzati ad aprire il relativo contenuto.

16. Struttura gerarchica, percorsi e permessi

Una gerarchia di directory permette di organizzare file in cartelle annidate. Un percorso assoluto parte da un punto di riferimento principale (radice del file system oppure unità e radice, secondo la piattaforma); un percorso relativo viene interpretato a partire da una directory corrente.

ProgettoScienze/
├── Dati/
│   └── misure.csv
├── Grafici/
│   └── temperatura.png
└── relazione.txt

Se la directory corrente è ProgettoScienze, il percorso relativo del file dei dati è Dati/misure.csv. In un ambiente Unix-like, un esempio di percorso assoluto è /home/studente/ProgettoScienze/Dati/misure.csv; su Windows, C:\Users\Studente\ProgettoScienze\Dati\misure.csv è un esempio illustrativo di percorso assoluto, che può cambiare da un computer all’altro.

I permessi stabiliscono quali operazioni possono essere consentite, per esempio lettura, modifica ed esecuzione. Per le directory, l’accesso e l’attraversamento possono essere soggetti a permessi specifici. Le regole differiscono tra file system e SO; non è corretto pensare che chiunque possa sempre aprire o modificare qualsiasi file.

Percorsi, radici e directory corrente

Il simbolo . indica in molte shell e convenzioni la directory corrente, mentre .. indica la directory genitore. Partendo da ProgettoScienze/Grafici, il percorso ../Dati/misure.csv risale a ProgettoScienze e scende nella sottocartella Dati. Pertanto, un percorso assoluto non dipende dalla directory corrente, ma resta dipendente dall’organizzazione del sistema in cui è scritto.

17. Driver, controller, buffering e interrupt

Una periferica è un dispositivo che scambia informazioni con il computer. Il controller è un componente hardware o un insieme di logiche che governa un dispositivo o un’interfaccia. Il driver è software che consente al SO di comunicare con specifiche categorie di dispositivi e gestirne le operazioni, secondo l’architettura del sistema.

Il buffering utilizza una memoria temporanea per gestire differenze di velocità e organizzare trasferimenti. Un interrupt è un meccanismo con cui hardware o software segnala al processore un evento che richiede attenzione. In alternativa o in combinazione possono essere usate altre tecniche, come il polling.

Un I/O asincrono, passo dopo passo

Un programma richiede la lettura di dati. Il kernel e il driver predispongono l’operazione; il controller del dispositivo esegue il lavoro previsto. Se il programma ha richiesto una lettura bloccante, il suo thread può passare in attesa. Al completamento, un interrupt o un altro meccanismo di segnalazione permette al sistema di aggiornare lo stato dell’operazione, rendendo eventualmente il thread di nuovo pronto.

Nel polling il software controlla ripetutamente una condizione; con gli interrupt è invece possibile ricevere una segnalazione dell’evento. Nessuno dei due approcci è universalmente migliore e i dispositivi possono combinarli. Il buffer è uno spazio temporaneo di dati; una coda organizza l’ordine delle richieste. Non sono sinonimi.

18. Utenti, accessi, aggiornamenti e backup

Un account utente permette di associare operazioni e risorse a un’identità. Un account ordinario ha privilegi limitati; un account amministrativo può svolgere operazioni più delicate, come modificare configurazioni di sistema. Il principio del minimo privilegio suggerisce di assegnare soltanto le autorizzazioni necessarie.

Gli aggiornamenti possono correggere errori, vulnerabilità e incompatibilità; richiedono comunque attenzione alle procedure e alla disponibilità dei dati. Un backup è una copia recuperabile di dati importanti, preferibilmente separata dall’originale e verificata periodicamente. Non va confuso con la sincronizzazione automatica: se una cancellazione viene sincronizzata, può propagarsi anche su altri dispositivi.

Infine, il sistema operativo contribuisce alla sicurezza, ma non garantisce da solo che ogni programma sia affidabile o che ogni dato sia automaticamente protetto da perdita e uso improprio.

La differenza tra autorizzazione e autenticazione

L’autenticazione verifica con quale identità un soggetto accede al sistema; l’autorizzazione stabilisce che cosa può fare. Conoscere una password non garantisce automaticamente il diritto di modificare un file protetto: i permessi vengono valutati secondo l’identità e le regole del sistema.

19. Le principali famiglie di sistemi operativi

Non esiste un sistema «migliore in assoluto»: piattaforme e versioni hanno caratteristiche differenti e la scelta dipende dalle esigenze, dal software disponibile, dalle risorse e dal contesto d’uso. Il sistema operativo non va confuso con la sua interfaccia grafica, con il kernel o con una particolare distribuzione.

Le famiglie non sono soltanto interfacce grafiche

Windows include kernel, servizi, strumenti grafici e testuali. In una distribuzione GNU/Linux il kernel Linux è integrato con utilità, librerie, servizi e, se previsto, un ambiente desktop. macOS combina il proprio kernel e servizi con applicazioni e interfacce dell’ecosistema Apple. Android usa il kernel Linux ma non è semplicemente una normale distribuzione desktop GNU/Linux; iOS è un sistema mobile distinto da macOS pur condividendo basi tecnologiche.

Esempio concreto: «Aprire Gestione attività» in Windows, «Monitoraggio Attività» in macOS o un monitor processi in Linux serve a osservare risorse simili, ma le metriche mostrate e i nomi delle colonne possono non essere direttamente equivalenti.

20. Tre situazioni reali, errori frequenti e sintesi

Situazione A — Aprire un file mentre il browser lavora

Il browser e il programma che apre il file possono essere processi distinti. Il SO mantiene le loro risorse, fa progredire i thread pronti, coordina la lettura dei dati dal file system e risponde agli eventi della tastiera. Se un processo deve aspettare l’I/O, altri thread possono utilizzare la CPU.

Situazione B — Un PC sembra rallentare

Il rallentamento può avere cause diverse: CPU molto occupata, memoria sotto pressione, trasferimenti lenti o altre attività in corso. Non basta osservare una sola percentuale per individuare la causa: è utile confrontare i dati degli strumenti di monitoraggio del SO e ricordare che correlazione non equivale automaticamente a causa.

Situazione C — Organizzare il lavoro di classe

La cartella Classe1 contiene le sottocartelle Testi, Dati e Immagini. Un file di misure resta nei Dati, il grafico nelle Immagini, la relazione nei Testi. Nomi chiari e backup verificabili facilitano la ricerca e il recupero dei materiali.

Errori frequenti da evitare

• Confondere il SO con la CPU o con il firmware.
• Pensare che una finestra corrisponda sempre a un solo processo.
• Confondere pronto con in attesa.
• Equiparare concorrenza e parallelismo.
• Credere che memoria virtuale significhi soltanto «spazio sull’SSD».
• Identificare il file system con il supporto fisico.
• Scambiare shell, terminale e kernel.
• Ritenere che la presenza di backup equivalga automaticamente a ripristino garantito.

Verifica operativa. Su un computer disponibile, apri lo strumento di monitoraggio delle risorse (per esempio Gestione attività in Windows o Monitoraggio Attività in macOS), identifica un processo attivo e osserva CPU e memoria. Non terminare processi di sistema e non modificare configurazioni amministrative. Confronta ciò che osservi con il modello teorico: un singolo programma può usare più processi e più thread.

Sintesi. Il computer fornisce risorse fisiche; il sistema operativo le organizza attraverso kernel e servizi. I programmi attivi sono rappresentati da processi e thread; lo scheduler coordina l’esecuzione; la memoria virtuale abilita traduzione e protezione degli indirizzi; il file system dà una struttura logica ai dati. Questi concetti aiutano a comprendere come funzionano le applicazioni che useremo negli articoli successivi.

Caso completo: dall’avvio dell’editor al salvataggio

Tre verifiche di laboratorio

A. Processi: apri e chiudi un editor e osserva il monitor processi senza terminare attività di sistema. B. Memoria: confronta la memoria riportata prima e dopo l’apertura di un documento, senza aspettarti numeri identici su PC differenti. C. File: crea un file nella cartella personale, cambiane il nome e verifica che il percorso di accesso debba essere aggiornato.

21. Esercizi graduati — Allenati con MEGI

Gli esercizi numerici sono modelli didattici con ipotesi esplicite: non descrivono prestazioni misurate su un sistema operativo reale.

Prova a rispondere prima di aprire ciascuna soluzione. Negli esercizi sullo scheduling usa soltanto le ipotesi dichiarate: un’unica CPU logica, nessun costo di cambio di contesto e nessun I/O, salvo diversa indicazione.

Fondamenti, componenti e interfacce — esercizi 1–5

1. Definizione. Quali sono i due ruoli principali di un sistema operativo?
   
   Soluzione ragionata

   Gestisce e coordina risorse come CPU, memoria e I/O; fornisce astrazioni e servizi alle applicazioni e agli utenti.

2. Classificazione. Classifica UEFI, RAM, browser e kernel.
   
   Soluzione ragionata

   UEFI: firmware; RAM: hardware; browser: software applicativo; kernel: componente fondamentale del sistema operativo.

3. Applicazione — livelli software. Una tastiera genera un evento, il driver lo rende disponibile e l’editor inserisce un carattere. Associa le tre azioni ad hardware, software di sistema e applicazione.
   
   Soluzione ragionata

   La tastiera è hardware; il driver è software di sistema; l’editor è software applicativo. Un’unica azione dell’utente attraversa più livelli.

4. System call. Un programma prova ad aprire un file senza autorizzazione. Quale componente applica il controllo e perché non basta cambiare interfaccia?
   
   Soluzione ragionata

   Il sistema operativo controlla permessi e identità attraverso i servizi di accesso ai file. L’interfaccia dell’applicazione non può eliminare le restrizioni imposte dal SO.

5. Interfacce. Qual è la differenza tra terminale e shell?
   
   Soluzione ragionata

   Il terminale offre l’ambiente di input e visualizzazione testuale; la shell interpreta i comandi impartiti e ne organizza l’esecuzione.

Processi, thread e stati — esercizi 6–10

6. Boot e diagnosi. Quali fasi generali precedono la schermata di accesso? Perché il desktop non dimostra che tutti i servizi siano già completamente avviati?
   
   Soluzione ragionata

   Schema generale: firmware, eventuale bootloader, kernel, servizi, ambiente utente. Alcuni servizi possono continuare a inizializzarsi anche dopo la comparsa del desktop; la sequenza varia secondo il sistema.

7. Programma/processo. Se apri due istanze indipendenti dello stesso editor, possiedi necessariamente due programmi distinti salvati sull’SSD?
   
   Soluzione ragionata

   No. Un solo programma installato può avere più istanze di esecuzione, rappresentate da processi differenti, secondo l’architettura dell’applicazione.

8. Thread. Quali risorse possono condividere i thread dello stesso processo e cosa resta individuale?
   
   Soluzione ragionata

   Condividono normalmente spazio di indirizzamento e risorse del processo; ciascuno possiede proprio stato di esecuzione, come registri e stack.

9. Stati. Un’attività può usare la CPU ma attende che lo scheduler la scelga. Qual è lo stato?
   
   Soluzione ragionata

   Pronto. Non è bloccata su un evento esterno: attende soltanto l’assegnazione della CPU.

10. Stati. Un’attività aspetta la conclusione di un’operazione su file. Quale transizione avviene quando l’evento richiesto arriva?
    
    Soluzione ragionata

    Attesa → Pronto; in seguito potrà passare a Esecuzione quando sarà selezionata.

Scheduling e cambi di contesto — esercizi 11–15

11. Concorrenza. Due thread possono progredire su una CPU logica sola? Sono necessariamente paralleli?
    
    Soluzione ragionata

    Sì, possono progredire alternandosi; non sono necessariamente paralleli perché non vengono eseguiti simultaneamente sulla stessa CPU logica.

12. Scheduling FCFS. A arriva a t=0 e usa 4 ms; B arriva a t=0 e usa 2 ms. Con ordine A poi B, quali sono i tempi di attesa?
    
    Soluzione ragionata

    A esegue [0,4), B [4,6). A attende 0 ms e B 4 ms; media 2 ms.

13. Round Robin. Due processi A e B arrivano a t=0, entrambi richiedono 3 ms di CPU; l’ordine iniziale è A–B e il quantum è 2 ms. Scrivi la timeline.
    
    Soluzione ragionata

    A [0,2), B [2,4), A [4,5), B [5,6). Completamenti: A a 5 ms, B a 6 ms. Tempi di attesa: A = 5−3 = 2 ms; B = 6−3 = 3 ms.

14. Priorità. Perché una politica che favorisce sempre processi ad alta priorità può creare problemi?
    
    Soluzione ragionata

    Le attività a bassa priorità potrebbero attendere molto a lungo (starvation). Per attenuare il problema si possono adottare politiche dinamiche o di invecchiamento delle priorità.

15. Overhead numerico. In una simulazione avvengono 30 cambi di contesto, ognuno del costo ipotetico di 0,1 ms. Quanto tempo viene speso in totale?
    
    Soluzione ragionata

    30 × 0,1 ms = 3 ms. È un modello artificiale: nella pratica il costo non è necessariamente costante.

Memoria virtuale e file system — esercizi 16–20

16. Memoria virtuale. È corretto dire che memoria virtuale = file di paging?
    
    Soluzione ragionata

    No. La memoria virtuale gestisce indirizzi e protezione; il file di paging è solo uno dei meccanismi che alcuni SO possono utilizzare per supportarla.

17. Traduzione degli indirizzi. Con pagine da 4096 byte, l’indirizzo virtuale 12.500 appartiene alla pagina virtuale 3, mappata sul frame 7. Determina offset e indirizzo fisico.
    
    Soluzione ragionata

    12.500 = 3 × 4096 + 212: offset 212. Indirizzo fisico = 7 × 4096 + 212 = 28.884 byte. L’esito presuppone che la pagina sia presente e che i permessi consentano l’accesso.

18. Blocchi di un file. Un file contiene 6000 byte, con blocchi dati non condivisi da 4096 byte e senza compressione. Quanti blocchi dati occorrono almeno e quale capacità complessiva rappresentano?
    
    Soluzione ragionata

    Sono necessari almeno 2 blocchi dati: 2 × 4096 = 8192 byte di capacità allocata per i dati. La dimensione logica del file resta 6000 byte; metadati e altre strutture non sono inclusi.

19. Percorsi. Dalla cartella ProgettoScienze, scrivi il percorso relativo per misure.csv collocato in Dati.
    
    Soluzione ragionata

    Dati/misure.csv nella notazione dell’esempio. Su alcuni sistemi si usa il separatore inverso \.

20. Studio di caso. Stai preparando una relazione mentre ascolti audio e stampi un documento. Indica almeno quattro servizi del SO coinvolti.
    
    Soluzione ragionata

    Scheduling dei thread; assegnazione/protezione della memoria; accesso ai file; gestione audio; servizi e driver di stampa; autorizzazioni dell’utente. Il sistema coordina le attività senza richiedere necessariamente un processore dedicato per ciascuna.

22. Fonti essenziali e approfondimenti

Riferimento curricolare: D.M. 7 ottobre 2010, n. 211 — Indicazioni nazionali, Liceo scientifico, opzione Scienze applicate, Informatica (area SO).

• Indicazioni nazionali — Informatica, Scienze applicate (INDIRE).
• Microsoft Learn — Processes and Threads.
• Microsoft Learn — Memory Management.
• The Linux Kernel documentation — Memory Management.

Approfondimento MEGISTONE: I sistemi operativi — lezione storica, per dettagli aggiuntivi sul bootstrap e sull’evoluzione dei sistemi; va letto distinguendo le procedure dei PC storici da quelle attuali.

Collegamento con il percorso: nell’Articolo 04 studieremo documenti digitali e foglio elettronico scientifico, cioè strumenti applicativi che sfruttano i servizi del sistema operativo descritti in questa unità.