Prüfung Betriebssysteme SS 21 - Universität Bielefeld
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Prüfung Betriebssysteme SS 21
Im Sommersemester 2021 wird die Prüfungsleistung für das Modul Betriebssysteme nicht durch
eine Klausur erbracht, sondern in Form einer Programmieraufgabe mit schriftlicher Ausarbeitung
(Ausarbeitung im Umfang von bis zu 4 A4-Seiten).
Bitte lesen Sie sich diese Anleitung zur Prüfungsleistung gründlich durch.
Bei Fragen schreiben Sie bitte eine Email an: moeller@techfak.uni-...
Aufgabenstellung
Zu erbringen ist die folgende Aufgabe zur betriebssystemnahen Programmierung in der
Programmiersprache C im Betriebssystem Linux.
Gegeben ist eine sequentielle Implementation eines bitweisen MSB-Radix-Sortierverfahrens.
Parallelisieren Sie davon ausgehend bitweises MSB-Radix-Sort mithilfe von Threads unter
Nutzung der POSIX-Thread-Bibliothek. Machen Sie sich anhand der gegebenen sequentiellen
Implementation mit dem bitweisen MSB-Radix-Sort-Verfahren vertraut. Sie dürfen Code der
vorgegebenen sequentiellen Implementation in jeglicher Form benutzen.
Sortiert werden soll ein Datensatz, dessen Elemente aus einer Gleitkommazahl im IEEE-754-
Format "single precision" (4 Byte) bestehen (C-Datentyp float ). Ein zusätzlicher Payload (z.B. ein
Index), der gemeinsam mit dem Key transportiert wird, ist in diesem Fall nicht in den Elementen
vorhanden. Die Elemente des Datensatzes sind in einem Feld (Array) gespeichert.
Beim bitweisen MSB-Radix-Sort (auch "binäres MSD-Radix-Sort", MSD = "most significant digit")
wird das Bitmuster der Keys durchmustert, beginnend beim höchstwertigen ("most significant")
Bit (MSB). Zunächst werden die Elemente nach dem MSB sortiert. Innerhalb der beiden
entstehenden Gruppen wird jeweils nach dem Bit mit der zweithöchsten Wertigkeit sortiert usw.
Die Sortierung ist abgeschlossen, wenn der zu sortierende Bereich nur 1 Element enthält oder der
Datensatz bereits bis zum LSB (least significant bit) sortiert wurde.
In Ihrer parallelen Implementation müssen Sie geeignete Datenstrukturen finden, um
Informationen über noch unsortierte Gruppen zwischen Threads auszutauschen. Dieser
Austausch erfordert die Verwendung geeigneter Synchronisationsmechanismen.
Hinweise zum bitweisen MSB-Radix-Sort
Die Kodierung des Datentyps des Keys beeinflusst die Sortierreihenfolge in den Gruppen. Bei
IEEE-754-Gleitkommazahlen können die Daten für MSB-Radix-Sort als Vorzeichenbit (1 = negativ)
und Betrag (bestehend aus Exponent in Bias-Kodierung und normalisierter Mantisse) interpretiert
werden. Das Vorzeichen bestimmt einerseits die Sortierung anhand des MSB (aufwärts sortieren:
negative Werte nach links, abwärts: negative Werte nach rechts), anderseits aber auch die
Sortierung anhand der restlichen Bits (aufwärts: negative Zahlen nach dem Betrag abwärts
sortieren, positive Zahlen aufwärts; abwärts: negative Zahlen nach Betrag aufwärts sortieren,
positive Zahlen abwärts).
Ihr Programm soll in der Lage sein, den Datensatz sowohl aufwärts als auch abwärts anhand des
Keys zu sortieren. Spezialfälle (unendlich, NaN) sind nicht im Datensatz enthalten. Der
implementierte Sortieralgorithmus ist nicht "stable". Es ist also erlaubt, dass Elemente mit
gleichen Keys nach dem Sortieren eine andere Reihenfolge haben als zuvor. Die Sortierung einer
Gruppe in der gegebenen sequentiellen Implementation erfolgt "in place", d.h. die Ausgabedatenliegen während der Ausführung bereits im Speicherbereich der Eingabedaten. Es wird also kein
zweiter Datenbereich verwendet. Dies wird für eine Bit-Position folgendermaßen realisiert: Sollen
alle Elemente mit Nullbits zu Beginn des Speicherbereichs ("links") stehen und alle Elemente mit
Einsbits am Ende ("rechts"), dann sucht man von links nach einem Element mit Einsbit und von
rechts nach einem Element mit Nullbit und tauscht diese Elemente. Dies wird wiederholt, bis kein
weiterer Tausch mehr möglich ist.
Anmeldung und Abgabe
Es ist keine Anmeldung erforderlich.
Die Abgabe muss bis zum Sonntag, 22. August 2021, 23:59 erfolgen. Eine verspätete Abgabe gilt
als Nichtteilnahme. Die Deadline ist strikt. Die Abgabe erfolgt über die "E-Prüfung" im Lernraum
der Betriebssysteme-Vorlesung (Zugang via eKVV). Bitte kennzeichnen Sie Programmdatei und
Ausarbeitung mit Ihrem Account-Namen an der Technischen Fakultät. Für Erika Mustermann
wäre dies z.B. emustermann . Die Programmdatei muss in diesem Beispiel den Dateinamen
radix_emustermann.c , die Ausarbeitung den Dateinamen ausarbeitung_emustermann.pdf
haben. Sie können Ihre Abgabe bis zur Deadline beliebig oft verändern. Bitte beachten Sie die
Hinweise in der bereitgestellten Anleitung Anleitung_E-Pruefung_BS.PDF . Hinweis: Bitte testen Sie
den Abgabevorgang deutlich vor der Deadline.
Zweiter Prüfungsversuch
Ein zweiter Prüfungsversuch im Sommersemester 2021 ist nur bei Teilnahme am ersten
Versuch möglich. Dies ist sowohl bei Bestehen als auch bei Nichtbestehen im ersten Versuch
möglich. Bitte beachten Sie, dass in jedem Fall auch die Leistung des ersten Versuchs eingetragen
wird.
Die Wiederholung erfolgt durch Überarbeitung von Programm und Ausarbeitung mit
demselben Thema. Für die Überarbeitung wird eine Frist von mindestens 2 Wochen nach der
Mitteilung der Bewertung des ersten Versuchs eingeräumt.
In nachfolgenden Semestern gilt die dann festgelegte Prüfungsform (in der Regel eine Klausur).
Programm
Fügen Sie Ihren Programmcode in das vorgegebene Rahmenprogramm ein (s.u.). Dieses liest
die Kommandozeilen-Parameter ein, erzeugt einen Datensatz der angegebenen Größe mit zufällig
gewählten Gleitkommazahlen, startet das Sortierverfahren und überprüft das Ergebnis auf
korrekte Sortierreihenfolge. Es ist eine Funktion parallelRadixSortSignAbs als fast leere Hülle
vorgegeben, in der Sie Ihren Code aufrufen sollten.
Gefordert ist ein C-Programm, welches unter Linux compilierbar und ausführbar ist. Die
Verwendung von C++ ist nicht erlaubt. Die Verwendung zusätzlicher Bibliotheken (z.B. für
Datenstrukturen wie Listen) ist nicht erlaubt; lediglich die C-Standard-Library und die POSIX-
Thread-Library dürfen verwendet werden, nicht aber Funktionen der glibc . Sie dürfen Ihre
eigene Implementation einer doppelt verketteten Liste aus den Übungen verwenden, falls dies
erforderlich ist (bitte nehmen Sie den Code direkt in das Rahmenprogramm auf).
Bitte legen Sie keine weiteren Quellcode-Dateien an (diese könnten auch nicht abgegeben
werden). Bringen Sie Ihren gesamten Code im modifizierten Rahmenprogramm unter. Kann Ihr
Programm wegen fehlender weiterer Quellcode-Dateien, Header-Dateien oder Bibliotheken nicht
erfolgreich compiliert werden, wird es als nicht funktionstüchtig bewertet (siehe unten).
Ihr Programm muss mit der vorgegebenen Version des Compilers gcc compilierbar sein (s.u.).Bitte kommentieren Sie Ihr Programm möglichst ausführlich, um bei Unklarheiten in der Bewertung eine Orientierung im Code zu erleichtern. Ausarbeitung Format Auf einer vorangestellten Titelseite geben Sie bitte "Ausarbeitung Betriebssysteme Sommersemester 21" mit dem Titel "Parallelisierung eines rekursiven bitweisen MSB-Radix-Sort" sowie Ihren Namen, Vornamen, Studiengang und Ihre Matrikelnummer an. Fügen Sie darunter bitte folgenden Text ein: "Hiermit erkläre ich, dass ich das Programm und die vorliegende Ausarbeitung selbstständig verfasst habe. Ich habe keine anderen Quellen als die angegebenen benutzt und habe die Stellen in Programm und in der Ausarbeitung, die anderen Quellen entnommen wurden, in jedem Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Diese Erklärung gilt auch ohne meine Unterschrift, sobald ich das Programm und die Ausarbeitung über die E- Prüfung der Vorlesung Betriebssysteme im Lernraum des eKVV an der Universität Bielefeld und unter Angabe meiner Matrikelnummer in der Ausarbeitung eingereicht habe." Die eigentliche Ausarbeitung umfasst bis zu 4 A4-Seiten mit einer Textbreite von 16 cm und einer Texthöhe von 23 cm. Der Text ist im Zeilenabstand "ein-einhalb-zeilig" zu formatieren. Als Schriftart wählen Sie dabei bitte Times-Roman in der Größe 12 pt. Bitte beachten Sie: Bei Abgaben, welche die Seitenbegrenzung überschreiten, wird nur der Teil bis zum Erreichen der maximalen Seitenzahl bewertet. Bei Abgaben, die Zeilenabstand und / oder Schriftgröße verringern, wird nur der Teil bis zu einer entsprechenden Wortzahl bewertet. Das Erreichen der maximalen Seitenzahl ist nicht erforderlich (entscheidend für die Bewertung des Umfangs ist die inhaltliche Vollständigkeit). Die Liste Ihrer Quellen (Literatur, Webseiten etc.) geben Sie bitte nachfolgend zum eigentlichen Text an, beginnend auf einer neuen Seite. Hinweise zum Zitieren finden Sie bspw. auf dieser Webseite: https://www.uni- bielefeld.de/erziehungswissenschaft/richtigeinsteigen/files/pdf/Zitierhinweise_Stand-Dez- 2017.pdf. Die Titelseite und die Seite(n) mit der Liste der Quellen werden nicht bei der Seitenzählung berücksichtigt. Das eingereichte PDF-Dokument muss ein Format aufweisen, aus dem der Text extrahiert werden kann (für den Plagiatstest, siehe unten). Vermeiden Sie deshalb bitte Rastergrafiken für Text und verschlüsselte Formate. Die Abgabe wird nicht bewertet, bis eine für die Plagiatsprüfung geeignete Fassung zur Verfügung gestellt wird. Hinweis: Sie können die Extrahierbarkeit von Text z.B. mit dem Linux-Tool pdftotext testen. Sie können das bereitgestellte LaTeX-Vorlage ausarbeitung_emustermann.tex verwenden. Inhalt Bitte vermeiden Sie eine Einführung, in der Sie grundlegendes Wissen zu Threads und Synchronisationsmechanismen oder zum sequentiellen bitweisen MSB-Radix-Sort wiedergeben.
Beschreibung der Lösung
Erklären Sie die von Ihnen gewählte Lösung. Bitte beschreiben Sie dabei aber nicht
Programmdetails, sondern erklären Sie den grundlegenden Ansatz für die Parallelisierung. Gehen
Sie dabei auch auf folgende Aspekte ein:
Zu welchem Zeitpunkt werden Threads erzeugt und beendet?
Wie erfolgt der Datenaustausch zwischen den Threads? Welche
Synchronisationsmechanismen werden dafür verwendet? Welche Art von Datenstrukturen
werden für den Datenaustausch verwendet?
Welche Gruppen werden von einem Thread sortiert? Wie werden die beiden Untergruppen,
die bei der Teilung einer Gruppe entstehen, weiter sortiert? In welcher Reihenfolge geschieht
dies?
Welche Schwachstellen Ihres Verfahrens und welche Verbesserungsmöglichkeiten sehen Sie?
Analyse der Laufzeiten
Vergleichen Sie die Laufzeit Ihres parallelisierten Verfahrens mit dem sequentiellen Programm für
verschiedene Anzahlen von Threads und verschiedene Größen des Datensatzes. Die
Laufzeitmessung ist bereits im Beispielprogramm vorgegeben (und darf nicht verändert werden).
Wählen Sie Datensatzgrößen so, dass die Laufzeit jeweils im Bereich einiger Sekunden liegt.
Stellen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle oder Grafik dar und diskutieren Sie die Abhängigkeit der
Laufzeiten von der Anzahl der Threads (mit Bezug auf die Anzahl der CPU-Cores, siehe more
/proc/cpuinfo ) und der Anzahl der Elemente im Datensatz. Verwenden Sie dabei stets relative
Laufzeiten in Bezug auf das sequentielle Vergleichsprogramm. Erklären Sie ausführlich die
Faktoren, die den Leistungsgewinn durch die Parallelisierung begrenzen können.
Hinweise zur Einzelleistung und Betrugsversuchen
Die Programmieraufgabe mit Ausarbeitung ist ein Ersatz für eine Klausur. In einer Klausur ist
sichergestellt, dass die Leistung als Einzelleistung erbracht wird. Derselbe Maßstab gilt auch für
die Programmieraufgabe mit Ausarbeitung. Eine Zusammenarbeit mit anderen Personen in
jeglicher Form gilt deshalb als Betrugsversuch. Für Programmdatei und Ausarbeitung wird ein
elektronischer Plagiatstest durchgeführt. Dadurch aufgedeckte Betrugsversuche werden
geahndet: Gespräch mit dem Modulverantwortlichen, ggf. Meldung ans Prüfungsamt mit
Vermerk, Eintragung der Leistung als "nicht bestanden", Ausschluss vom zweiten Versuch im SS
21, Schreiben vom Dekan, mögliche Exmatrikulation bei weiteren (vorherigen oder
nachfolgenden) Betrugsversuchen.
Wir recherchieren im Vorfeld mögliche Quellen im Internet. Bitte denken auch Sie daran, dass
eventuell auch andere TeilnehmerInnen dieselben Quellen verwenden. Auch wenn wir diese
Quellen nicht kennen sollten, würde dadurch ein Betrugsversuch aufgedeckt.
Sowohl im Quellcode Ihres Programms als auch in Ihrer Ausarbeitung müssen alle verwendeten
Quellen gekennzeichnet sein. Im Quellcode sind alle Programmteile, die aus anderen Quellen
(bspw. Hilfeseiten im Internet) stammen, zu kennzeichnen. Bei zu großem Anteil an Code aus
anderen Quellen gilt das Programm nicht mehr als selbst erbrachte Leistung und wird
entsprechend bewertet. In der Ausarbeitung müssen wörtliche Zitate (auch Übersetzungen)
gekennzeichnet sein. Bei zu großem Anteil (gekennzeichneter) wörtlicher Übernahmen gilt die
Ausarbeitung nicht mehr als selbst erbrachte Leistung und wird entsprechend bewertet.
Eine Manipulation des vorgegebenen Tests auf korrekte Sortierreihenfolge oder eine
Manipulation der vorgegebenen Zeitmessung gilt ebenfalls als Betrugsversuch.
BewertungskriterienDie Leistung ist unbenotet. Abweichungen von dieser Vorgabe sind mit dem Prüfungsamt zu
klären.
Die maximale erreichbare Punktzahl ist 100. Die Bestehensgrenze ist 50% (50 Punkte). 50
Punkte werden aus der Bewertung des Programms ermittelt, 50 Punkte aus der Bewertung der
Ausarbeitung. Da Ausarbeitung und Programm in engem Bezug stehen, kann die Leistung nur
bestanden werden, wenn für Ausarbeitung und Programm jeweils mindestens 15 Punkte und
in der Summe mindestens 50 Punkte erreicht werden.
Es wird zunächst geprüft, ob Ihr Programm die Aufgabenstellung erfüllt, d.h. tatsächlich eine
Parallisierung von MSB-Radix-Sort mit Threads in der POSIX-Thread-Bibliothek in der
Programmiersprache C für das Betriebssystem Linux vorliegt. Ist dies nicht der Fall, gilt die
Aufgabe als nicht erfüllt und die Prüfung damit als nicht bestanden. Ansonsten erfolgt die
Bewertung wie folgt:
Bewertung des Programms
Die Bewertung des Programms erfolgt mit bis zu 50 Punkten. Es müssen mindestens 15 Punkte
erreicht werden.
Funktionstüchtigkeit des Programms (20 Punkte): Ihre Abgabe wird von uns mit dem C-
Compiler gcc in der Version auf den GZI-Maschinen ( 7.5.0 ) zu einer ausführbaren Datei
compiliert. Ein nicht compilierbares Programm wird nicht weiter untersucht und gilt als "nicht
funktionstüchtig" (0 Punkte). Hinweis: Bitte testen Sie deshalb vor Abgabe auf einer GZI-Maschine, ob
Ihr Programm mit diesem Compiler compilierbar ist! Ein compilierbares Programm wird von uns
mehreren Tests mit zufällig gewählten Seed-Werten für den Zufallszahlen-Generator,
unterschiedlicher Zahl von Elementen, unterschiedlicher Zahl von Threads und mit Sortierung in
Aufwärts- und Abwärtsreihenfolge getestet. Der Anteil der Testläufe, bei denen Ihr Programm
eine korrekte Sortierung erzeugt, bestimmt den Grad der Funktionstüchtigkeit und damit die
zugewiesene Punktzahl (bspw. funktionstüchtig in der Hälfte der Fälle: 10 Punkte). Ändern sie
bitte die entsprechende Ausgabe-Anweisung zur Korrektheit der Sortierung nicht (ansonsten
werden 0 Punkte für diesen Teil erteilt). Hinweis: Testen Sie Ihr Programm vor Abgabe ausführlich
unter Variation der genannten Parameter.
Laufzeit Ihres Programms (30 Punkte): Die von uns erarbeitete Musterlösung erreicht für 10
Mio. Elemente eine Laufzeit der parallelen Variante von weniger als 30% im Vergleich zur
sequentiellen Variante (getestet auf GZI-Maschinen spock , gandalf , lasso ). Die Laufzeit Ihres
Programms im Vergleich zur sequentiellen Variante fließt in die Bewertung ein. Für die
Laufzeitmessung verwenden Sie bitte die im Rahmenprogramm vorgegebene Lösung. Dort erfolgt
die Zeitmessung in Mikrosekunden ( us ). Ändern sie bitte die entsprechende Ausgabe-Anweisung
zur Zeitmessung nicht (ansonsten werden 0 Punkte für diesen Teil erteilt). Bewertungsskala:
falls relative Laufzeit kleiner als 35%: 30 Punkte, ansonsten
falls relative Laufzeit kleiner als 50%: 20 Punkte, ansonsten
falls relative Laufzeit kleiner als 65%: 10 Punkte, ansonsten
0 Punkte
Die relativen Laufzeiten (parallel zu sequentiell) werden bei der Bewertung über mehrere
Messungen gemittelt. Ein nicht compilierbares oder nicht zumindest bei einem Laufzeittest
funktionstüchtiges Programm erhält hierbei 0 Punkte.Bewertung der Ausarbeitung
Die Bewertung der Ausarbeitung erfolgt mit bis zu 50 Punkten. Es müssen mindestens 15 Punkte
erreicht werden.
Ausarbeitung in deutscher Sprache (50 Punkte): Die Ausarbeitung ist in deutscher Sprache
vorzulegen (zu Ausnahmen s.u.). In die Bewertung fließen ein:
die verständliche und vollständige Darstellung des gewählten Ansatzes für die
Parallelisierung (max. 25 Punkte)
die verständliche und umfassende Analyse der Laufzeiten inklusive Diskussion (max. 25
Punkte)
Hinweis: Bitte verwenden Sie die Rechtschreibprüfung Ihres Editors und lesen Sie Ihre Ausarbeitung vor
der Abgabe nochmals gründlich durch.
Hinweis: In begründeten Ausnahmefällen kann die Ausarbeitung in englischer Sprache vorlegt werden
(in diesem Fall wird auch eine englisch-sprachige Kommentierung des Programms erwartet); dies ist
aber vor Beginn der Bearbeitung mit dem Prüfenden zu klären.
Bereitgestellte Materialien
Es werden folgende Textdokumente, Programme und Shell-Skripte (für das Betriebssystem Linux)
auf der Webseite der Veranstaltung https://www.ti.uni-
bielefeld.de/html/teaching/SS21/techinf2/index.html bereitgestellt:
Anleitung_E-Pruefung_BS.PDF : Anleitung für die E-Prüfung.
ausarbeitung_emustermann.tex (bitte Account-Namen im Dateinamen sowie Angaben
zu Ihrer Person in der Datei vor der Abgabe anpassen): Latex-Vorlage für die
Ausarbeitung. Die daraus erzeugte PDF-Datei liegt ebenfalls bei.
radix_emustermann.c (bitte Account-Namen im Dateinamen anpassen): Rahmen für Ihr
C-Programm inklusive der sequentiellen Implementation. Bitte fügen Sie Ihren Code in den
gekennzeichneten Bereichen ein und lassen Sie das Programm ansonsten unverändert (auch
die Präprozessor-Direktiven zum bedingten Einschluss). Erzeugen Sie keine weiteren
Quelldateien (Sie können nur diese eine Quelldatei abgeben). Binden Sie keine Header-
Dateien ein, die nicht standardmäßig verfügbar sind. Nutzen Sie keine weiteren Bibliotheken.
In der bereitgestellten Form erzeugt das Programm anhand der Kommandozeilen-Parameter
einen zufälligen Datensatz, sortiert diesen sequentiell und prüft das Ergebnis auf korrekte
Sortierreihenfolge. Die Zeit für die Sortierung wird gemessen und ausgegeben. Bitte
verändern Sie nicht die Prüfung der Sortierreihenfolge und die Zeitmessung sowie die
zugehörigen Ausgaben. Das ausführbare Programm liest folgende Kommandozeilen-
Parameter ein:
: Anzahl der Elemente im intern erzeugten Datensatz
: Sortierung in aufsteigender Reihenfolge ( 1 ) oder absteigender Reihenfolge ( 0 )
: strikt positive ganze Zahl, die den Initialwert des Zufallszahlen-Generators
bestimmt, der für die Erzeugung des Datensatzes verwendet wird
: Anzahl der Threads. Bei Angabe von 0 wird die sequentielle
Implementation benutzt; bitte lassen Sie dies unverändert.
mk : Skript zum Compilieren. Erzeugt eine ausführbare Datei mit demselben Rumpfnamen
wie die Quelldatei. Aufruf: mk radix_emustermann . Benötigt den C-Compiler gcc .Sie können auch lesen
