Abgabe: (vor 12 Uhr) Aufgabe 12.1 (P) Siedlerspiel

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN FAKULTÄT FÜR INFORMATIK Lehrstuhl für Sprachen und Beschreibungsstrukturen SS 2011 Einführung in die Informatik I Übungsblatt 12 Prof. Dr. Helmut Seidl, A. Lehmann, A. Herz, Dr. M. Petter Abgabe: (vor 12 Uhr) Aufgabe 12.1 (P) Siedlerspiel a) Implementieren Sie eine Klasse Siedler als Kindklasse der Klasse Thread. Statten Sie Ihre Klasse mit einem Konstruktor aus, der die Übergabe von zwei Objekten (d.h. vom Typ Object) als erwünschte Rohstoffe erlaubt. b) Erweitern Sie Ihre Klasse um eine void run()-methode, in der Sie zuerst ein Lock auf den ersten Rohstoff beantragen, dann 2 Sekunden warten, und dann ein Lock auf den zweiten Rohstoff beantragen und wieder 2 Sekunden warten, bevor Sie beide Locks wieder freigeben. Versehen Sie Ihre run()-methode mit ausreichend vielen erläuternden Statusmeldungen. c) Testen Sie Ihre Klasse Siedler mit den zwei Siedlern Simon und Lewis, sowie den Rohstoffen Stein und Holz in einem main()-programm und untersuchen Sie, ob und unter welchen Umständen es zu einer Verklemmung kommen kann. Lösungsvorschlag 12.1 public class S i e d l e r extends Thread private Object a ; private Object b ; public S i e d l e r ( Object a, Object b ) this. a=a ; this. b=b ; public void run ( ) synchronized ( a ) try System. out. p r i n t l n ( this. getname ( )+ : hat Ressource +a ) ; s l e e p (2000) ; catch ( InterruptedException i e ) System. out. p r i n t l n ( Thread +this. getname ( )+ : moechte gerne Ressource +b ) ; synchronized ( b ) try System. out. p r i n t l n ( this. getname ( )+ : hat Ressource +b ) ; s l e e p (2000) ; catch ( InterruptedException i e )

2 2 public static void main ( S t r i n g [ ] arg ) Object x = new S t r i n g ( S t e i n ) ; Object y = new S t r i n g ( Holz ) ; S i e d l e r simon = new S i e d l e r ( x, y ) ; simon. s t a r t ( ) ; S i e d l e r l e w i s = new S i e d l e r ( y, x ) ; l e w i s. s t a r t ( ) ; Aufgabe 12.2 (P) Producer/Consumer In dieser Aufgabe sollen 3 Threads miteinander kommunizieren. Weiterhin soll es eine globale int-variable zahl geben, auf die alle Threads zugreifen sollen. Thread 1 soll wiederkehrend eine Sekunde schlafen und dann die Variable zahl um eins erhöhen. Thread 2 und 3 sollen immer dann den aktuellen Wert der Variablen zahl ausgeben, wenn dieser durch 7 teilbar ist. Sorgen Sie dafür, dass ein Wert der Variablen zahl von jedem Thread höchstens einmal ausgegeben wird. Thread 2 und 3 sollen über jede Änderung des Wertes der Variablen zahl benachrichtigt werden und dann die Chance erhalten diesen auszugeben. Implementieren Sie geeignete Klassen für die Threads sowie eine main-methode, die die oben geschilderte Situation initialisiert. Lösungsvorschlag 12.2 Der aufzaehlende Thread public class Aufzaehler extends Thread public void run ( ) while ( true ) try Thread. currentthread ( ). s l e e p (1000) ; catch ( InterruptedException ex ) synchronized ( Simple. monitor ) Simple. zahl++; Simple. monitor. n o t i f y A l l ( ) ; Variante 1 für den Ausgabe-Thread und die Test-Klasse c l a s s Ausgeber extends Thread public void run ( ) int l e t z t e Z a h l = 0 ; while ( true ) synchronized ( Simple. monitor )

3 3 while ( Simple. zahl % 7!= 0 Simple. zahl == l e t z t e Z a h l ) try Simple. monitor. wait ( ) ; catch ( InterruptedException ) System. out. p r i n t l n ( Zahl : + Simple. zahl ) ; l e t z t e Z a h l = Simple. zahl ; ex public class Simple static Object monitor = new Object ( ) ; static int zahl = 0 ; public static void main ( S t r i n g [ ] args ) (new Aufzaehler ( ) ). s t a r t ( ) ; (new Ausgeber ( ) ). s t a r t ( ) ; (new Ausgeber ( ) ). s t a r t ( ) ; Variante 2 für den Ausgabe-Thread und die Test-Klasse public c l a s s Ausgeber2 extends Thread public void run ( ) while ( true ) synchronized ( Simple. monitor ) i f ( Simple. zahl % 7 == 0) System. out. p r i n t l n ( Zahl : + Simple. zahl ) ; try Simple. monitor. wait ( ) ; catch ( InterruptedException ex ) public class Simple2 static Object monitor = new Object ( ) ; static int zahl = 0 ; public static void main ( S t r i n g [ ] args ) (new Aufzaehler ( ) ). s t a r t ( ) ; (new Ausgeber2 ( ) ). s t a r t ( ) ; (new Ausgeber2 ( ) ). s t a r t ( ) ; 2 Punkte für die main 2 Punkte um global über den Zustand buch zu führen

4 4 2x1 Punkt extends Thread incl. run() Producer: 5 Punkte 1 try/catch, 1 synchronized, 2 notifyall, 1 sleep Consumer: 7 Punkte 1 try/catch, 1 synchronized, 1 wait, 3 für warten bis Bedingung erfüllt ist, 1 jede Zahl maximal einmal ausgeben Aufgabe 12.3 (P) Ampel Implementieren Sie eine einfache Ampel, die die Abläufe an einem Fußgängerüberweg regelt. Die Ampel regelt den Verkehr an der Kreuzung Badstrasse und Schlossallee. Sie verteilt die Berechtigung, die Kreuzung zu üeberqueren zeitweise an die jeweiligen Verkehrsteilnehmer. a) Implementieren Sie zunächst einen Thread Ampel mit folgenden Eigenschaften: Die Ampel hat nur zwei Zustände: Entweder können die Verkehrsteilnehmer über die Badstrasse oder über die Schlossallee gehen. Im Betrieb wechselt die Ampel permanent zwischen diesen Zuständen, wobei sie in jedem Zustand eine Minute bleibt. Aufrufe zum Überqueren der gerade gesperrten Strasse soll die Ampel bis zum nächsten Zustandswechsel blockieren. b) Geben Sie die Implementierung eines Threads Verkehrsteilnehmer an. Der Verkehrsteilnehmer ist durch seinen Namen gekennzeichnet, und möchte eine der beiden Strassen sicher überqueren. Er soll solange warten, bis die Ampel ihm das Überqueren erlaubt. c) Statten Sie Ihr Programm mit ausreichend Ausgaben aus, um den Ablauf nachvollziehen zu können. d) Schreiben Sie eine main-methode, die zum Testen eine Ampel und mehrere Verkehrsteilnehmer startet. Lösungsvorschlag 12.3 class Verkehrsteilnehmer extends Thread Ampel a ; public Verkehrsteilnehmer ( S t r i n g name, Ampel a ) super (name) ; this. a=a public void run ( ) z u f a l l s w a r t e n ( 5 ) ; try i f (Math. random ( ) >.5) a. ueberquerebadstrasse ( this ) ; else a. u e b e r q u e r e S c h l o s s a l l e e ( this ) ; catch ( InterruptedException i e ) System. e r r. p r i n t l n ( Ampelbetrieb abgebrochen wir warten auf einen V e r k e h r s p o l i z i s t e n! ) ; private static void z u f a l l s w a r t e n ( int i ) try s l e e p ( ( int ) (Math. random ( ) i 1000) ) ; catch ( InterruptedException i e )

5 5 public c l a s s Ampel extends Thread // i n t e r n e r Zustand der Ampel : private boolean b a d s t r a s s e = true ; private boolean s c h l o s s a l l e e = f a l s e ; // Monitor, um den Z u g r i f f auf den Zustand a b z u s i c h e r n // und ueber Zustandsaenderung zu b e n a c h r i c h t i g e n : private Object umschalten = new Object ( ) ; private void umschalten ( ) // Zustand muss atomar u m g e s c h a l t e t werden : synchronized ( umschalten ) b a d s t r a s s e =! b a d s t r a s s e ; s c h l o s s a l l e e =! s c h l o s s a l l e e ; // Wartende Leute b e n a c h r i c h t i g e n umschalten. n o t i f y A l l ( ) ; // Monitor abgeben, um Aktionen f r e i z u g e b e n! public S t r i n g t o S t r i n g ( ) // Zustandsauskunft i s t ein k r i t i s c h e r Bereich! // Um jeden Preis verhindern, dass b e i d e Richtungen // gruen z e i g e n! synchronized ( umschalten ) S t r i n g r e t = ; r e t += Badstrasse hat +(( b a d s t r a s s e )? gruen : rot )+ \n ; r e t += S c h l o s s a l l e e hat +(( s c h l o s s a l l e e )? gruen : rot ) ; return r e t ; private static void ampelphase ( ) try s l e e p (1000) ; catch ( InterruptedException i e public void run ( ) while ( true ) // 1 Sek. s c h l a f e n ampelphase ( ) ; // Zustand aendern umschalten ( ) ; // S t a t u s a u s g a b e System. out. p r i n t l n ( this ) ; public void ueberquerebadstrasse ( Verkehrsteilnehmer v ) throws InterruptedException System. out. p r i n t l n ( v+ w i l l d i e Badstrasse ueberqueren ) ; // S t r a s s e ueberqueren i s t ein k r i t i s c h e r Bereich : // r e a g i e r t s e n s i b e l auf Scheduler g e s t e u e r t e Unterbrechung // zwischen der S c h l e i f e n b e d i n g u n g und dem t a t s a e c h l i c h e n ueberqueren!

6 6 synchronized ( umschalten ) while (! b a d s t r a s s e ) System. out. p r i n t l n ( Badstrasse i s t rot, +v+ muss an der Ampel warten ) ; umschalten. wait ( ) ; System. out. p r i n t l n ( J e t z t i s t gruen, v+ ueberquert d i e Badstrasse ) ; public void u e b e r q u e r e S c h l o s s a l l e e ( Verkehrsteilnehmer v ) throws InterruptedException System. out. p r i n t l n ( v+ w i l l d i e S c h l o s s a l l e e ueberqueren ) ; synchronized ( umschalten ) while (! s c h l o s s a l l e e ) System. out. p r i n t l n ( S c h l o s s a l l e e i s t rot, +v+ muss an der Ampel warten ) ; umschalten. wait ( ) ; System. out. p r i n t l n ( J e t z t i s t gruen, +v+ ueberquert d i e S c h l o s s a l l e e ) ; public static void main ( S t r i n g [ ] args ) Ampel a = new Ampel ( ) ; a. s t a r t ( ) ; for ( int i =0; i <10; i ++) Verkehrsteilnehmer f r e d = new Verkehrsteilnehmer ( Fred Faden der +i+., a ) ; f r e d. s t a r t ( ) ; Aufgabe 12.4 [5 Punkte] (H) Kopfbahnhof Die Haltestelle Garching Forschungszentrum soll durch die Klasse Kopfbahnhof simuliert werden. Die Haltestelle hat zwei Bahnsteige, einen Weichenbereich und zwei Gleise. Alle Züge kommen über Gleis 0 an und verlassen den Bahnhof über Gleis 1. Einfahrende und ausfahrende Züge müssen immer zuerst die Weiche passend stellen. Züge werden durch Threads dargestellt, sie rufen alle die Methode nutzebahnhof des Kopfbahnhofs auf, die den kompletten Ablauf steuert. Aus nutzebahnhof sollen die Methoden einaussteigen und weichestellen aufgerufen werden, sobald ein Zug die jeweilige Ak-

7 7 tion durchführt. Die Methoden einaussteigen und weichestellen sind unveränderlich vorgegeben: public class Kopfbahnhof protected boolean [ ] b a h n s t e i g f r e i = true, true ; // TODO: A t t r i b u t e public void e i n a u s s t e i g e n ( ) // nicht m o d i f i z i e r b a r // l a e s s t P a ssagiere kurze Z e i t lang ein / a u s s t e i g e n public void w e i c h e s t e l l e n ( int bahnsteignr, int g l e i s N r ) // nicht m o d i f i z i e r b a r und n i c h t thread s a f e // s t e l l t und p a s s i e r t d i e Weiche // zwischen bahnsteignr und g l e i s N r public void nutzebahnhof ( ) // TODO: Implementieren Sie die Methode nutzebahnhof() so, dass der Weichenbereich, Bahnsteig 0 und Bahnsteig 1 jeweils immer nur von einem Zug verwendet werden. Ihre Lösung sollte weder Züge unnötig auf freier Strecke noch an einem Bahnsteig warten lassen, noch einen Dead-Lock einführen. Hinweis: Wenn beide Bahnsteige besetzt sind, sollen ankommende Züge vor der Weiche warten bis ein Bahnsteig frei ist! Lösungsvorschlag 12.4 c l a s s Bahnhofimpl extends Kopfbahnhof private Object weichenmonitor = new Object ( ) ; public void nutzebahnhof ( ) int meinbahnsteig = 0 ; synchronized ( weichenmonitor ) // Auf f r e i e n Bahnsteig warten while (! b a h n s t e i g f r e i [ 1 ] &&! b a h n s t e i g f r e i [ 0 ] ) try weichenmonitor. wait ( ) ; catch ( Exception e ) e. printstacktrace ( ) ; return ; // Bahnsteig waehlen i f (! b a h n s t e i g f r e i [ 0 ] ) meinbahnsteig =1; // e i n f a h r e n w e i c h e s t e l l e n ( meinbahnsteig, 0 ) ; b a h n s t e i g f r e i [ meinbahnsteig ]= f a l s e ; // P a s s a giere ein und a u s s t e i g e n l a s s e n! e i n a u s s t e i g e n ( ) ;

8 8 // Wir mã 1 4 ssen wieder d i e Weichen p a s s i e r e n synchronized ( weichenmonitor ) // Bahnsteig f r e i g e b e n b a h n s t e i g f r e i [ meinbahnsteig ]=true ; // ausfahren w e i c h e s t e l l e n ( meinbahnsteig, 1 ) ; // Wartende ZÃ 1 4 ge wecken weichenmonitor. n o t i f y ( ) ; Aufgabe 12.5 [5 Punkte] (H) ReaderWriter Es soll ein ReaderWriterLock mittels Semaphoren implementiert werden. Ähnlich einem synchronized Block verhindert der Lock den ungeschützten Zugriff mehrerer Threads auf ein Objekt. Der ReaderWriterLock muss vor der Benutzung des Objekts akquiriert werden. Nach der Benutzung des Objekts wird der Lock wieder freigegeben. Ein synchronized Block gestattet immer nur einem einzigen Benutzer auf das Objekt zuzugreifen. Falls mehrere Benutzer auf ein Objekt nur lesend zugreifen wollen, dann könnte dies auch parallel geschehen, ohne Probleme zu verursachen. Deshalb unterscheidet der ReaderWriterLock zwischen lesendem und schreibendem Zugriff. Eine vorgegebene, maximale Anzahl von Benutzer darf gleichzeitig lesend zugreifen während höchstens ein Benutzer das Objekt modifizieren darf sobald sichergestellt ist, dass kein anderer Benutzer während dessen lesend zugreift. public interface R e a d e r W r i t e r I n terface public void r e a d S t a r t ( ) throws InterruptedException ; public void readfinished ( ) throws InterruptedException ; public void w r i t e S t a r t ( ) throws InterruptedException ; public void w r i t e F i n i s h e d ( ) throws InterruptedException ; public int getreadercount ( ) ; public int getwritercount ( ) ; Um lesenden Zugriff zu erhalten wird der Lock mittels readstart() akquiriert. Über read- Finish() wird der Lock nach Beendigung des Lesens wieder freigegeben. Verwenden Sie eine Semaphore, welche mit der maximal erlaubten Anzahl von Lesern initialisiert wird, um die beiden Methoden zu Implementieren. Analog zum Lesen werden die Schreibzugriffe mittels writestart() und writefinish() koordiniert. Zum Schreiben müssen alle Leseresourcen angefordert werden, damit kein anderer Benutzer während dessen lesen oder schreiben kann. Das auf der Homepage zur Verfügung gestellte Testprogramm verwendet einen ReaderWriterLock um sicher auf ein zwischen mehreren Threads geteiltes Objekt vom Typ MyObj zuzugreifen. Implementieren Sie einen ReaderWriterLock, welcher das ReaderWriterInterface unterstützt. Benutzen Sie dazu java.util.concurrent.semaphore. Das ist die Semaphore aus der Java-Bibliothek, die analog zur Semaphore aus der Vorlesung funktioniert. Zusätzlich zu acquire() und release() (entspricht up() und down() aus der Vorlesung), erlaubt es diese Semaphore mehrere Resourcen gleichzeitig (anstatt nur einer einzigen) zu akquirieren and freizugeben (acquire(int n) und release(int n)). Verwenden Sie

9 9 dies um einen ReaderWriterLock zu implementieren, bei dem die maximale Anzahl von gleichzeitigen readern im Konstruktor übergeben wird. Sollten mehr als diese Anzahl von Threads versuchen gleichzeitig lesend auf das Objekt zuzugreifen, dann müssen die überschüssigen Threads warten. Die methoden getreadercount() und getwritercount() liefern die aktuelle Anzahl von lesenden und schreibenden Benutzern. Sie dürfen nur aufgerufen werden, während ein Lese- oder Schreiblock akquiriert ist. Schreiben Sie ein funktion check(), welche nach jeder Veränderung der Anzahl der reader oder der writer verifiziert, dass beide Grössen sinnvoll sind. Werfen Sie eine Ausnahme, falls check() fehlschlägt. Testen Sie nun, ob das Testprogramm ohne Ausnahme terminiert. Lösungsvorschlag 12.5 // import java. u t i l. concurrent. Semaphore ; // use t h i s i n s t e a d o f MultiSemaphore i f no bonus public class ReaderWriter implements R e a derwriterinterface private MultiSemaphore reader ; private f i n a l int maxread ; private int writerc, readerc ; // j u s t f o r checks public int getreadercount ( ) return readerc ; public int getwritercount ( ) return writerc ; private void check ( ) throws InterruptedException // i s the current s t a t e v a l i d? i f ( writerc <0 writerc >1 readerc <0 readerc>maxread) System. out. p r i n t l n ( check f a i l e d! ) ; throw new InterruptedException ( ) ; i f ( writerc>0&&readerc >0) System. out. p r i n t l n ( RACE! ) ; throw new InterruptedException ( ) ; public ReaderWriter ( int maxread) // t h i s. a=a ; this. maxread=maxread ; reader = new MultiSemaphore (maxread, true ) ; //max reader ( f a i r )

10 10 public void r e a d S t a r t ( ) throws InterruptedException reader. a c q u i r e ( ) ; synchronized ( this ) // sync to guarantee c o n s i s t e n t s t a t e readerc++; check ( ) ; public void readfinished ( ) throws InterruptedException synchronized ( this ) readerc ; check ( ) ; reader. r e l e a s e ( ) ; public void w r i t e S t a r t ( ) throws InterruptedException reader. a c q u i r e (maxread) ; // gain a l l read a c c e s s synchronized ( this ) writerc++; check ( ) ; public void w r i t e F i n i s h e d ( ) throws InterruptedException synchronized ( this ) writerc ; check ( ) ; reader. r e l e a s e (maxread) ; Aufgabe 12.6 [Bonus 5 Punkte] (H) Semaphore Implementieren Sie Ihre eigene Semaphore, welche das Allozieren und Freigeben mehrer Resourcen gleichzeitig, korrekt unterstützt. Achten Sie darauf, dass Ihre Implementierung fair ist (Anfragen werden in der Reihenfolge bearbeitet, wie sie eintreffen). Hinweis: java.util.concurrent.concurrentlinkedqueue<e> könnte hilfreich sein. Lösungsvorschlag 12.6 import java. u t i l. concurrent. ;

11 11 // f a i r public class MultiSemaphore private int res, wait, max ; private ConcurrentLinkedQueue<Container> tq ; public MultiSemaphore ( int n, boolean f a i r ) r e s = n ; max = n ; wait = 0 ; tq = new ConcurrentLinkedQueue<Container >() ; private class Container Thread t ; int amount ; public Container ( Thread t, int amount ) this. t=t ; this. amount=amount ; public void a c q u i r e ( ) throws InterruptedException a c q u i r e ( 1 ) ; public void a c q u i r e ( int n ) throws InterruptedException Container c=null ; synchronized ( this ) // r e s must be synced // f a i r n e s s, i f someone i s w a i t i n g in the queue ( or t h e r e are not enough r e s o u r c e s ) we wait i f (! tq. isempty ( ) res <n ) c = new Container ( Thread. currentthread ( ), n ) ; wait++; else res =n ; i f ( c!= null ) synchronized ( c ) //make sure t h a t c. n o t i f y i s n t c a l l e d b e f o r e c. wait tq. add ( c ) ; //we can add only AFTER g e t t i n g the l o c k on c // t h e r e f o r e t q. add must be i n s i d e synchronized ( c ) => t q

12 12 must be thread s a f e c. wait ( ) ; // r e l e a s e s the l o c k on c a f t e r suspending the thread public void r e l e a s e ( int n ) throws InterruptedException synchronized ( this ) // sync r e s r e s+=n ; while ( true ) //maybe we can n o t i f y many w a i t e r s in the queue Container c=null ; synchronized ( this ) // sync r e s and t q. remove ( ) i f (! tq. isempty ( )&&tq. peek ( ). amount<=r e s ) c=tq. remove ( ) ; res =c. amount ; i f ( c!= null ) synchronized ( c ) // avoid n o t i f y b e f o r e wait c. n o t i f y ( ) ; synchronized ( this ) // p l s g i v e me w a i t f o r m u l t i p l e o b j e c t s ( )!! wait ; // r e q u e s t i s f u l f i l l e d else synchronized ( this ) // i f t h i s was the l a s t resource h o l d e r ( r e s==max) //and t h e r e are s t i l l o b j e c t s being added to t q ( wait >0) // but they are not y e t i n s i d e the queue ( t q. isempty ( )==t r u e ) // then we cannot return because i f we did return then noone // would ever c a l l n o t i f y i f ( res <max wait==0) break ;

13 13 public void r e l e a s e ( ) throws InterruptedException r e l e a s e ( 1 ) ;