Aufgabe V1: Daten eines Programms

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1 Aufgabe V1: Daten eines Programms Analysieren Sie das Beispielprogramm auf der folgenden Seite. Es ist in Java geschrieben, steht aber stellvertretend auch für Programme in C, C++ oder anderen Programmiersprachen. Die Speicherarten Halde, Stapel, statische Daten und Konstanten ndet man hier wie dort, auch wenn sich Details unterscheiden. Achtung: Das Programm ist kein Musterbeispiel für die Implementierung des Algorithmus. Es ist konstruiert, um verschiedene Arten von Speicher zu nutzen. a) Die Methode main wird ohne Kommandozeilenparameter aufgerufen. Verfolgen Sie den Programmablauf. Welche Werte nehmen die Variablen dabei an? Wie oft und wie lange existieren die verschiedenen Variablen? b) Durch Kommentare im Code sind insgesamt 9 Stellen markiert, die sich auf Variablen, Objekte oder Konstanten beziehen. In welcher Art von Speicher kommen diese zu liegen? 1. fibo_cache 2. high_score 3. int[] 4. result 5. n 6. IllegalArgumentException 7. "negative" 8. result 9. 0 VAufgaben

2 public class Fibonacci protected int [ ] fibo_cache ; // [ 1 ] protected static int high_score ; // [ 2 ] public int c a l c ( int n) fibo_cache = new int [ n+1]; // [ 3 ] int r e s u l t = f i b o (n ) ; // [ 4 ] i f ( r e s u l t > high_score ) high_score = r e s u l t ; return r e s u l t ; protected int f i b o ( int n) // [ 5 ] i f (n < 0) throw new IllegalArgumentException // [ 6 ] ( " negative " ) ; // [ 7 ] i f ( fibo_cache [ n ] > 0) return fibo_cache [ n ] ; int r e s u l t = 0; // [ 8 ] [ 9 ] switch (n) case 0: case 1: r e s u l t = 1; break ; default : r e s u l t = f i b o (n 1) + f i b o (n 2); break ; fibo_cache [ n ] = r e s u l t ; System. out. print ( r e s u l t+" " ) ; return r e s u l t ; public static void main ( String [ ] args ) int n = 5; i f ( args. length > 0) n = Integer. parseint ( args [ 0 ] ) ; Fibonacci f i b = new Fibonacci ( ) ; f i b. c a l c (n ) ;

3 Aufgabe V2: Adreÿübersetzung In dieser Aufgabe sind Adressen 20 Bit lang, bei der Übersetzung bleiben die letzten 12 Bit unverändert. Gegeben sind die folgenden drei Übersetzungstabellen (ÜT). Alle Tabelleneinträge und alle Adressen in den Teilaufgaben sind als Hexzahlen angegeben. ÜT A Quelle Ziel bb 8f cc cc ÜT B Quelle Ziel b bb 88 cc 8f ee 8d ÜT C Quelle Ziel 40 8c bb 8d ee 8f a) Übersetzen Sie die folgenden Adressen mit jeder der Tabellen. Quelle mit ÜT A mit ÜT B mit ÜT C a d 21f08 bb0b1 ccafe eed73 b) Geben Sie für jede der Tabellen an, mit welchen Quelladressen man die folgenden Zieladressen erreicht. Ziel mit ÜT A mit ÜT B mit ÜT C fd7b ccccc VAufgaben

4 Aufgabe V3: Bereitmenge und Aufgreifstrategie Ein ktives Betriebssystem unterstützt die drei Prioritäten Flott, Moderat und Lungern. Die Leerlaufprozesse haben die niedrigste Priorität L, alle anderen Prozesse entweder F oder M. Prozesse mit gleicher Priorität sind nach dem Zeitpunkt geordnet, an dem sie in die Bereitmenge gelangen: Wer zuerst kommt, mahlt zuerst. Dieses Betriebssystem arbeitet auf einem Rechner mit zwei Prozessoren (CPU0, CPU1). Es existieren vier normale Prozesse (P0P3) mit otter Priorität, die auf jedem Prozessor ablaufen können. Die beiden Leerlaufprozesse (L0, L1) sind dem jeweiligen Prozessor fest zugeordnet. Prozesse erhalten nur Rechenzeit, wenn kein Prozeÿ mit einer höheren Priorität bereit steht. Zwischen Prozessen mit gleicher Priorität wird nach Ablauf einer Zeitscheibe umgeschaltet. Die folgende Tabelle beschreibt den Systemzustand zu Beginn der Beobachtung. P0 und P1 rechnen auf CPU0 bzw. CPU1, in der Bereitmenge steht P2 vor P3. Unter der Tabelle ist eine chronologische Liste von Ereignissen aufgeführt, die die Prozessorzuteilung oder die Bereitmenge ändern können. Ein Ereignis wirkt sich sofort auf alle Prozessoren aus. CPU0 CPU1 Bereitmenge P0 P1 P2, P3; L0, L Zeitscheibe CPU0 läuft ab 2. Zeitscheibe CPU1 läuft ab 3. P2 vermindert eigene Priorität 4. Zeitscheibe CPU1 läuft ab 5. Zeitscheibe CPU0 läuft ab 6. P1 vermindert Priorität von P3 7. P0 endet 8. Zeitscheibe CPU1 läuft ab 9. P1 erhöht Priorität von P3 10. P1 endet 11. P2 endet 12. P3 endet a) Die Tabelle auf der folgenden Seite enthält eine Zeile pro Ereignis. Tragen Sie jeweils den Zustand nach den Änderungen ein, die sich durch das Ereignis ergeben. Prozesse mit moderater Priorität können Sie zum Beispiel durch ein Minuszeichen kenntlich machen (P2 ). b) Bei welchen Ereignissen würde sich das System anders verhalten, wenn sie sich nicht sofort auf den anderen Prozessor auswirkten? VAufgaben

5 # CPU0 CPU1 Bereitmenge 0 P0 P1 P2, P3; L0, L VAufgaben

6 Aufgabe V4: Warten In einem System laufen vier Prozesse P0... P3, die über zwei Kernobjekte Za und Zb vom Typ Zelle interagieren. Eine Zelle ist entweder leer oder enthält einen Wert. Die Operation give übergibt einen Wert an die Zelle. Enthält sie schon einen Wert, wird dieser überschrieben. Die Operation take nimmt den Wert aus einer Zelle und leert sie damit. Ist die Zelle bereits leer, muÿ der Aufrufer warten, bis er einen neu übergebenen Wert erhält. Jede Zelle verwaltet eine Wartemenge für Aufrufer von take, die noch keinen Wert erhalten haben. Ein Aufruf von give übergibt den Wert direkt an einen der Wartenden. In Za kommt eine Reihum-Strategie (FIFO, engl.: rst in, rst out) zum Einsatz. In Zb sind die wartenden Prozessen nach aufsteigenden Nummern geordnet. Der Prozeÿ mit der niedrigsten Nummer erhält den nächsten übergebenen Wert. Die folgende Tabelle zeigt den Zustand der Zellen zu Beginn. Beide sind leer, ebenso wie ihre Wartemengen. Zelle Za Zelle Zb Wert Wartemenge Wert Wartemenge Ergänzen Sie die Tabelle auf der folgenden Seite. Für jeden Aufruf der folgenden Liste ist eine Zeile vorgesehen. Jede Zeile beschreibt den Systemzustand nach der jeweiligen Operation. 1. P0: Za.give(42) 2. P0: Zb.take() 3. P1: Za.give(815) 4. P1: Zb.take() 5. P2: Zb.give(174) 6. P2: Za.take() 7. P3: Zb.give(321) 8. P3: Za.take() 9. P? 174 : Zb.give(471) 10. P? 174 : Za.take() 11. P? 815 : Za.give(666) 12. P? 815 : Za.take() 13. P? 321 : Za.give(256) 14. P? 321 : Zb.take() 15. P? 666 : Za.give(768) 16. P? 666 : Zb.take() 17. P? 256 : Za.give(625) 18. P? 256 : Zb.take() 19. P? 768 : Zb.give(169) 20. P? 768 : Za.take() P? nnn steht für denjenigen Prozeÿ, der vorher bei einem take den Wert nnn erhalten hat. Sonst wäre es zu einfach, die Lösung aus der Aufgabenstellung abzulesen. VAufgaben

7 Zelle Za Zelle Zb # Wert Wartemenge Wert Wartemenge VAufgaben

8 Aufgabe V5: Prozeÿzustände Der Kern des Betriebssystems QNX Neutrino unterscheidet 21 Prozeÿzustände. Ordnen Sie diese den Zuständen aus der Vorlesung zu. Beschreibungen aus der englischen Dokumentation von QNX Neutrino folgen auf der nächsten Seite. Note that, in addition to the transitions shown above, a thread can move from any state (except DEAD) to READY. Quelle: QNX R Software Development Platform 6.6, Abschnitt: Thread life cycle /docs/660/topic/com.qnx.doc.neutrino.sys_arch/topic/kernel_life_cycle.html VAufgaben

9 CONDVAR: The thread is blocked on a condition variable (e.g., it called pthread_cond_wait()). DEAD: The thread has terminated and is waiting for a join by another thread. INTERRUPT: The thread is blocked waiting for an interrupt (i.e., it called InterruptWait()). JOIN: The thread is blocked waiting to join another thread (e.g., it called pthread_join()). MUTEX: The thread is blocked on a mutual exclusion lock (e.g., it called pthread_mutex_lock()). NANOSLEEP: The thread is sleeping for a short time interval (e.g., it called nanosleep()). NET_REPLY: The thread is waiting for a reply to be delivered across the network (i.e., it called MsgReply*()). NET_SEND: The thread is waiting for a pulse or signal to be delivered across the network (i.e., it called MsgSendPulse(), MsgDeliverEvent(), or SignalKill()). READY: The thread is waiting to be executed while the processor executes another thread of equal or higher priority. RECEIVE: The thread is blocked on a message receive (e.g., it called MsgReceive()). REPLY: The thread is blocked on a message reply (i.e., it called MsgSend(), and the server received the message). RUNNING: The thread is being executed by a processor. The kernel uses an array (with one entry per processor in the system) to keep track of the running threads. SEM: The thread is waiting for a semaphore to be posted (i.e., it called SyncSemWait()). SEND: The thread is blocked on a message send (e.g., it called MsgSend(), but the server hasn't yet received the message). SIGSUSPEND: The thread is blocked waiting for a signal (i.e., it called sigsuspend()). SIGWAITINFO: The thread is blocked waiting for a signal (i.e., it called sigwaitinfo()). STACK: The thread is waiting for the virtual address space to be allocated for the thread's stack (parent will have called ThreadCreate()). STOPPED: The thread is blocked waiting for a SIGCONT signal. WAITCTX: The thread is waiting for a noninteger (e.g., oating point) context to become available for use. WAITPAGE: The thread is waiting for physical memory to be allocated for a virtual address. WAITTHREAD: The thread is waiting for a child thread to nish creating itself (i.e., it called ThreadCreate()). VAufgaben

10 Aufgabe V6: PetrinetzModell In einem dreistugen, geschlossenen Flieÿband zirkulieren p Puer. In der ersten Stufe arbeiten n, in der zweiten m und in der dritten k reproduzierte Prozesse. a) Erstellen Sie ein PetrinetzModell, mit zwei Transitionen pro Stufe. b) Kann es sinnvoll sein, mehr Prozesse als Puer einzurichten? (n + m + k > p) VAufgaben

11 Aufgabe V7: Signalisierung in Java Die JavaKlasse auf der folgenden Seite implementiert eine Datenstruktur mit Hilfe eines Arrays und eines Indexattributs. Die Datenstruktur ist ein Puer nach dem LIFO Prinzip (engl.: Last In, First Out), also ein Stapel. Die Implementierung ist nicht gegen gleichzeitige Aufrufe durch mehrere Prozesse (engl.: threads) abgesichert. a) Sichern Sie die Klasse gegen gleichzeitige Aufrufe mehrerer Prozesse ab. b) Was passiert, wenn bei Aufruf von store das Array bereits voll ist? Ändern Sie die Klasse so ab, daÿ store zurück gibt, ob das Ablegen des Werts geklappt hat oder nicht. (versuchendes Ablegen) c) Was passiert, wenn bei Aufruf von fetch das Array leer ist? Ändern Sie die Klasse so ab, daÿ fetch blockiert und erst dann zurückkehrt, wenn es einen Wert entnehmen konnte. (synchrones Entnehmen) d) Eine Anwendung nutzt Objekte der Klasse BufferLIFO. Funktioniert ihre Lösung, wenn diese Anwendung wait und notify an den Objekten aufruft? e) Welche Probleme entstehen, wenn sowohl fetch als auch store blockieren sollen, bis sie erfolgreich ablaufen können? f) Welche Klassen aus der JavaStandardbibliothek implememtieren bereits dieses Verhalten? VAufgaben

12 import java. lang. r e f l e c t. Array ; public class BufferLIFO<T> protected final T [ ] b u f f e r ; protected int items ( " unchecked" ) public BufferLIFO ( Class<T> clazz, int capacity ) b u f f e r = // new T[ c a p a c i t y ] (T [ ] ) Array. newinstance ( clazz, capacity ) ; items = 0; public void s t o r e (T item ) final int which = items ; b u f f e r [ which ] = item ; items = which +1; public T f e t c h () final int which = items 1; final T r e s u l t = b u f f e r [ which ] ; items = which ; return r e s u l t ; public String tostring () StringBuilder sb = new StringBuilder ( 8 0 ) ; sb. append ( getclass ( ). getname ( ) ). append ( ' [ ' ). append ( items ). append ( ' / ' ). append ( b u f f e r. length ). append ( ' ] ' ) ; return sb. tostring ( ) ;

13 Aufgabe V8: Unkoordinierte Zugrie auf Datenstrukturen Die JavaKlasse auf der folgenden Seite implementiert eine Datenstruktur mit Hilfe eines Arrays und eines Indexattributs. Die Datenstruktur ist ein Puer nach dem LIFO Prinzip (engl.: Last In, First Out), also ein Stapel. Sie steht stellvertretend für beliebige, nichttriviale Datenstrukturen. Die Implementierung ist nicht gegen gleichzeitige Aufrufe durch mehrere Prozesse (engl.: threads) abgesichert. Gehen Sie im folgenden davon aus, daÿ zwei Prozesse gleichzeitig die Methoden der bereits initialisierten Datenstruktur aufrufen. Im Puer sind einige Werte abgelegt und einige Plätze frei, so daÿ die Operationen weder an den oberen noch an den unteren Rand des Arrays stoÿen. Die Anweisung in einer Zeile des Quelltextes wird jeweils komplett ausgeführt. Zwischen den Zeilen kann der jeweils andere Prozeÿ zum Zuge kommen, mit einer oder mehreren Anweisungen. Geben Sie jeweils eine bestimmte Reihenfolge an, in der die beiden Prozesse ihre Anweisungen ausführen, so daÿ das gefragte Problem entsteht. a) Was ist das korrekte Verhalten, wenn zwei Prozesse die Methode fetch aufrufen? Welcher Fehler kann bei gleichzeitigen Aufrufen entstehen? b) Was ist das korrekte Verhalten, wenn zwei Prozesse die Methode store aufrufen? Welcher Fehler kann bei gleichzeitigen Aufrufen entstehen? c) Was ist das korrekte Verhalten, wenn ein Prozeÿ die Methode fetch und ein anderer die Methode store aufruft? Welche Fehler können bei gleichzeitigen Aufrufen entstehen? d) Welche Fehler können entstehen, wenn gleichzeitig ein Prozeÿ die Methode store und ein anderer die Methode tostring aufruft? VAufgaben

14 import java. lang. r e f l e c t. Array ; public class BufferLIFO<T> protected final T [ ] b u f f e r ; protected int items ( " unchecked" ) public BufferLIFO ( Class<T> clazz, int capacity ) b u f f e r = // new T[ c a p a c i t y ] (T [ ] ) Array. newinstance ( clazz, capacity ) ; items = 0; public void s t o r e (T item ) final int which = items ; b u f f e r [ which ] = item ; items = which +1; public T f e t c h () final int which = items 1; final T r e s u l t = b u f f e r [ which ] ; items = which ; return r e s u l t ; public String tostring () StringBuilder sb = new StringBuilder ( 8 0 ) ; sb. append ( getclass ( ). getname ( ) ). append ( ' [ ' ). append ( items ). append ( ' / ' ). append ( b u f f e r. length ). append ( ' ] ' ) ; return sb. tostring ( ) ;

15 Aufgabe V9: Verklemmung Gegeben ist das folgende Petrinetz, welches zwei Prozesse modelliert, die um zwei gemeinsame Resourcen p A und p B konkurrieren. t 1 p A t 4 p 2 p 5 p 1 t 2 t 5 p 4 t 3 p 3 p B p 6 t 6 a) Wie lauten die minimalen Platzinvarianten, die p A bzw. p B beinhalten? b) Erstellen Sie den Erreichbarkeitsgraphen. c) Wie muÿ man das Petrinetz verändern, damit der zweite Prozeÿ die Resourcen in der gleichen Reihenfolge anfordert wie der erste? Geben Sie an, welche Kanten aus dem Petrinetz entfernt und welche neuen Kanten hinzugefügt werden müssen. d) Wie wirkt sich die Modikation aus Teilaufgabe c auf den Erreichbarkeitsgraphen aus? e) Wie wirkt sich die Modikation aus Teilaufgabe c auf die Platzinvarianten aus Teilaufgabe a aus? VAufgaben