Parallele und funktionale Programmierung Sommersemester Übung Abgabe bis , 10:00 Uhr

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1 4. Übung Abgabe bis , 10:00 Uhr Aufgabe 4.1: Thread-Sicherheit a) Wann sind Klassen korrekt? Wie kann man nicht korrekte Klassen erkennen? b) Wann sind Klassen thread-sicher? Wie kann man nicht korrekte parallele Klassen erkennen? c) Nehmen Sie zu folgender Aussage Stellung: Ein paralleles Programm, das nur thread-sichere Klassen - und diese richtig - verwendet, ist korrekt! Aufgabe 4.2: Sichtbarkeiten a) Aus welchen Gründen ist Sichtbarkeitssynchronisation bei parallelen Programmen wichtig? b) Welche Rollen spielen hierbei das Schlüsselwort volatile und das Paket java.util.concurrent.atomic? c) Welche Sichtbarkeitsprobleme treten in folgendem Programm auf? Wie kann man diese durch den Einsatz von synchronized und/oder volatile lösen? public class Unsichtbarer { private String name; private int alter; private double gewicht; public Unsichtbarer(String name, int alter, double gewicht) { this.name = name; this.alter = alter; this.gewicht = gewicht; public void umtaufen(string name) { this.name = name; public String getname() { return name; public int getalter() { return alter; public void geburtstag() { alter++; public double waage() { return gewicht; public void sport(double gewicht) { this.gewicht = gewicht; - 1 -

2 Aufgabe 4.3: Fehlerquellen a) Welche neuen Fehlerquellen sind bei der Programmierung mit mehreren Aktivitätsfäden vorhanden, die bei der Verwendung von nur einer Aktivität nicht auftreten? b) Welche Gegenmaßnahmen und Programmiermittel fallen Ihnen dazu ein? Aufgabe 4.4: Thread-sichere Liste Betrachten Sie die online gegebene Listen-Implementierung LinkedList. Diese ist unter Verwendung eines Monitor-Objekts synchronisiert und thread-sicher. Ihre Aufgabe besteht darin, mithilfe aller Ihnen bekannten Synchronisations-Möglichkeiten die kritischen Abschnitte zu verkleinern, so dass eine echte Nebenläufigkeit beim Einfügen und beim Ausgeben möglich ist. Achten Sie auch darauf, dass size() immer eine konsistente Aussage liefert (also bei Überschneidung mit einem add(type), entweder die Größe vorher oder nachher). Prüfen Sie bei Ihrer Lösung nach, ob wirklich jede mögliche Verschränkung der einzelnen add(type)-befehle in einer korrekten Liste endet. Hinweis: Laufzeitverbesserungen machen sich erst bemerkbar, wenn gleichzeitig mit size() und tostring() auf der Liste gearbeitet wird. Bonusaufgabe 4.5: Bonusaufgabe: Sichtbarkeit und Wettlaufsituation 3 Punkte In dieser Aufgabe sollen Sie das aufgeführte parallele Programm (RandomNumGen) (auch online auf der Homepage verfügbar) analysieren. Als Übung für die Klausur empfiehlt sich zunächst die manuelle Ausführung des Programms. a) Wie viele Kombinationen aus digits[0] und digits[1] können durch den Programmablauf entstehen? Begründen Sie Ihre Antwort. b) Welche Werte kann digits[2] annehmen? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Welche Werte kann digits[3] annehmen? Begründen Sie Ihre Antwort. d) Welche Werte kann digits[4] annehmen? Begründen Sie Ihre Antwort. e) Welche Werte kann digits[5] annehmen? Begründen Sie Ihre Antwort

3 1 import java.util.concurrent.cyclicbarrier; public class RandomNumGen { 5 6 int d0, d1, d3; 7 volatile int dv2, dv4, dv5; 8 CyclicBarrier barrier = 9 new CyclicBarrier(2); 10 int[] digits = new int[6]; public class Thread1 extends Thread { 15 public void run() { 16 try { barrier.await(); d0++; 21 d1++; dv2++; d3 = 9; barrier.await(); for (int i = 0; i < 4; i++) { 32 dv4++; barrier.await(); barrier.await(); dv5 = 7; 42 catch (Exception e) { 43 //END OF run 44 //END OF Thread1 45 public int[] getdigits() { 46 d0 = 0; d1 = 0; d3 = 0; 47 dv2 = 0; dv4 = 0; dv5 = 0; 48 Thread t1 = new Thread1(); 49 Thread t2 = new Thread2(); 50 t1.start(); t2.start(); 51 try { 52 t1.join(); t2.join(); 53 digits[5] = dv5; 54 catch (Exception e) { 55 return digits; public class Thread2 extends Thread { 59 public void run() { 60 try { barrier.await(); digits[1] = d1; 65 digits[0] = d0; digits[2] = dv2; barrier.await(); digits[3] = d3; for (int i = 0; i < 4; i++) { 76 dv4++; barrier.await(); digits[4] = dv4; barrier.await(); dv5 = 5; 86 catch (Exception e) { 87 //END OF run 88 //END OF Thread2 89 //END OF RandomNumGen - 3 -

4 Bonusaufgabe 4.6: GoldenSearch 4 Punkte Implementieren Sie in der Klasse GoldenSearchImpl die findminimum-methode des GoldenSearch Interfaces und implementieren Sie in den Klassen ThreadedGoldenSearch und TaskedGoldenSearch das online verfügbare Interface ParallelGoldenSearch. a) Implementieren Sie in der Klasse GoldenSearchImpl die sequentielle Berechnung eines lokalen Minimums einer Function durch Golden Section Search ( org/wiki/golden_section_search). b) Implementieren Sie in der Klasse ThreadedGoldenSearch die Interface-Methode findminimum mithilfe von nthreads expliziten Threads, von denen jeder einen gleichgroßen Teil der Funktionen zur Verarbeitung erhält. Zur Berechnung des Minimums einer Funktion soll das übergebene GoldenSearch-Objekt benutzt werden. c) Implementieren Sie in der Klasse TaskedGoldenSearch die fehlende Interface-Methode mithilfe eines newfixedthreadpool. Die Berechnung jeder einzelnen Funktion soll als ein eigenes Callable-Objekt ausgeführt werden. Das Callable-Objekt soll zur Berechnung des Minimums das übergebene GoldenSearch-Objekt benutzten. d) Welche der beiden Parallelisierungsvarianten ist bei einer hohen Anzahl an Funktionen langsamer? Begründen Sie Ihre Entscheidung. Beantworten Sie die Frage in ihrer Theorieabgabe (pfp_abgabe_4.pdf). Hinweis: Die Default-Konstruktoren der implementierten Klassen sollten keine Parameter benötigen. Nutzen Sie EPSILON in der Abbruchbedingung der Rekursion. Bonusaufgabe 4.7: Gemüsefabrik 3 Punkte In dieser Aufgabe sollen die einzelnen Maschinen einer Fabrik für Gemüsekonserven mittels je eines Thread simuliert werden. Laden Sie sich dazu zunächst Vegetables.zip herunter. Es gibt verschiedene Maschinen, die alle von der abstrakten Klasse FactoryActor erben und folgende Grundfunktion haben: Eine Zutat wird in den Eingabeschacht abgelegt (send()). Die Maschine kann diese Zutat entweder verarbeiten (process()) und das Verarbeitungsergebnis weiterleiten oder die Eingabe ohne Verarbeitung direkt an die nächste angeschlossene Maschine weiterleiten. Welche Aktion durchgeführt wird entscheidet die Methode shouldprocess(), die dazu eine Liste mit zu verarbeitenden Zutaten durchsucht. Ferner gibt es eine Instanz der Klasse FactoryExit, die als Senke aller Produkte gilt. Die bereits vorgegebenen Maschinen haben verschiedene Funktionen: Chopper zerkleinern eine Zutat (z.b. Tomaten zu Tomatenmark). Mixer füllen zwei verschiedene Zutaten zusammen ab. Als Eingabe kommen in zufälliger Reihenfolge Erbsen (Peas), Möhren (Carrots), Bohnen (Beans) und Tomaten (Tomatoes) vor, die am Eingang der Maschine entry eingeworfen werden. Jede Zutat hat einen eindeutigen Typ-Code und implementiert Ingredient, so dass der Code über gettype() erfragt werden kann. Eine Kette aus den obigen Maschinentypen soll diese Zutaten zu zwei verschiedenen Produkten verarbeiten: - 4 -

5 Tomaten und Bohnen werden zu Bohnen in Tomatensoße (die Tomaten müssen dazu vorher zu Tomatenmark verarbeitet werden). Möhren und Erbsen werden zu Möhren-Erbsen-Mix. a) Machen Sie sich mit den vorgegebenen Klassen, besonders mit dem Konstruktor von FactoryActor und der Methode shouldprocess(), vertraut. Überlegen Sie sich dann, wie viele Instanzen der Verarbeitungsmaschinen Sie benötigen und wie diese miteinander verbunden werden müssen. Instantiieren Sie die nötigen Objekte in VegetableFactory.main() und verwenden Sie setnext() zur korrekten Verbindung. Weisen Sie der Variable entry die erste Maschine zu, in der Zutaten landen sollen und denken Sie daran, die letzte Maschine mit exit zu verbinden. b) Implementieren Sie nun die noch fehlenden Methoden send() und run() in FactoryActor, so dass folgende Funktionalität gegeben ist: send() wird von anderen FactoryActor-Instanzen aufgerufen, um eine Zutat weiterzugeben. In dieser Methode darf also keine Verarbeitung stattfinden, da sie von anderen Threads aufgerufen wird. Die run()-methode implementiert die Logik jeder Maschine: Ist eine Zutat angekommen, muss diese entweder verarbeitet oder direkt an die nächste Maschine (next) weitergeleitet werden. Verwenden Sie zur Synchronisation zwischen send() und run() eine LinkedBlockingQueue. Der Thread soll sich beenden, wenn VegetableFactory.active auf false wechselt. Um dies regelmäßig zu prüfen, sollten Sie statt take() die Methode poll() mit einem sinnvollen Timeout (z.b. eine Sekunde) verwenden. c) Starten Sie alle Threads. Es sollten nur korrekte Produkte erzeugt werden und sich das ganze Programm nach FactoryExit.ENOUGH Produkten korrekt beenden. send() shouldprocess()? process() next.send() FactoryActor Schematische Darstellung eines FactoryActor. Tomate: CC-BY-NC: Fir0002/Flagstaffotos Punkte