BS_Praktikum4/README.md

### Erklärung der Praktikumsaufgabe (Synchronisation)

#### **Kernziel der Aufgabe**
Sie sollen ein **multithreaded Sensornetzwerk** simulieren, das drei Komponenten umfasst:
1. **Sensoren (Producer)**
    - Erzeugen regelmäßig Messdaten (z.B. Temperatur) als Zufallszahlen.
    - Speichern Daten in einem **gemeinsamen Ringpuffer** (Thread-sicher synchronisiert).
2. **Analyse-Module (Consumer & Reader)**
    - Entnehmen Daten aus dem Ringpuffer.
    - Lesen **gleichzeitig** ein zentrales Analysemodell (z.B. Kalibrierungsdaten).
3. **System-Controller (Writer)**
    - Aktualisiert das Analysemodell in zufälligen Abständen.

#### **Technische Anforderungen**
1. **Synchronisationsmechanismen**
    - Nutzen Sie **nur Semaphore und Mutex** (wie in der Vorlesung behandelt).
    - Vermeiden Sie **Race Conditions** und **Deadlocks**.
2. **Ringpuffer**
    - Vorgegebene Implementierung (nicht threadsicher!) → Sie müssen **Zugriff synchronisieren**.
    - Eigenschaften:
        - Größe `BUFFER_SIZE` (z.B. 8 Elemente).
        - Überschreibt älteste Daten bei Vollschreiben (`ring_push`).
        - Blockiert beim Lesen, wenn leer (`ring_pop`).
3. **Analysemodell**
    - Einfache Implementierung als **globaler Integer** (keine komplexe Analyse).
    - **Reader-Writer-Problem**:
        - Mehrere Leser (Analyse-Module) dürfen **gleichzeitig** lesen.
        - Writer (Controller) benötigt **exklusiven Zugriff** (kein Leser/Writer aktiv).
        - **Starvation des Writers verhindern** (Controller darf nicht endlos warten).
4. **Simulation**
    - Sensoren/Controller: `sleep()` + `rand()` für Intervalle.
    - Ausgaben: Nutzen Sie `printf()` zur Beobachtung des Systems.

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### **Zu implementierende Synchronisation**
#### 1. **Ringpuffer (Producer-Consumer Pattern)**
- **Problem**: Paralleler Zugriff von Sensoren (Produzenten) und Analyse-Modulen (Konsumenten).
- **Lösung**:
    - **Mutex**: Schützt den Puffer bei `push`/`pop` (strukturelle Integrität).
    - **Semaphore `items`**: Zählt belegte Pufferplätze.
        - Initialwert: `0` (leer).
        - **Producer** (Sensor): Erhöht `items` **nur wenn Puffer vorher nicht voll war** (sonst Überschreiben ohne Signal).
        - **Consumer** (Analyse-Modul): Wartet auf `items > 0` vor dem Lesen.

   ```c
   // Pseudocode: Sensor (Producer)
   pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
   bool was_full = ring_is_full(&rb);
   ring_push(&rb, new_data);
   if (!was_full) sem_post(&items); // Signal an Consumer
   pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);

   // Pseudocode: Analyse-Modul (Consumer)
   sem_wait(&items); // Wartet auf Daten
   pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
   ring_pop(&rb, &data);
   pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
   ```

#### 2. **Analysemodell (Reader-Writer Problem mit Fairness)**
- **Problem**: Paralleles Lesen vs. exklusives Schreiben + Verhinderung von Writer-Starvation.
- **Lösung** (Fairness mit "Turnstile"-Semaphor):
    - **Semaphore `turn`**: Garantiert FIFO-Reihenfolge (Fairness).
    - **Semaphore `rw_mutex`**: Schützt exklusive Schreibzugriffe.
    - **Mutex `read_mutex`**: Schützt Leser-Zähler (`read_count`).
    - **Integer `read_count`**: Zählt aktive Leser.

   ```c
   // Pseudocode: Analyse-Modul (Reader)
   sem_wait(&turn);    // Stelle dich in Warteschlange
   sem_post(&turn);    // Weiterleitung (sofort)
   pthread_mutex_lock(&read_mutex);
   read_count++;
   if (read_count == 1) sem_wait(&rw_mutex); // Erster Leser sperrt Writer
   pthread_mutex_unlock(&read_mutex);

   // LESEZUGRIFF auf shared_model

   pthread_mutex_lock(&read_mutex);
   read_count--;
   if (read_count == 0) sem_post(&rw_mutex); // Letzter Leser erlaubt Writer
   pthread_mutex_unlock(&read_mutex);

   // Pseudocode: Controller (Writer)
   sem_wait(&turn);    // Warte auf deine Reihenfolge
   sem_wait(&rw_mutex); // Fordere exklusiven Zugriff an
   sem_post(&turn);    // Freigabe für Nächsten in Warteschlange

   // SCHREIBZUGRIFF auf shared_model

   sem_post(&rw_mutex); // Freigabe
   ```

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### **Test und Reflexion**
Starten Sie das System mit verschiedenen Parametern und beobachten Sie:
1. **Durchsatzrate**
    - Wie viele Daten werden pro Zeiteinheit verarbeitet?
    - Variieren Sie: Puffergröße, Anzahl der Sensoren/Analyse-Module.
2. **Starvation/Deadlocks**
    - Tritt Starvation auf (z.B. Controller wird blockiert)?
    - Verursachen bestimmte Konfigurationen Deadlocks?
3. **Lastszenarien**
    - **Viele Sensoren**: Läuft der Puffer über? (Datenverlust durch Überschreiben)
    - **Viele Leser**: Wird der Controller blockiert? Wie wirkt sich Fairness aus?
4. **Systemunterbrechungen**
    - Simulieren Sie OTA-Updates: Controller führt `sleep()` während Schreibzugriff aus → Blockiert Leser?
5. **Optimale Parameter**
    - Finden Sie Konfigurationen, bei denen das System besonders effizient ist.

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### **Umsetzungshinweise**
- **Globale Variablen**:
  ```c
  RingBuffer rb;                   // Ringpuffer
  int shared_model = 0;            // Analysemodell (Integer)
  sem_t items, rw_mutex, turn;     // Semaphore
  pthread_mutex_t buffer_mutex, read_mutex; // Mutexe
  int read_count = 0;              // Zähler aktiver Leser
  ```
- **Thread-Erstellung**:
  ```c
  // Beispiel: Starte 2 Sensoren, 3 Analyse-Module, 1 Controller
  pthread_t sensor_threads[2], analyser_threads[3], controller_thread;
  for (int i = 0; i < 2; i++) pthread_create(&sensor_threads[i], NULL, sensor_func, NULL);
  for (int i = 0; i < 3; i++) pthread_create(&analyser_threads[i], NULL, analyser_func, NULL);
  pthread_create(&controller_thread, NULL, controller_func, NULL);
  ```

- **Wichtig**: Initialisieren Sie alle Synchronisationsmittel vor Thread-Start!
  ```c
  sem_init(&items, 0, 0);        // Initialwert 0
  sem_init(&rw_mutex, 0, 1);     // Initialwert 1 (frei)
  sem_init(&turn, 0, 1);         // Initialwert 1 (FIFO-Reihenfolge)
  pthread_mutex_init(&buffer_mutex, NULL);
  pthread_mutex_init(&read_mutex, NULL);
  ```

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### **Warum diese Lösung?**
- **Ringpuffer**: Produzenten überschreiben alte Daten, Konsumenten warten bei Leerpuffer → Effizient & verlusttolerant.
- **Analysemodell**:
    - `turn`-Semaphor verhindert Writer-Starvation (Fairness).
    - Leser können parallel arbeiten, solange kein Writer aktiv ist.
- **Synchronisationsmittel**: Beschränkt auf Semaphore/Mutex (vorgabekonform).

Mit dieser Struktur erfüllen Sie alle Lernziele:  
✅ Reader-Writer-Problem  
✅ Producer-Consumer-Pattern  
✅ Vermeidung von Race Conditions & Deadlocks!