Informatica. 2 e semester: les 9. OS & Sorteren. Jan Lemeire Informatica 2 e semester februari mei Informatica II: les 9

Transcriptie

1 Informatica 2 e semester: les 9 OS & Sorteren Jan Lemeire Informatica 2 e semester februari mei 2016

2 Vandaag 1. Besturingssystemen 2. Het gebruik van static 3. Binaire bomen (vervolg) 4. Sorteren

3 Hoofdstuk 7: Operating Systems Jan Lemeire Pag. 3 / 62

4 Bedrijfscomputers Initieel waren er voornamelijk bedrijfscomputers Centrale computer mainframe systemen Voornaamste fabrikant: IBM Jan Lemeire Pag. 4 / 62

5 Interactiviteit via Terminal Scherm van 24 lijnen van 80 tekens groot Gebruikers Informatica II: werken les 9 op de centrale computer via domme terminals die enkel het scherm tonen en de input van de gebruiker (via toetsenbord) doorgeven. Jan Lemeire Pag. 5 / 62

6 Toepassingen mainframe Gegevens (bvb boekhouding) van banken, bedrijven, winkels etc Gegevens worden bijgehouden in database Database = gestructureerd bijhouden van gegevens Eigenschappen mainframe: Betrouwbaarheid (heel belangrijk) Robuust (crasht bijna nooit) Veiligheid (security) van gegevens (bvb bankgegevens) Jan Lemeire Pag. 6 / 62

7 IBM gaat voor Personal Computer Computer voor thuis Kan op eigen kracht werken (niet geconnecteerd met centrale computer) De PC is geboren! IBM: op dat moment het grootste informaticabedrijf Concentreert zich op hardware De PC ontketent een nieuwe revolutie in de informatica 1981 Jan Lemeire Pag. 7 / 62

8 IBM gaat langs bij Bill Gates en vrienden Zitten thuis te programmeren Steken DOS in elkaar MicroSoft is geboren Nog steeds terug te vinden in Windows Cmd-window Programma s start je met commando (en eventueel argumenten)

9 IBM heeft Operating System nodig IBM gaat langs bij Bill Gates en zijn hippie -vrienden Zitten thuis te programmeren MicroSoft is geboren Steken DOS (Disc Operating System) in elkaar Nog steeds terug te vinden in Windows Cmd-window Programma s start je met commando (en eventueel argumenten dit zijn de String[] args van de main) Jan Lemeire Pag. 9 / 62

10 Commando-based: Je geeft commando s In de terminal of shell Jan Lemeire Pag. 10 / 62

11 Bill Gates wordt rijkste man ter wereld 0.1 Jan Lemeire Pag. 11 / 62

12 Macht ligt vanaf nu bij software en vooral het besturingsysteem 1984 IBM maakt historische vergissing door op hardware te blijven mikken Ze mist de softwareboot compleet Jan Lemeire Pag. 12 / 62

13 IBM Jan Lemeire Pag. 13 / 62

14 Besturingsysteem = Operating System (OS) OS regelt en organiseert de computer OS wordt van harde schijf gestart bij het booten BIOS zorgt hiervoor Een besturingssysteem (in het Engels operating system of afgekort OS) is een programma (meestal een geheel van samenwerkende programma's) dat na het opstarten van een computer in het geheugen geladen wordt en alle mogelijkheden van de computer aan de gebruiker. Het OS biedt ook de functionaliteiten aan om andere programma's - applicaties genoemd - uit te voeren. Jan Lemeire Pag. 14 / 62

15 Application Programming Interface (API) OS verstopt de details van de hardware voor de gebruiker en voor applicaties dmv een API Deze worden op een uniforme wijze aan de applicaties aangeboden. De API abstraheert de toegang tot de verschillende randapparatuur, zonder OS moet elk programma zelf instaan voor het aansturen van randapparatuur (zoals printer, beeldschermen, harde schijf). Gebruikersprogramma is enkel afhankelijk van het OS, niet van de randapparatuur. Het communiceren van het OS met het randapparaat gebeurt via een driver. Jan Lemeire Pag. 15 / 62

16 Hoofdtaken OS (vervolg) Verdelen van toegang tot systeembronnen (RAM-geheugen, opslag, printer etc.) tussen actieve programma's Elk programma krijgt een deel van het werkgeheugen toegewezen (java: standaard 64MB, je kan dit anders instellen) OS voorkomt dat programma buiten zijn deel gegevens kan lezen of schrijven (beveiliging!) Aanbieden gegevens (files) en applicaties aan gebruiker OS beheert het filesysteem (georganiseerd in een boomstructuur dmv folders) Verdelen van processortijd over de aktieve programma s Zie verder Jan Lemeire Pag. 16 / 62

17 Interactiviteit Geen interactiviteit = batch programma Programma en gegevens worden op voorhand klaargemaakt Tijdens de uitvoering kan je niet interageren met het programma Resultaten worden op het einde als geheel gepresenteerd Commando-gebaseerd Cf DOS, linux shell De commando s worden geïnterpreteerd en het programma gestart Je kan een lijst van commando s doorgeven ( batch ) Grafische User-Interface (GUI) Windows, muis, toetsenbord, touch screen Jan Lemeire Pag. 17 / 62

18 Op een modern OS kan je meerdere programma s tegelijk draaien. Het uitvoeren van een programma resulteert in een proces. Een achtergrondproces is in feite ook een gewoon programma, maar ze is niet zichtbaar voor de gebruiker. De achtergrondprocessen zorgen voor het beheer van het systeem of bieden services aan (zoals het sharen van je (muziek-)files en het checken van je mailbox). Task Manager Windows: start via Control-Alt-Delete Toont actieve applicaties en processen, alsook processorgebruik Applicaties: van gebruiker Processen: naast de processen van de applicaties, ook processen en achtergrondprocessen ( services ) van operating system en applicaties Operating System verdeelt cycles van processor (CPU) over de verschillende processen (process scheduling)

19 Threads van processen main(){ thread.start(); Hoofdthread Process Zijthread run(){ Eén programma kan bestaan uit meerdere threads. Elke thread voert een sequentie van instructies uit. Een sequentie kan je zien als een draad, vandaar de benaming. Vele moderne toepassingen zijn zelf opgebouwd uit een aantal onafhankelijke threads die simultaan uitgevoerd worden. Het tekstverwerkingsprogramma Word bv. gebruikt verschillende threads om teksten en figuren op het scherm te tonen, zodanig dat wanneer men snel door een tekst wenst te lopen men niet hoeft te wachten op het tekenen van alle figuren. Een andere thread zal tegelijkertijd je taalfouten opsporen (de spelling checker).

20 Threads van je project Boek I: p 50 Hoofdthread Proces Thread voor afhandelen events Thread voor timer main(){ Jframe frame = new Jframe(); frame.show();... Hoofdthread doet niets meer Windows do{ Wacht op event Bepaal broncomponent Roep Listeners op actionperformed(){... timer.start();... Uw code while (frame is shown); Maar 1 GUI-thread: kan maar 1 actie/event tegelijk afhandelen!!! Windows For(elke x ms){ Jan Lemeire Pag. 20 / 62 Aparte thread voor spellus actionperformed(){ Uw code

21 Process scheduler De process-scheduler is het deel van het besturingssysteem dat op elk ogenblik bepaalt welk van de programma's toegewezen wordt aan de centrale verwerkingseenheid (CPU). Het hart van de computer, de processor of CPU, kan immers maar 1 programma tegelijk uitvoeren. De processor is immers opgebouwd volgens de Von Neumann-architectuur. Karakteristiek voor deze architectuur is dat hij één programma stap-voor-stap uitvoert. De CPU zal om beurten de programma s uitvoeren. Moderne computers hebben intussen meerdere processorcores (dual core, quadcore, ). Dat zijn dan in feite 2, respectievelijk 4 onafhankelijke processoren die elk één proces tegelijkertijd kunnen uitvoeren. De process-scheduler zal per core de processortijd verdelen over de lopende processen en threads: elk proces/thread krijgt een periode ( time slice ) toegekend.

22 Toestanden van een proces processorcycles Informatica ter II: beschikking les 9 stelt. De lopende processen, kunnen zich, op elk ogenblik in drie toestanden bevinden: 1) actief: de centrale verwerkingseenheid (CPU) is aan het proces aan het werken; dwz. dat instructies van dat programma opgehaald worden door de stuureenheid en worden uitgevoerd. 2) geblokkeerd: een in- of uitvoeroperatie (Input/Output of I/O) is aan de gang en het proces moet wachten tot het einde ervan; 3) wachtend: het proces zou kunnen uitgevoerd worden, maar de centrale verwerkingseenheid is niet beschikbaar, ze is instructies aan het uitvoeren van een ander proces. Het proces moet wachten tot de proces-scheduler

23 Overgang van 1 proces naar een ander Als het actieve proces op I/O (input/output) moet wachten Dikwijls wordt bij I/O het OS geactiveerd, omdat die de I/O beheert (bvb toegang tot files controleert) Of als de toegekende time slice die een proces toegekend krijgt op is Bij starten van een proces wordt ook een timer gestart die na de time slice een interrupt geeft Interrupt zorgt dat de processor met het actieve proces stopt en de scheduler van het OS wordt gereactiveerd. Deze beslist welk proces nu een time slice toegekend krijgt. Overgang naar een nieuw proces: context switch de staat van het oude proces wordt opgeslagen en dat van het nieuwe wordt geladen

24 Interrupts Met een Interrupt ( onderbreking ) wordt een lopend programma onderbroken. Deze is voorzien in de hardware van de processor. Je kan immers niet verwachten dat een lopend programma zelf zal checken of hij verder mag gaan. Ook kan het OS er niet van uitgaan dat elk programma in een redelijke tijd stopt. Het OS moet op elk moment een programma kunnen onderbreken. Anders zou een oneindige lus volledig beslag leggen op je processor zonder dat je er iets aan kan doen, behalve dan de computer herstarten. Let op: het OS is ook niets meer dan een programma. Er is geen big brother in je computer die toekijkt wat de processor doet. Controle over het actieve proces wordt verkregen door interrupts. Om toe te laten op gelijk welk ogenblik sprongen tussen het toepassingsprogramma en besturingssysteem te maken bevatten processoren een hardwareschakeling waardoor een programma kan onderbroken worden door middel van een interrupt. Vervolgens bepaalt de interrupt handler welk programma uitgevoerd moet worden. Aan de hand van de oorsprong van de interrupt veroorzaakt deze een sprong naar het gewenste programma. De interrupt handler speelt dus een centrale rol en vormt dan ook het hoofdbestanddeel Informatica II: van les de 9 kern van moderne besturingssystemen.

25 Unix & Linux UNIX operating system: zoals mainframe initieel bestemd voor bedrijfscomputers User moet inloggen Heeft eigen files op server (in zijn home) Enkel administrator kan dingen aan systeem veranderen Linux: Open Source-versie van UNIX Open Source volgt de GNU-regels: de code mag vrij (gratis) gebruikt worden zolang er geen geld voor gevraagd wordt Apple gebruikt nu ook een Unix-versie Android van Google is java op Linux Conclusie: in de consumentenmarkt is het Windows of Linux.

26 Strategie: open versus gesloten Microsoft s Windows: Open besturingssysteem Iedereen mag er software voor ontwikkelen Geeft andere bedrijven kansen Microsoft concentreerde op besturingssysteem & software Apple: niet op hardware en niet op alle software Hield en houdt controle over het hele systeem, software & hardware Werkte initieel tegen hun (eind 90 bijna failliet) Via apps kan je software aanbieden Pakt nu succesvol uit met totaalproducten Gebruiksgemak, stijl en design steeds prioritair Analoog: Samsung/Android versus Apple

27 Static in java denken in objecten

28 Boek I: p. 53 Objecten Hebben elk hun eigen attribuutwaarden, niet static dus Jan Lemeire Pag. 29 / 62

29 Handige van static Je hebt geen referentie naar het object nodig Referenties naar object: zie pagina van de cursus Hoofdstuk 1 kan nu van pas komen! Statische methode Math.sin(x) kan je overal oproepen Als niet-statisch: je moet een Math-object aanmaken Statische variabele kan je overal oproepen: aantaliteraties (zie pagina 36 van de cursus) Jan Lemeire Pag. 30 / 62

30 Probleem met static Vanuit object kan je static dingen oproepen, maar niet omgekeerd: vanuit static kan je geen objectattributen of methodes oproepen van een gewoon object!! Compiler (Eclipse) zal een fout geven Cannot make a static reference to the non-static method Voorbeeld: statische methode roept gewone method op Dan moet je alles static maken en loopt het fout (Of je moet statische referenties bij gaan houden ) Niet doen dus Als je dit tegen komt is het foutief gebruik van static Jan Lemeire Pag. 31 / 62

31 Wanneer static te gebruiken? Zo weinig mogelijk Algemene functies, die niets aan een object veranderen Voorbeeld: berekenen gemiddelde, hoek ofzo Als je een object wilt veranderen gaat het fout (oproepen nietstatische variabele Algemene, globale variabelen 1 waarde die duidelijk algemeen moet zijn over alle objecten heen Voorbeeld: teller, mode van je GUI Als je functie een 2 e waarde moet teruggeven Kan dus niet in Zie cursus p. 26 (aantaliteraties) en hoofdstuk over sorteren Jan Lemeire Pag. 32 / 62

32 Binaire bomen vervolg

33 p. 63 Geordende binaire boom Zoeken kan snel Flexibel: toevoegen & verwijderen Jan Lemeire Pag. 34 / 62

34 Elke node is een object class Node<T>{ T data; Node<T> left, right; Node(T data){ this.data = data; this.left = null; this.right = null; Jan Lemeire Pag. 35 / 62

35 Boom object public class BinaryTree<T> { Node<T> root; Comparator<T> comparator; public BinaryTree(Comparator<T> comparator){ this.comparator = comparator; root = null; Jan Lemeire Pag. 36 / 62

36 Belangrijke operaties 7.3 Zoeken element 7.5 Toevoegen element (opbouwen boom) 7.6 Verwijderen element 7.7 Doorlopen van boom (bvb printen) Jan Lemeire Pag. 37 / 62

37 7.6. Verwijderen van element p mogelijkheden: Element is root Element is niet in boom Element heeft 0 of 1 subboom Element heeft 2 subbomen 5 Jan Lemeire Pag. 38 / mogelijke situaties : a) 2 subbomen: 3, 6 b) 0 of 1 subboom: 1, 2, 4, 5, 7 c) niet aanwezig: 0, 8,

38 4 e geval: promoten van node Meest linkse van rechtersubboom Meest rechtse van linkersubboom Jan Lemeire Pag. 39 / 62

39 public boolean remove(t object){ if (comparator.compare(root.data, object)== 0){ root = createsubtree(root); return true; else return findnodeandremove(root, object); private boolean findnodeandremove(node<t> current, T object){ if (current == null) return false; Eentje hoger stoppen! if (current.left!= null && comparator.compare(current.left.data, object)== 0){ current.left = createsubtree(current.left); return true; else if (current.right!= null && comparator.compare(current.right.data, object)== 0){ current.right = createsubtree(current.right); return true; else if (comparator.compare(current.data, object) < 0) return findnodeandremove(current.left, object); else return findnodeandremove(current.right, object); Jan Lemeire Pag. 40 / 62

40 private Node<T> createsubtree(node<t> current){ if (current.left == null){ // current.right is the only subtree that we should consider return current.right; else if (current.right == null){ // current.left is the only subtree that we should consider return current.left; else { // promote rightmost node of left subtree if (current.left.right == null){ current.left.right = current.right; return current.left; else { Node<T> rightmostnode=pickrightmostnode(current.left); // he is new root of subtree rightmostnode.right = current.right; rightmostnode.left = current.left; return rightmostnode;

41 private Node<T> pickrightmostnode(node<t> current){ // we expect current.right not to be null if (current.right.right!= null){ return pickrightmostnode(current.right); else { Node<T> rightmostnode = current.right; current.right = rightmostnode.left; rightmostnode.left = null; return rightmostnode;

42 Oefening in boek Jan Lemeire Pag. 43 / 62

43 p Doorlopen van boom public void preorder(node<t> node){ if (node!= null){ System.out.print(node.data+", "); preorder(node.left); preorder(node.right); public void inorder(node<t> node){ if (node!= null){ inorder(node.left); System.out.print(node.data+", "); inorder(node.right); public void postorder(node<t> node){ if (node!= null){ postorder(node.left); postorder(node.right); System.out.print(node.data+", "); Op boom van p. 63 {k, g, a, e, c, f, i, l, x, q, r, z {a, c, e, f, g, i, k, l, q, r, x, z {c, f, e, a, i, g, r, q, z, x, l, k Jan Lemeire Pag. 44 / 62

44 Boom van p.63 Jan Lemeire Pag. 45 / 62

45 Toepassingen preorder: backtracking Is de node de oplossing? Indien niet, zoek eerst links en daarna rechts inorder: in volgorde afgaan van alle elementen Jan Lemeire Pag. 46 / 62

46 p. 74 Toepassing postorder public int aantalkinderen(node<t> node){ if (node == null) return 0; int n = aantalkinderen(node.left); n += aantalkinderen(node.right); System.out.println("Node "+node.data+" heeft "+n+" kinderen"); return n + 1; Voorbeeld van boomrecursie waarbij resultaat gegenereerd wordt bij het terugkeren uit de recursie Jan Lemeire Pag. 47 / 62

47 Gebalanceerde bomen

48 p Perfect gebalanceerde bomen imbalance # nodes # nodes links links # nodes # nodes rechts rechts 12/11 5/6 4/6 2/2 3/2 1/2 3/2 1/0 0/1 1/1 1/0 0/0 1/0 1/1 1/0 Jan Lemeire Pag. 49 / 62

49 // geeft -1 als niet perfect gebalanceerd, anders aantal nodes public int isperfectgebalanceerd(node<t> node){ if (node == null) return 0; int nlinks = isperfectgebalanceerd(node.left); int nrechts = isperfectgebalanceerd(node.right); if (nlinks < 0 && nrechts < 0) return -1; if (Math.abs(nLinks - nrechts) > 1) { System.out.println("Node "+node.data+" is niet perfect gebalanceerd: "+nlinks+" versus "+nrechts); return -1; else { return nlinks + nrechts + 1; Jan Lemeire Pag. 50 / 62

50 Voorbeelden imbalance # nodes # nodes links links # nodes # nodes rechts rechts imbalance=60% imbalance=100% Promotie node l tot root Jan Lemeire Pag. 51 / 62

51 p Hoogte van subboom class Node<T>{ T data; Node<T> left, right; int hoogte=0; Node(T data){ this.data = data; left = null; right = null; public String tostring(){ return data.tostring()+"("+hoogte+")"; Jan Lemeire Pag. 52 / 62

52 Hoogte berekenen protected void berekenhoogte(node<t> node){ int nrechts = node.right == null? 1 : 1 + node.right.hoogte; int nlinks = node.left == null? 1 : 1 + node.left.hoogte; node.hoogte = Math.max(nRechts, nlinks); Jan Lemeire Pag. 53 / 62

53 Volgende week: neem laptop mee Firefox, Chrome: installeer plugin Live HTTP Headers Download code van parallel.vub.ac.be

54 Hoofdstuk 8 Sorteren

55 meest interessante hoofdstuk minst interessante hoofdstuk

56 p. 78 Sorteren Van Naar Toepassingen: Woordenboek Googleresultaten mailbox Database Jan Lemeire Pag. 57 / 62

57 1. Selection Sort Idee: zoek kleinste, dan tweede kleinste, enzovoorts Step A[0] A[1] A[2] A[3] A[4] A[5] A[6] A[7] A[8] A[9] A[10] n stappen n operaties Jan Lemeire Pag. 58 / 62

58 public static void selectionsort(int[] array){ aantalvergelijkingen = 0; aantalkopies = 0; // we selecteren telkens het kleinste element for(int i = 0; i< array.length-1;i++){ // laatste is niet nodig int minindex = indexminimumvanaf(array, i); swap(array, i, minindex); if (PRINT_TUSSEN_RESULTATEN) System.out.println(" > ["+i+"] "+Arrays.toString(array)); public static int indexminimumvanaf(int[] array, int vanaf){ int min = array[vanaf]; int minindex = vanaf; for(int i=vanaf+1;i<array.length; i++){ // vanaf + 1 if (array[i] < min){ min = array[i]; minindex = i; aantalvergelijkingen++; return minindex;

59 /** swaps elements i and j from the array */ private static void swap(int[] array, int i, int j){ if (i!= j){ int tmp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = tmp; aantalkopies+=3; Om de waarden van 2 variabelen te wisselen heb je altijd een tijdelijke (temporary=tmp) variabele nodig. x=y; y=x; zal niet werken

60 Performantie Selection Sort: n 2 Idee: zoek kleinste, dan tweede kleinste, enzovoorts Step A[0] A[1] A[2] A[3] A[4] A[5] A[6] A[7] A[8] A[9] A[10] n stappen n/2 operaties Jan Lemeire Pag. 61 / 62

61 Performantie selection sort Aantal vergelijkingen ( n 1) ( n 2)... 1 n 1 i 1 n i n 1 i 1 i ( n 1 1).( ( n 2 1) ) n 2 2 n ( n 2 ) Jan Lemeire Pag. 62 / 62