ऑपरेटिंग सिस्टम्स

प्रोसेस, थ्रेड्स, कंकरेंसी, मेमोरी वर्चुअलाइज़ेशन, और फ़ाइल सिस्टम्स, एक मानक अंडरग्रेजुएट ऑपरेटिंग सिस्टम्स कोर्स को कवर करते हुए।

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बुनियादी सिद्धांत

• एक ऑपरेटिंग सिस्टम क्या करता है: OS वह परत है जो कच्चे, साझा हार्डवेयर को प्रोग्रामों के लिए एक साफ़, सुरक्षित एब्स्ट्रैक्शन में बदल देती है।
• सिस्टम कॉल और कर्नेल मोड: वह नियंत्रित दरवाज़ा, कर्नेल मोड में एक ट्रैप, जिसे कोई प्रोग्राम OS से अपनी ओर से कुछ करवाने के लिए इस्तेमाल करता है।

प्रोसेस और थ्रेड्स

• प्रोसेस एब्स्ट्रैक्शन: किसी चल रहे प्रोग्राम का यह भ्रम कि उसके पास अपना ही CPU और मेमोरी है, जिसे OS एक प्रोसेस कंट्रोल ब्लॉक के ज़रिए ट्रैक करता है।
• प्रोसेस निर्माण और नियंत्रण: fork, exec, और wait कॉल जो प्रोसेस बनाते, बदलते और साफ़ करते हैं।
• इंटरप्रोसेस कम्युनिकेशन: पाइप्स, शेयर्ड मेमोरी, और मैसेज पासिंग, वे तरीके जिनसे अलग-अलग प्रोसेस सुरक्षित रूप से डेटा का आदान-प्रदान करते हैं।

कंकरेंसी

• थ्रेड्स: एक ही प्रोसेस की एड्रेस स्पेस को साझा करने वाले कई स्वतंत्र एक्ज़ीक्यूशन पथ।
• रेस कंडीशन और क्रिटिकल सेक्शन: जब दो थ्रेड बिना तालमेल के एक ही समय पर एक ही डेटा छूते हैं तो क्या गड़बड़ होती है।
• लॉक और म्यूचुअल एक्सक्लूज़न: एक लॉक जो एक समय पर सिर्फ़ एक थ्रेड को क्रिटिकल सेक्शन चलाने देता है।
• सेमाफ़ोर और कंडीशन वेरिएबल्स: गिनती करने वाले लॉक और सिग्नल-तक-प्रतीक्षा प्रिमिटिव्स, एक साधारण म्यूटेक्स से ज़्यादा लचीले टूल।
• क्लासिक सिंक्रोनाइज़ेशन समस्याएँ: नामी पहेलियाँ, प्रोड्यूसर-कंज़्यूमर, रीडर्स-राइटर्स, डाइनिंग फ़िलॉसफ़र्स, जो किसी सिंक्रोनाइज़ेशन डिज़ाइन को परखती हैं।
• डेडलॉक: थ्रेड्स का एक चक्र जिसमें हर एक किसी दूसरे के पास मौजूद लॉक का इंतज़ार करता है, इसलिए कोई भी आगे नहीं बढ़ पाता।

CPU शेड्यूलिंग

• CPU शेड्यूलिंग की बुनियादी बातें: वह नीति जो तय करती है कि तैयार प्रोसेसों में से अगला कौन सा चलेगा, और कितनी देर तक।
• एडवांस्ड और असली दुनिया की शेड्यूलिंग: शेड्यूलिंग नीतियाँ, प्रायोरिटी क्यू, MLFQ, CFS, जो एक जैसे काम मान लेने की बजाय असली वर्कलोड के हिसाब से ढलती हैं।

मेमोरी वर्चुअलाइज़ेशन

• एड्रेस स्पेस: हर प्रोसेस का मेमोरी का निजी नज़रिया, शून्य से शुरू होकर, जिसे OS असली फ़िज़िकल RAM पर मैप करता है।
• फ़्री-स्पेस मेमोरी एलोकेशन: OS प्रोसेसों के बीच फ़िज़िकल मेमोरी को कैसे बांटता है, और बचे हुए फ़्री स्पेस को कैसे ट्रैक करता है।
• पेजिंग: मेमोरी को तय-आकार के पेजों में बांटना ताकि किसी प्रोसेस की एड्रेस स्पेस को एक ही सटीक ब्लॉक में रहने की ज़रूरत न पड़े।
• TLB और तेज़ एड्रेस ट्रांसलेशन: हाल की एड्रेस ट्रांसलेशन का एक छोटा हार्डवेयर कैश, ताकि पेजिंग हर एक्सेस पर एक मेमोरी एक्सेस जितनी महंगी न पड़े।
• मल्टी-लेवल और इनवर्टेड पेज टेबल: मल्टी-लेवल और इनवर्टेड पेज टेबल, ट्रांसलेशन संरचना को खुद बहुत ज़्यादा मेमोरी खाने से रोकने के तरीके।
• वर्चुअल मेमोरी और पेज रिप्लेसमेंट: पेजों को डिस्क पर स्वैप करके कुल मेमोरी उपयोग को फ़िज़िकल RAM से ज़्यादा होने देना, और यह तय करना कि कौन सा पेज हटाया जाए।

स्टोरेज और I/O

• I/O डिवाइस और इंटरप्ट: OS डिवाइसों से कैसे बात करता है, पोलिंग, इंटरप्ट, या DMA के ज़रिए, बिना CPU को हर ट्रांसफ़र पर नज़र रखे।
• हार्ड डिस्क और SSD: घूमने वाली डिस्क और फ़्लैश स्टोरेज असल में डेटा कैसे स्टोर और वापस लाते हैं, और उनकी परफ़ॉर्मेंस अलग क्यों होती है।
• फ़ाइल सिस्टम एब्स्ट्रैक्शन: फ़ाइलें और डायरेक्टरीज़ OS के यूज़र-फ़ेसिंग मॉडल के तौर पर, जो कच्चे डिस्क ब्लॉकों के ऊपर बैठी होती हैं।
• फ़ाइल सिस्टम इम्प्लीमेंटेशन: एक असली फ़ाइल सिस्टम, FFS, FAT, NTFS, डिस्क पर इनोड्स, डायरेक्टरीज़, और डेटा ब्लॉक्स को कैसे व्यवस्थित करता है।
• क्रैश कंसिस्टेंसी और जर्नलिंग: क्रैश के बाद फ़ाइल सिस्टम की डिस्क संरचनाओं को सुसंगत रखना, जर्नलिंग या fsck जैसी जाँच के ज़रिए।
• रिडंडेंसी और RAID: डेटा को कई डिस्कों में फैलाना या डुप्लिकेट करना ताकि एक ड्राइव खराब होने पर डेटा न खोए।

सुरक्षा

• प्रोटेक्शन और सिक्योरिटी की बुनियादी बातें: वे प्रिविलेज लेवल और एक्सेस जाँचें जो एक प्रोसेस को दूसरे की मेमोरी पढ़ने या बिगाड़ने से रोकती हैं।
• वर्चुअल मशीनें और कंटेनर: किसी होस्ट OS या हाइपरवाइज़र के ऊपर एक पूरा गेस्ट OS, या एक हल्का कंटेनर, चलाना।