Aufgaben

1. C++11 Thread Variablenübergabe
   Im besprochenen Beispielprogramm zu threads wird die Variable accum als globale Variable definiert, was als schlechter Programmierstil gilt. Besser ist es, diese Variable als Parameter zu übergeben. Ändern Sie das Beispielprogramm, indem Sie einen Parameter int& accum zu square hinzufügen. Dies sollte eine Referenz sein, da accum sich ändern lassen sollte. Allerdings kann der Aufruf nicht über thread(&square, accum, i) erfolgen, da dies eine Kopie von accum erzeugt und square mit dieser Kopie aufruft. Verwenden Sie anstatt ref(), d.h. thread(&square, ref(accum), i).

   Lösungsbeispiel: thread_lsg1.cpp (nicht thread safe), thread_lsg1b.cpp (thread safe)

2. C++11 tasks
   Verwenden Sie anstatt threads den async-Befehl im beschriebenen Programm zur parallelen Berechnung der Summe der Quadarate bis 20. Fügen Sie hierzu die future<int> Objekte zu einem vector<future<int» hinzu. Am Ende des Programms iterieren Sie über alle futures und erhalten den jeweiligen Rückgabewert und fügen diesen zur Gesamtsumme hinzu.

   Lösungsbeispiel: thread_lsg2.cpp

3. C++11 tasks und this_thread
   Implementieren Sie das C++11 task Beispielprogramm, wie in der vorhergehenden Aufgabe beschrieben. Um festzustellen, ob das Programm tatsächlich parallel ausgeführt wird, versuchen Sie folgendes:
   • Fügen Sie eine Bildschirmausgabe der Variable x in die Methode square hinzu und führen das neue Programm aus. Die Bildschirmausgabe zeigt eine deterministische Ausgabe und keine besonderen Anzeichen für paralleles Ausführen.
   • Fügen Sie als nächstes eine sleep-Aufruf zur Methode square hinzu, um eine CPU-intensive Berechnung zu simulieren:
     this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
     Führen Sie das Programm wieder aus und bestimmen Sie die Ausführzeit. Die tasks werden hintereinander ausgeführt und laufen nicht parallel.
   • Fügen Sie eine Bildschirmausgabe von this_thread::get_id() zur Methode square und zu main hinzu. Auch die Ausführung von main wird als thread aufgefasst - was ist die entsprechende Bildschirmausgabe ?
   • Die Funktion async kann Methoden asynchron oder verzögert ausführen. Eine verzögerte Ausführung bedeutet in unserem Beispiel, daß die Methode square erst aufgerufen wird, wenn get() aufgerufen wird. Zusätzlich wird die Methode im gleichen thread (also in diesem Fall main()) ausgeführt. Das Programm bzw. der Compiler sollte aber eine intelligente auf Geschwindigkeit optimierte Entscheidung über den Ausführmodus treffen. GCC verwendet aber als Standardeinstellung den verzögerten Modus. Eine parallele bzw. asynchrone Ausführung kann erzwungen werden mit:
     async(launch::async, &square, ...)
     Fügen Sie diesen code zum Beispielprogramm hinzu und führen Sie diesen wieder aus und messen die Ausführgeschwindigkeit - welche Geschwindigkeitverbesserung erhalten Sie ?

   Lösungsbeispiel: thread_lsg3.cpp

4. Erzeuger-Konsumenten Problem
   Das Erzeuger-Konsumenten (producer-consumer) Problem ist in einfacher Form ein thread, der Waren erzeugt, und ein weiterer thread, der diese Waren konsumiert. Dabei soll der consumer thread beim Warten eine conditions Variable verwenden. goods.push(i) und good.pop() sollen sich gegenseitig ausschließen, so daß die Daten nicht beschädigt werden. Die Variablen c++ und c- sollen dabei als Kontrolle dienen, da am Ende sich alles zu 0 addieren sollten.

   Führen Sie folgendes Beispiel-Programm aus: tconsumer.cpp.
   Welche Ergebnisse erhalten Sie bei mehrfachem Ausführen ?

   Versuchen Sie das Programm zunächst mit lock-unlock Blöcken zu reparieren und führen das Programm 1000-10000 mal aus, um das Ergebnis zu verifizieren. Versuchen Sie dann, conditions Variablen zu verwenden.

   Lösungsbeispiel: thread_lsg4.cpp

5. Aufzug Simulation
   Nehmen Sie ein mehrstöckiges Haus an, in dem mehrere Personen arbeiten. Die Personen wechseln gelegentlich die Etagen und benutzen dazu einen 1-Personen Fahrstuhl (also noch kleiner als in Schelling 4 ...). Jede Person soll in einem eigenen Thread simuliert werden, die Arbeit zwischen der Aufzugbenutzung wird durch sleep(some-random-time) simuliert. Aufzugfahren ist eine separate Klasse/Methode, die Fahrzeit wird wiederum mit sleep() proportional zur Distanz simuliert. Mittels Mutex lock()/unlock() kann sichergestellt werden, dass nur eine Person (=Thread) den Aufzug verwendet. Ausgabe der Aktionen auf stdout.

   Studieren Sie den Einfluss von Zahl der Stockwerke, Zahl der Beschäftigten, u.a., auf den Durchsatz.

   Einfaches Beispielprogramm: AufzugSimCpp11.cpp (mit C++11 threads) bzw. AufzugSim.cpp (mit QThreads).

6. (Projekt) Primzahl-Finder Multi-Threaded
   Ein einfaches Programm zum Finden von Primzahlen prime_simple.C soll so abgeändert bzw. erweitert werden, so daß die Suche verteilt und unabhängig auf verschiedenen Zahlenbereichen durchgeführt werden kann.
   • Anschließend soll die Primzahlsuche in den verschiedenen Zahlenbereichen auf verschiedene Threads verteilt werden.
   • Lösungsbeispiel:
     
     • (a) Direktes Starten der Threads/Tasks ('Push-Model'): TaskThreadPrime.cpp
     • (b) Thread-Pool/Task-Manager, die Threads holen sich Tasks ('Pull-Model'):
       TaskThreadPrime_TMan.cpp

7. OpenMP Beispiel zur Berechnung von Pi
   PiOMP.cpp ist ein kleines Programm das Pi über Zufallszahlen berechnet und OpenMP zur Parallelisierung verwendet.

   Versuchen Sie es nachzuvollziehen.

   Wozu braucht man # pragma omp critical?

   Warum benutzt man drand48_r und srand48_r( ...) ?

   Modifizieren Sie das Programm und verwenden statt OpenMP C++11 tasks bzw async.