Objektorientierte Programmiertechniken
LVA 185.A01, VU, 3 ECTS, 2015/2016 W

8. Übungsaufgabe

Themen:

Exceptions, nebenläufige Programmierung

Termine:

Ausgabe:	2.12.2015
Abgabe:	9.12.2015, 12:00 Uhr

Abgabeverzeichnis:

Aufgabe8

Programmaufruf:

java Test

Grundlage:

Skriptum, Schwerpunkt auf den Abschnitten 4.1 und 4.2

Aufgabe

Welche Aufgabe zu lösen ist:

Die Buchdrucker, eine gefräßige Borkenkäferart und Schrecken aller Waldbesitzer, sind in den Gemeindewald von Hinterwaldgstetten eingefallen. Unter den Dorfbewohnern ist ein heftiger Streit über die richtigen Bekämpfungsmaßnahmen entbrannt. Die Einen wollen Totholz und befallene Bäume so schnell wie möglich aus dem Wald entfernen. Die Anderen wollen auf die Biologie und die Zeit setzen und vetrauen darauf, dass, wenn der Befall zu dicht wird, Pilze, Sporozoen, Bazillen und Viren die Käfer befallen und zu einem Massensterben der Käfer führen werden. Damit der emotional geführte Streit nicht eskaliert und in sachliche Bahnen geleitet werden kann, entwickeln Sie ein nebenläufiges Java-Programm, das die Vermehrung und Bekämpfung von Borkenkäfern simuliert.

Für die Simulation wird der rechteckige Wald schachbrettartig in einzelne Felder aufgeteilt. Auf jedem Feld kann sich maximal eine gesunde Kolonie von Buchdruckern oder eine von Krankheitserregern befallene Kolonie befinden. Falls eines der 8 Nachbarfelder einer gesunden Kolonie frei ist, entsteht dort nach einer gewissen Zeit eine neue Kolonie. Falls bei so einer Neubesiedlung der Fall auftritt, dass eine gesunde Kolonie von 8 gesunden Nachbarkolonien umgeben ist, so wird diese mittlere Kolonie von Krankheitserregern befallen. Falls eine kranke Kolonie nach einer gewissen Zeit mindestens 2 gesunde Nachbarkolonien hat, dann werden gleichzeitig 2 Nachbarkolonien infiziert und daraus wird je eine kranke Kolonie. Die ursprüngliche kranke Kolonie stirbt dann ab, egal ob Nachbarkolonien infiziert wurden oder nicht. Das bedeutet, gesunde Kolonien bestehen ewig, kranke Kolonien bestehen nur eine kurze Zeit.

Simulieren Sie die Ausbreitung und das Absterben der Käferkolonien mittels eines nebenläufigen Java-Programms. Stellen Sie dabei jede Käferkolonie durch einen eigenen Thread dar. Jede Käferkolonie besiedelt nach einer gewissen Zeit (wenige Millisekunden zufallsgesteuert (5-50)) eine Nachbarzelle. Zählen Sie die Anzahl der Besiedlungsschritte einer Kolonie mit. Die neu entstandene Kolonie übernimmt dabei den Zählerstand der Ursprungskolonie. Simulieren Sie Wartezeiten mittels der Methode Thread.sleep(n). Achtung: sleep behält alle Monitore (= Locks); Sie sollten sleep daher nicht innerhalb einer synchronized-Methode oder -Anweisung aufrufen, wenn während der Wartezeit von anderen Threads aus auf dasselbe Objekt zugegriffen werden soll. Wenn eine Kolonie den maximalen Zählerstand (32) erreicht hat, oder alle Kolonien abgestorben sind, geben Sie von allen lebenden Kolonien den Zählerstand und die Position (auf welchem Feld sie sich befindet) aus und beenden alle Threads. Verwenden Sie Thread.interrupt() um einen Thread zu unterbrechen. Geben Sie die Position als X- und Y-Koordinate eines Feldes sowie den Zählerstand aus, und beenden Sie den Thread. Ein Wald darf in jeder Dimension (waagrecht und senkrecht) nicht mehr als 80 Felder haben. Geben sie immer, wenn sich eine Kolonie vervielfältigt hat, den Wald zeilenweise am Bildschirm aus. Verwenden Sie den Buchstaben "o" für ein Feld, das mit einer gesunden Kolonie belegt ist und den Buchstaben "x" für ein Feld, das mit einer kranken Kolonie belegt ist, zum Beispiel so:

      x     x  
o o   x x x x  
o o o o        
o o o o o o    
o o o

Die Klasse Test soll (nicht interaktiv) Testläufe des Waldes durchführen und die Ergebnisse in allgemein verständlicher Form in der Standardausgabe darstellen. Bitte achten Sie darauf, dass die Testläufe nach kurzer Zeit terminieren (maximal 10 Sekunden für alle zusammen). Bitte achten Sie darauf, dass die Testläufe keine Systemlimits wie maximale Anzahl an gleichzeitig aktiven Threads auf dem Abgaberechner (g0) überschreiten. Führen Sie mindestens drei Testläufe mit unterschiedlichen Einstellungen durch:

Jeder Testlauf soll Käferkolonien an unterschiedlichen Feldern positionieren. Für die Kolonisierungsrate sollen unterschiedliche Werte verwendet werden.
Stellen Sie die Parameter so ein, dass irgendwann Kolonien von Krankheitserregern befallen werden.

Daneben soll die Datei Test.java wie gewohnt als Kommentar eine kurze, aber verständliche Beschreibung der Aufteilung der Arbeiten auf die einzelnen Gruppenmitglieder enthalten – wer was gemacht hat.

Warum die Aufgabe diese Form hat:

Die Simulation soll die nötige Synchronisation bildlich veranschaulichen und ein Gefühl für eventuell auftretende Sonderfälle geben. Beispielsweise müssen Kolonien erkennen, wenn sie die maximale Ausbreitungszahl erreicht haben. Einen speziellen Sonderfall stellt das Simulationsende dar, das (aus Sicht einer Kolonie) jederzeit in jedem beliebigen Zustand auftreten kann. Dabei wird auch geübt, nach einer an einer beliebigen Programmstelle aufgetretenen Exception den Objektzustand so weit wie nötig zu rekonstruieren, um ein sinnvolles Ergebnis zurückliefern zu können.

Was im Hinblick auf die Beurteilung zu beachten ist:

Die insgesamt 100 für diese Aufgabe erreichbaren Punkte sind folgendermaßen auf die zu erreichenden Ziele aufgeteilt:

Synchronisation richtig verwendet, auf Vermeidung von Deadlocks geachted, sinnvolle Synchronisationsobjekte gewählt, kleine Synchronisationsbereiche	45 Punkte
Lösung wie vorgeschrieben und sinnvoll getestet	20 Punkte
Zusicherungen richtig und sinnvoll eingesetzt	15 Punkte
Geforderte Funktionalität vorhanden (so wie in Aufgabenstellung beschrieben)	15 Punkte
Sichtbarkeit auf so kleine Bereiche wie möglich beschränkt	5 Punkte

Der Schwerpunkt bei der Beurteilung liegt auf korrekter nebenläufiger Programmerierung und der richtigen Verwendung von Synchronisation sowie dem damit in Zusammenhang stehenden korrekten Umgang mit Exceptions. Punkteabzüge gibt es für

fehlende oder fehlerhafte Synchronisation,
zu große Synchronisationsbereiche, durch die sich Threads gegenseitig unnötig behindern (z.B. darf nicht der gesamte Wald als Synchronisationsobjekt blockiert werden, ausgenommen davon ist nur die Ausgabe des Waldes am Bildschirm),
nicht richtig abgefangene Exceptions im Zusammenhang mit nebenläufiger Programmerierung,
Nichttermination von java Test innerhalb von 10 Sekunden,
unnötigen Code und mehrfache Vorkommen gleicher oder ähnlicher Code-Stücke,
vermeidbare Warnungen des Compilers, die mit Generizität in Zusammenhang stehen,
Verletzungen des Ersetzbarkeitsprinzips bei Verwendung von Vererbungsbeziehungen,
mangelhafte Zusicherungen,
schlecht gewählte Sichtbarkeit,
unzureichendes Testen,
und mangelhafte Funktionalität des Programms.

Wie die Aufgabe zu lösen ist:

Überlegen Sie sich genau, wie und wo Sie Synchronisation verwenden. Halten Sie die Granularität der Synchronisation möglichst klein, um unnötige Beeinflussungen anderer Threads zu reduzieren (Kolonien auf unterschiedlichen Feldern des Waldes sollen sich gleichzeitig ausbreiten können). Vermeiden Sie aktives Warten, indem Sie immer sleep aufrufen, wenn Sie eine bestimmte Zeit warten müssen. Beachten Sie, dass ein Aufruf von sleep innerhalb einer synchronized-Methode oder -Anweisung den entsprechenden Lock nicht freigibt.

Testen Sie Ihre Lösung bitte rechtzeitig auf der g0, da es im Zusammenhang mit Nebenläufigkeit große Unterschiede zwischen den einzelnen Plattformen geben kann. Ein Programm, das auf einem Rechner problemlos funktioniert, kann auf einem anderen Rechner (durch winzige Unterschiede im zeitlichen Ablauf) plötzlich nicht mehr funktionieren. Stellen Sie sicher, dass die maximale Anzahl an Threads und der maximale Speicher nicht überschritten werden. Dazu ist es sinnvoll, dass Sie im Threadkonstruktor explizit die Stackgröße mit einem kleinen Wert angeben (z.B. 16k).

Nebenläufigkeit kann die Komplexität eines Programms gewaltig erhöhen. Achten Sie daher besonders darauf, dass Sie den Programm-Code so klein und einfach wie möglich halten. Jede unnötige Anweisung kann durch zusätzliche Synchronisation (oder auch fehlende Synchronisation) eine versteckte Fehlerquelle darstellen und den Aufwand für die Fehlersuche um vieles stärker beeinflussen als in einem sequentiellen Programm.

Was im Hinblick auf die Abgabe zu beachten ist:

Gerade für diese Aufgabe ist es besonders wichtig, dass Sie (abgesehen von geschachtelten Klassen) nicht mehr als eine Klasse in jede Datei geben und auf aussagekräftige Namen achten. Sonst ist es schwierig, sich einen Überblick über Ihre Klassen und Interfaces zu verschaffen. Achten Sie darauf, dass Sie keine Java-Dateien abgeben, die nicht zu Ihrer Lösung gehören (alte Versionen, Reste aus früheren Versuchen, etc.).