Übung

Übungen zu Systemprogrammierung 1 (für Wiederholer) im WS

Aktuelles

  • Besuch des Linux-Kurses der FSI wird empfohlen, Inhalt wird im Übungsbetrieb vorausgesetzt
  • Übungsanmeldung im Waffel ab Montag, 17.10.2022 08:00

Anmeldung

Der Übungsbetrieb umfasst Tafel- und Rechnerübungen. Jeder Student sollte eine Tafelübung besuchen, zu der eine Anmeldung erforderlich ist. Die Rechnerübungstermine können ohne vorherige Anmeldung je nach Bedarf besucht werden.

Die Tafelübungen dienen der Vermittlung von Theoriewissen, welches zur Lösung der Übungsaufgaben erforderlich ist. Um an diesem Übungsbetrieb teilnehmen zu können, müssen sich alle Teilnehmer auf folgenden Plattformen anmelden:

  • Anmeldung zur Tafelübung: Waffel (Semesterspezifischer Kurs-Link wird unter „Aktuelles“ bekanntgegeben)
  • Bekanntmachungen und Forum: StudOn

Hinweis: Zu Beginn der Tafelübungen können ein oder auch mehrere Teilnehmer zur Vorstellung ihrer gelösten Übungsaufgabe aufgefordert werden. Nichtanwesenheit oder nicht hinreichende Erklärung der Aufgabe führt hierbei zur Bewertung der Aufgabe mit 0 Punkten.

In den Rechnerübungen sind die Arbeitsplätze des Rechnerraums für SP-Studenten reserviert. In diesen Übungen sollen die Aufgaben bearbeitet werden, wobei in der Regel ein Betreuer zur Verfügung stehen wird um bei Bedarf Hilfestellung zu geben.

Zur Information

Termine

Die Termine der angebotenen Tafel- und Rechnerübungen finden Sie im Campo unter Menü (links oben) > Studienangebot > Veranstaltungen suchen > „Systemprogrammierung“ > Übungen / Rechnerübungen > Parallelgruppen / Termine. Beachten Sie, dass nicht immer alle vor Semesterbeginn hier eingetragenen Termine angeboten werden können. Die tatsächlich angebotenen Tafelübungen werden zum Semesterstart im Waffel eingetragen. Campo wird spätestens in der ersten Übungswoche auch aktualisiert so dass ersichtlich ist welche Termine tatsächlich stattfinden.

Folien

All slides are copyrighted (C) 2011-2022 by Wolfgang Schröder-Preikschat and Jürgen Kleinöder, University of Erlangen-Nürnberg, Germany. Use without prior written permission of the authors is not permitted!

Übung 1: Dynamische Speicherverwaltung (24.10 - 28.10.2022)

Übung 2: Fehlerbehandlung, generisches Sortieren (31.10 - 04.11.2022)

Besprechung 1: Besprechung Aufgabe 1 (lilo) (07.11 - 11.11.2022)

  • Keine Materialien hinterlegt

Übung 3: Speicherlayout, UNIX-Prozesse (14.11 - 18.11.2022)

Besprechung 2: Besprechung Aufgabe 2 (wsort) (21.11 - 25.11.2022)

  • Keine Materialien hinterlegt

Übung 4: POSIX-Threads, Koordinierung mit Semaphoren (28.11 - 02.12.2022)

  • Foliensatz

Videos

  • Threads
  • Koordinierung
  • mach + Beispiel

Besprechung 3: Besprechung Aufgabe 3 (clash) (05.12 - 09.12.2022)

  • Keine Materialien hinterlegt

Übung 5: Zeigerarithmetik, Untypisierter und typisierter Speicher, make(1) (12.12 - 16.12.2022)

  • Foliensatz

Videos

  • Freispeicherverwaltung
  • Implementierung
  • make
  • gdb
  • halde + Beispiel

Besprechung 4: Besprechung Aufgabe 4 (mach) (19.12 - 23.12.2022)

  • Keine Materialien hinterlegt

Übung 6: Dateisystem, Dateiattribute, Dateisystem-API (09.01 - 13.01.2023)

  • Foliensatz

Videos

  • Dateisystemaufbau
  • Dateisystemschnittstelle
  • Wildcards
  • Beispiel

Besprechung 5: Besprechung Aufgabe 5 (halde) (16.01 - 20.01.2023)

  • Foliensatz
  • Klausur
  • Man-Pages

Übung K: Klausurvorbereitung (23.01 - 10.02.2023)

  • Klausur
  • Man-Pages

Besprechung 6: Besprechung Aufgabe 6 (creeper) (30.01 - 03.02.2023)

  • Klausur
  • Man-Pages

Aufgaben

Die Übungsaufgaben für das komplette Semester stehen grob fest. Allerdings können sich bis zum Ausgabezeitpunkt noch Details an den Aufgaben ändern.

Die verlinkten Aufgabenstellungen mit einem „Entwurf“-Wasserzeichen im Hintergrund stellen lediglich eine Orientierungshilfe dar. Die endgültigen Aufgabenstellungen werden spätestens am Ausgabetag verlinkt.

Auch die Hinweise zur Aufgabe auf dem Aufgabenblatt können Teile der einzuhaltenden Spezifikation enthalten und sind somit explizit als Teil der Aufgabenstellung zu verstehen.
Alle Aufgaben werden den Korrekturhinweisen entsprechend bewertet.

Nr. Titel Kurzbeschreibung Ausgabe Bearbeitungszeit
(Werktage)		 2er-Gruppen Abzugebende Dateien Zusatzinfos
1 lilo Dynamische Speicherallokierung Montag, 24.10.2022 6 Nein lilo.c
2 wsort Sortierprogramm ähnlich sort(1) Montag, 31.10.2022 10 Ja wsort.c
3 clash Kleine Shell mit Vorder- und Hintergrundprozessen Montag, 14.11.2022 10 Ja clash.c, plist.c, Makefile plist API
4 mach Threads, Semaphore Montag, 28.11.2022 10 Nein mach.c, queue.c, machfile
5 halde Einfache dynamische Freispeicherverwaltung Montag, 12.12.2022 10 Ja halde.c, Makefile, test.c
6 creeper Verzeichnisse, Rekursion Montag, 09.01.2023 10 Ja Makefile, creeper.c

Anfertigung, Abgabe und Bewertung der Übungsaufgaben

Soweit in der Aufgabenstellung nicht abweichend beschrieben, sollen alle abgegebenen Programme portabel zur SUSv4/POSIX.1-2008-Systemschnittstelle sein und im Sprachumfang dem C-Standard ISO C11 entsprechen. Alle Programme müssen mit folgenden Compileroptionen übersetzen:

-std=c11 -pedantic -Wall -Werror -D_XOPEN_SOURCE=700

Die Abgabe erfolgt über die Rechnern im CIP-Pool mit dem Skript /proj/i4sp1/bin/submit und muss vor dem Abgabetermin erfolgen. Dies kann über das Internet geschehen, sodass die Anwesenheit im CIP-Raum nicht notwendig ist. Eine Abgabe per E-Mail oder USB-Stick ist grundsätzlich nicht möglich.

Zur Bearbeitung der Aufgaben wird Ihnen automatisch ein Projektverzeichnis angelegt, nachdem Sie sich zu einer Übung angemeldet haben. Der Pfad zu diesem Verzeichnis lautet /proj/i4sp1/LOGIN, wobei LOGIN für Ihren Benutzernamen im CIP-Pool steht. Bitte bearbeiten Sie Ihre Aufgaben in diesem Verzeichnis und verwalten Sie das Verzeichnis wie in der ersten Aufgabenstellung beschrieben, da ansonsten das Abgabesystem Ihre Lösung nicht finden kann.

Die abgegebenen Aufgaben werden von uns korrigiert und bewertet. Die Ergebnisse der Korrektur sind nach Login im Waffel einsehbar und können zusätzlich über das SVN abgerufen werden.

Korrekturhinweise

Die in den Aufgaben beschriebenen Anforderungen müssen durch das Programm erfüllt sein, damit Bonuspunkte gesammelt werden können. Dazu gehört auch, dass alle angeforderten Ressourcen beim erfolgreichen Beenden des Programms wieder freigegeben werden; im Fehlerfall müssen keine Ressourcen freigegeben werden. Für jeden Fehler in der Implementierung werden Punkte von der maximal erreichbaren Punktzahl abgezogen.

Jede Datei (C-Datei oder Makefile) gilt als eigenes Modul. Punkte werden in dem Modul abgezogen, wo laut Aufgabenstellung die Funktionalität zu erwarten ist. Jedes Modul wird mit mindestens Null Punkten bewertet. Die maximalen Punkte pro Modul stehen in der Aufgabenstellung.

Die folgenden Korrekturrichtlinien zeigen wofür und in welchem Ausmaß Punkte bei Fehlern abgezogen werden. Sie sind als Richtlinien zu verstehen und nicht vollständig. In Ausnahmen kann davon abgewichen werden. Falls nicht weiter spezifiziert wird für jedes Auftreten eines Fehlers die genannten Punkte abgezogen, auch mehrfach für denselben Fehler an unterschiedlichen Stellen im Programm. Tritt derselbe Fehler mehr als zweimal auf, so gibt es ab dem dritten Auftreten keinen Punktabzug mehr und er wird als Folgefehler gewertet.

Eine gekürzte Variante der Korrekturhinweise steht als Cheatsheet zum Drucken zur Verfügung.

Makefile

Fehlerbild
Punktabzug
Anmerkung
.PHONY fehlt oder unvollständig
0,5
Ausnahme: halde, dort optional da noch nicht eingeführt
all (oder Entsprechung) ist nicht erstes Target
0,5
Ausnahme: halde, dort optional da noch nicht eingeführt
Abhängigkeit(en) fehlen
0,5
pro Target
Auf der Webseite geforderte Compilerflags fehlen
0,5
pro Compileraufruf
CFLAGS oder CC werden nicht genutzt, obwohl in der Aufgabenstellung gefordert
0,5
pro Variable

Übersetzerfehler

Wenn sich ein Programm nicht übersetzen lässt werden vom jeweiligen Modul Punkte abgezogen. Für jeden Auslöser von Übersetzerfehlern werden Punkte abgezogen. Dies betrifft auch vom Übersetzer ausgelöste Warnungen, da mit -Werror kompiliert wird.

Fehlerbild
Punktabzug
Auslöser eines Übersetzerfehlers
3

Falsche oder unzureichende Fehlerbehandlung

Nutzung von C- und POSIX-Funktionen erfordern korrekte Fehlerbehandlung. Mögliche Fehler sind in der man-Page der betreffenden Funktion nachzulesen. Alle Funktionen benötigen Fehlerbehandlung, außer die Funktion kann nicht fehlschlagen. Ob eine Funktion fehlschlagen kann, richtet sich nach der POSIX Spezifikation (man 3p funktion). Für jede falsche oder nicht ausreichende Fehlerbehandlung werden Punkte abgezogen. Typische Bestandteile einer Fehlerbehandlung sind:

Nötige Fehlerbehandlung
Punktabzug
Prüfen auf Fehler
0,5
falls errno zur Fehlerprüfung genutzt wird, obwohl laut Man-Page nicht vorgesehen
0,5
Ausgabe des Fehlergrunds mit perror(3) (Funktion setzt errno) oder fprintf(3) (sonst) (*); keine Fehlerausgabe bei selbst geschriebenen Bibliotheksfunktionen (z.B. der halde)!
0,5
Behandlung des Fehlers: exit(3) oder return (**); kein exit bei selbst geschriebenen Bibliotheksfunktionen!
0,5

Insgesamt wird für eine normale Fehlerbehandlung (Ausnahmen siehe unten) maximal 1 Punkt abgezogen, dies gilt auch wenn die Fehlerbehandlung komplett fehlt.

Falls die Fehlerbehandlung das Programm beendet, müssen keine Ressourcen (angeforderter Speicher, offene Dateien, etc.) freigegeben werden.

Ausnahmen und Ergänzungen

Fehlerbild
Punktabzug
Anmerkung
Fehlerbehandlung zu malloc(3) fehlt
0,5
Fehlerausgabe auf stdout
0,5
einmalig pro Abgabe

Manche Funktionen benötigen aufwändigere Fehlerbehandlung, bei der das Prüfen auf einen Fehler komplizierter ist. Somit kann mehr als ein Punkt abgezogen werden. Der maximale Punktabzug pro Funktion ergibt sich aus der Summe der hier aufgezählten möglichen Fehler. Dieser wird auch verwendet, wenn die Fehlerbehandlung komplett fehlt.

  • strtol(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    errno passend setzen sowie nach Aufruf prüfen
    0,5
    endptr prüfen (Eingabe nicht leer und wurde vollständig gelesen)
    0,5
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • fgets(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewert prüfen
    0,5
    Mit feof(3) bzw. ferror(3) auf Fehler prüfen
    0,5
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • fgetc(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewerte EOF und 0xFF können unterschieden werden
    1
    Prüfen des Rückgabewerts auf EOF
    0,5
    Mit feof(3) bzw. ferror(3) auf Fehler prüfen
    0,5
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • sysconf(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewert prüfen
    0,5
    Falls die angeforderte Information ein (Min-/Max-)Limit ist, passend errno setzen und prüfen
    0,5
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • readdir(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewert prüfen
    0,5
    errno passend vor jedem Aufruf setzen sowie nach Aufruf im Fehlerfall prüfen
    0,5
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • getcwd(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewert prüfen
    0,5
    errno im Fehlerfall prüfen
    0,5
    Falls errno gleich ERANGE, ohne Abbruch Fehlergrund beseitigen und erneut aufrufen
    1
    Ausgabe und Behandlung wie oben (*) und (**)
    1
  • getaddrinfo(3)
    Nötige Fehlerbehandlung
    Punktabzug
    Rückgabewert prüfen
    0,5
    Ausgabe des Fehlergrunds mit perror(3) (bei Rückgabe von EAI_SYSTEM) oder gai_strerror(3) (sonst)
    1
    Behandlung bei Fehler wie oben (**)
    0,5

Fehlerbehandlung bei Ein-/Ausgabe

Ein-/Ausgabe benötigt Fehlerbehandlung um beispielsweise Fehler beim Schreiben auf eine volle Festplatte zu erkennen und damit Datenverlust zu verhindern. Fehlerbehandlung ist für alle Funktionen nötig, die Ein-/Ausgabe durchführen die zur Grundfunktionalität des Programms gehören (geht aus der Aufgabe hervor). Das beinhaltet beispielsweise printf(3), fclose(3) oder close(2). Ausgenommen davon sind dabei die Fehlermeldungen selbst sowie unwichtige Ausgaben. Falls sich das Programm bei einem Schreibfehler sowieso mit einem Fehlercode beenden würde (bspw. SIGPIPE) so ist keine Fehlerbehandlung nötig.

Damit auch Schreibfehler auf stdout erkannt werden (wichtig falls in eine Datei umgeleitet wird), muss vor Beendigung des Programms stdout mit fflush(3) geflushed werden. Dies ist nur nötig, falls das Programm Ausgaben auf stdout nutzt.

Verbotene Funktionen

Folgende Funktionen ermöglichen keine korrekte Fehlerbehandlung und dürfen nicht verwendet werden. Als Punktabzug ergibt sich jeweils der maximale Punktabzug der korrekten Alternative.

Verbotene Funktion
Alternative
Punktabzug
atoi(3)
strtol(3)
siehe oben bei strtol(3)

Programmierfehler

Fehlerbild
Punktabzug
static fehlt
0,5
Unnötige globale Variable
0,5
free(3) fehlt
1
close(2) oder fclose(3) fehlt
1
printf(variable), kein Format-String und variable vom Nutzer
1
zu kleiner Puffer
1
Verlust von benötigter Information durch Casten von Datentypen
1
falsche Funktionsparameter
0,5
errno wird vor perror(3) überschrieben (z.B. durch Funktionsaufruf)
0,5
DoS durch getline() möglich
2
sonstige Programmierfehler (Folgefehler nur für dieselben Programmierfehler)
1

Programmierstil (Fehler)

Fehlerbild
Punktabzug
Unnötig (deutlich zu) große Puffer
0,5
goto, falls offensichtlich unnötig oder um Schleifen nachzubauen (Sprung nach oben)
1
Ausgabe in Bibliotheksfunktionen (z.B. bei der halde)
0,5
exit(3) in Bibliotheksfunktionen (z.B. bei der halde); abort(3) ist erlaubt wenn es die Angabe vorsieht
1
offensichtlich schlechter Code (von Folgefehlern ausgenommen)
1

Programmierstil (Hinweise)

Muster
Verbesserte Lösung
if (var) { free(var); }
free(var); /* NOOP, iff var == NULL */
if (ptr == 0) { ... }
if (ptr == NULL) { ... }
(*ptr).member
ptr->member

Literaturempfehlungen

Einführung in die Programmiersprache C

  • Stephen Kochan: Programming in C. Sams Publishing, 3rd Edition, 2005.
  • Karlheinz Zeiner: Programmieren lernen mit C. Carl Hanser, 4. Auflage, 2000.
  • Steve Oualline: Practical C Programming. O’Reilly, 1991.
  • Peter Darnell, Philip Margolis: C: A Software Engineering Approach. Springer, 1991.
  • Brian Kernighan, Dennis Ritchie: The C Programming Language. Prentice Hall, 1988 (in der deutschen Übersetzung 1990 bei Hanser erschienen)

UNIX-Systemprogrammierung

  • A. S. Tanenbaum, A. S. Woodhull: Operating Systems: Design And Implementation, Prentice Hall, 1997.
  • R. W. Stevens: Advanced Programming in the UNIX Environment. Addison-Wesley, 1992.