Parallele und funktionale Programmierung Wintersemester 2013/ Übung Abgabe bis , 16:00 Uhr

Transkript

1 3. Übung Abgabe bis , 16:00 Uhr Aufgabe 3.1: 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? p u b l i c c l a s s U n s i c h t b a r e r { p r i v a t e S t r i n g name ; p r i v a t e i n t a l t e r ; p r i v a t e double g e w i c h t ; p u b l i c U n s i c h t b a r e r ( S t r i n g name, i n t a l t e r, double g e w i c h t ) { t h i s. name = name ; t h i s. a l t e r = a l t e r ; t h i s. g e w i c h t = g e w i c h t ; } p u b l i c void umtaufen ( S t r i n g name ) { t h i s. name = name ; } p u b l i c S t r i n g getname ( ) { return name ; } p u b l i c i n t g e t A l t e r ( ) { return a l t e r ; } p u b l i c void g e b u r t s t a g ( ) { a l t e r ++; } p u b l i c double waage ( ) { return g e w i c h t ; } } p u b l i c void s p o r t ( double g e w i c h t ) { t h i s. g e w i c h t = g e w i c h t ; } - 1 -

2 Aufgabe 3.2: 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? Bonusaufgabe 3.3: Barrieren In dieser Aufgabe sollen Sie das aufgeführte parallele Programm (BarrierTest) (auch online auf der Homepage verfügbar) analysieren. Als Übung für die Klausur empfiehlt sich zunächst die manuelle Ausführung des Programms. a) Welcher Text steht in der ersten Zeile der Ausgabe? Begründen Sie Ihre Antwort. b) In welchen Zeilen der Ausgabe kann Thread 1, 2, 3 started. stehen? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Wie oft wird b ausgegeben? Begründen Sie Ihre Antwort. d) Steht die Ausgabe Thread 4 started. in der letzten Zeile? Begründen Sie Ihre Antwort. Hinweis: Das Programm ist syntaktisch korrekt und Sie können davon ausgehen, dass weder Exceptions noch Deadlocks auftreten

3 1 i m p o r t j a v a. u t i l. c o n c u r r e n t. ; 2 3 p u b l i c c l a s s B a r r i e r T e s t { 4 p u b l i c s t a t i c v o l a t i l e i n t a = 0, b = 0 ; 5 p u b l i c s t a t i c C y c l i c B a r r i e r b a r r i e r = 6 new C y c l i c B a r r i e r ( 4 ) ; 7 p u b l i c s t a t i c CountDownLatch l a t c h = 8 new CountDownLatch ( 3 ) ; 9 p u b l i c s t a t i c O b j e c t l o c k = B a r r i e r T e s t. c l a s s ; p u b l i c s t a t i c c l a s s MyThreadA e x t e n d s Thread { 12 p u b l i c v oid run ( ) { 13 t r y { 14 s y n c h r o n i z e d ( l o c k ) { 15 a + + ; 16 System. o u t. p r i n t l n ( " a = " + a ) ; 17 } 18 b a r r i e r. a w a i t ( ) ; 19 i f ( b == 0) { 20 s y n c h r o n i z e d ( l o c k ) { 21 i f ( b == 0) { 22 b = 1 ; 23 } 24 } 25 System. o u t. p r i n t l n ( " b = " + b ) ; 26 } 27 l a t c h. countdown ( ) ; 28 } c a t c h ( E x c e p t i o n e ) { } 29 } 30 } p u b l i c s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] a r g s ) 33 t h r o w s E x c e p t i o n { 34 Thread ta_1 = new MyThreadA ( ) ; 35 Thread ta_2 = new MyThreadA ( ) ; 36 Thread tb_3 = new MyThreadB ( ) ; 37 Thread tb_4 = new MyThreadB ( ) ; 38 ta_1. s t a r t ( ) ; 39 ta_2. s t a r t ( ) ; 40 tb_3. s t a r t ( ) ; 41 w h i l e ( a < 3) { } 42 System. o u t. p r i n t l n ( " Thread 1, 2, 3 s t a r t e d. " ) ; 43 tb_4. s t a r t ( ) ; 44 l a t c h. a w a i t ( ) ; 45 System. o u t. p r i n t l n ( " Thread 4 s t a r t e d. " ) ; 46 ta_1. j o i n ( ) ; 47 ta_2. j o i n ( ) ; 48 tb_3. j o i n ( ) ; 49 tb_4. j o i n ( ) ; 50 } 51 p u b l i c s t a t i c c l a s s MyThreadB e x t e n d s Thread { 52 p u b l i c void run ( ) { 53 t r y { 54 s y n c h r o n i z e d ( B a r r i e r T e s t. c l a s s ) { 55 a + + ; 56 System. o u t. p r i n t l n ( " a = " + a ) ; 57 } 58 b a r r i e r. a w a i t ( ) ; 59 i f ( b == 0) { 60 s y n c h r o n i z e d ( l o c k ) { 61 i f ( b == 0) { 62 b = 2 ; 63 } 64 } 65 System. o u t. p r i n t l n ( " b = " + b ) ; 66 } 67 l a t c h. countdown ( ) ; 68 } c a t c h ( E x c e p t i o n e ) { } 69 } 70 } } / / END OF BARRIERTEST^ - 3 -

4 Aufgabe 3.4: Verklemmungsbedingungen a) Welche drei Bedingungen müssen gelten, damit es zu einer Verklemmung in einem parallelen System kommen kann? b) Welche Möglichkeiten gibt es, diese Situationen zu vermeiden? c) Welche Möglichkeiten sind davon in Java umsetzbar? Wie? Aufgabe 3.5: Verklemmungen a) Überlegen Sie sich (neben den Vorlesungsbeispielen) noch weitere Verklemmungssituationen im Alltag oder in Code. b) Was unterscheidet einen dead-lock von einem life-lock? Aufgabe 3.6: Verklemmungen in Petri-Netzen a) Entwerfen Sie ein Petri-Netz mit einem dead-lock. b) Bei welchen der folgenden Petri-Netze kann es zu einem dead-lock kommen? Bei welchen zu einem life-lock? I) II) III) - 4 -

5 Bonusaufgabe 3.7: Philosophen In dieser Aufgabe sollen Sie vier verschiedene Lösungen des Philosophen Problems implementieren. Vervollständigen Sie dafür die vier statischen Methoden in der Klasse Dinner. Alle Philosophen Klassen sollen eine Unterklasse der vorgegebenen abstrakten Philosopher Klasse sein. Zum Verdeutlichen der einzelnen Philosophen-Aktionen soll bei der eat Methode wie bei der think Methode der Schritt auf System.out ausgeben werden. Verwenden Sie als Gabeln die vorgegebene Fork Klasse, die von ReentrantLock abgeleitet ist. Die Gabel soll durch einen Aufruf der lock Methode aufgenommen werden. a) In der Methode startdinnerdeadlock soll die naive Version des Philosophen Problems implementiert werden. Diese Version soll früher oder später zum Deadlock führen. Die Philosophen sollen in der Klasse PhilosopherDeadlock realisiert werden. b) In der Methode startdinnerquickphilosophers soll eine weitere Version des Philosophen Problems implementiert werden. Die Philosophen sollen in der Klasse PhilosopherQuick realisiert werden. Wenn ein Philosoph essen will, so soll er beide Gabeln aufnehmen können ohne das ein weiterer Philosoph eine Gabel aufnehmen bzw. zu essen beginnen kann. c) In der Methode startdinnerorderedforks soll eine weitere Version des Philosophen Problems implementiert werden. Die Philosophen sollen in der Klasse PhilosopherOrdered realisiert werden. Alle Gabeln sind durchnummeriert und ein Philosoph nimmt immer zuerst die Gabel mit der höheren Nummerierung auf. d) In der Methode startdinnerwaiter soll die vierte Version des Philosophen Problems implementiert werden. Die Philosophen sollen in der Klasse PhilosopherWaiter realisiert werden. Wenn ein Philosoph essen will, so muss er zuvor eine Bedienung (Klasse Waiter) um Erlaubnis fragen. Hinweis: Achten Sie darauf, dass jeder Philosoph von einem eigenen Thread realisiert wird! - 5 -

6 Bonusaufgabe 3.8: TernarySearch Implementieren Sie in der Klasse TernarySearchImpl die findminimum-methode des TernarySearch Interfaces und implementieren Sie in den Klassen ThreadedTernarySearch und TaskedTernarySearch das online verfügbare Interface ParallelTernarySearch. a) Implementieren Sie in der Klasse TernarySearchImpl die sequentielle Berechnung eines lokalen Minimums einer Function durch Ternary Search ( wiki/ternary_search). b) Implementieren Sie in der Klasse ThreadedTernarySearch 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 TernarySearch-Objekt benutzt werden. c) Implementieren Sie in der Klasse TaskedTernarySearch 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 TernarySearch-Objekt benutzten. d) Welche der beiden Parallelisierungsvarianten ist bei einer hohen Anzahl an Funktionen langsamer? Belegen Sie Ihre Antwort mit einer Zeitmessung und versuchen Sie, das Ergebnis zu begründen. Hinweis: Die Default-Konstruktoren der implementierten Klassen sollten keine Parameter benötigen Punkte