Параллельная Обработка Данных, 10 лекция (от 06 ноября)

Материал из eSyr's wiki.

Закончили архитектуру пар выч систем. Для классов были выписаны сложности.

Вторая тема -- Технологии параллельного программирования. Програмирование на асме уходит в рошлое. Нужен посредник, который записывает методы на языке понятном и нам и машине.

Технологиии параллельного пограммирования

Задача-- Метод-- Алгоритм -- Технлогия программирования -- Программа -- Компилятор -- Компьютер

ТП - центральная часть. Речь пойдет о тп параллельных. На всей цепочке не долэжно быть ни одного узкого места, в том числе и в технологиях. Технологии должны эффективно выражать метод и эффективно отображать их на разные классы компов. Иногда помогает то, что уже реализовано в архитектуре(супер склярность), но без спец технологий не обойтись. Для того чтобы достчиь цели можно выбрать и массу обходных путей -- сразу с яву на комп(например при использовании какого-нибудь мощного пакета).Вообще,в озможен почти любой обходной путь через основные понятия. Вообще есть три критерия для тп:

1. эффективность. Допускает ои она создание эф программ?
2. переносимость. Хочется.ю чтобы программа не была привязана к конкретному компьютеру
3. продуктивность. Работы прораммиста.

Любая технология это компромисс между этими критериями. С точки зрения этих критереев будем оценивать технологии

Когда говорим про тпп имеется ввиду целый набор подходов, которыми можно ользоваться:

• Использование традиционных языков программирования. Паскаль, фортран. Предполагается, что комп с парал арх. Кто-то должен определить параллельную струкутуру. Это нагрузка ложиться нак омпилятор. Надежда на умный компилятор, как показыввает история -- пустая.В любом случае требуется вмешательство. Так что, как бы ни был удобен этот путь(столько всего написано), но неээфективен.
• спец комментарии. Не влияют на суть программы, там указываются доп сведения, упрощающие жизнь компилятору. Чутьчуть сдвигаемся в торону эффективности, остаемся в рамках прежней программной инфраструктуры(такую прорамму можно скормить и не поддерживающему спецкоменты компилеру). Это часто использовали на векторных компах. В них самое главное было распознать внутренние циклы без зависимостей. Именно эта доп информация и была наиболее часто используемым видом комментариев.
• Введение доп конструкций в традициионые языки. Была иллюзия, что добавим несколько новых конструкций, человку нужно будет немножко поменять и все станет параллельно. Пример HPF -- через 7-8 лет осознали, что страдает эффективность. MPC - поззволяет прораммировать для неоднородной сети компьютеров.Большие проблемы с переносимостью -- без спецефичных компиляторов для платформы не будет параллельных программ.
• Новые языки. Occam, Sisal. Опять проблемы с переносимостью. Появление любых новых стандартов, вовлечение в свою веру, привлечение людей -- это большие сложности В ипмебыл создан язык НОРМА - для обработки сеточных функций. Хорошо с эффективностью и продуктивностью, плохо с переносимостью, Речи о том чтобы использовать везде к сожалению не идет.

Сейчас наиболле распространненая арх - компы с распр памятью. Общение -- передачей сообщений. Появилось много библиотек передачи сообщений.

• Библиотеки передачи сообщений. PVM, MPI, Shmem. За основу беруться традиционные программы. На сегодняшнитй день 95% процентов прорамм -- это наполовину с, наполовину фортран.
• параллельные предмнтные библиотеки. Хорошие пакеты по линейке, преобр фурье, обработки изображений. Обвязка на обычном языке, а весь паралеллизм в спец библиотеке, реализованной специалистами, грамотно распралеллеными. ПРимеры -- Scalapack - основные функции линала для компов с распр памятью.FFTW - преобразования фурье, часто используется, и многие другие. Подход удачный, часто используется.
• Специализированные комплексы программ. Средство самого выского уровня, чел формулирует задачу в терминах предметной области, все этапы за программиста сделают. Maxima, ANSYS GAMESS, Flow Vision. Это самый идеальный вариант, если можно этим подходом решить задачу -- то так и надо делать.

Базовый вопрос - дали систему из 1000 процов. А как себе представить себе функционирование программы, анд которой одновременно работают 1000 процессоров. Вопрос о модели о конца не решен, пока есть два подхода

• SPMD(Single program Multiple Data). Берется один код программы и все процессоры работают согласно одной и той же программе, но каждый процесс работает над своими данными. Как этого добиться? В любом случае в тп предусматривается средство самоопределение роцесса. пусть это функция MyID. Оно взвращает униек номер приписанный данному процессору. Как разделить работу? Очен просто --- ид == работе с роцессором номер ид.
• Мастер/Рбочие -- разбиение всего множествоа процессов параллеьной программы на мастера(распределяюещего ресурсы) и подчиненных. Подчиенные как правило работают по одномк =у тексту прораммы, мастр по собственной. Master/Slaves -- запретили по соображением политкорректности.

Перейдем к детальному рассмотрению MPI.

MPI

Начало 90 годов. Аббревиатура от Message Passing Interace. Ориентирована на компы с распр памятью, в которых роцессы общаются с помощью передачи сообщений. Полный вариант стандарта -- более 100 функций. Разберем основные идеи. Стандарт 1.1 До сих пор используется, хотя появился уже 2.0. Пользователи не уверены в том что переход н 2.0 эффективен и многие юзают 1.1. МПИ распр в виде библиотек для с и фортрана. Все детали текущей реализации доступны на mpiforum.org,.На всех современных платформах есть мпи. Изначально он был ориентирован на инукс, но уже давно есть погддержка для виндовс, в вин клстер сервер - он выдвинут на первый план. Конструкции мпи начинаются с MPI_ .

1. include<mpi.h>

Что из себя представляет парл мпи программа -- набор независимых процессов(процесс в терминах юникса, у каждого процесса свое адресное пространство, общей памяти у процессов нет). Предпорлагается что породили м штук процессов одновремено, потом завершаются. Нельзя динамически породить парал процесс.В мпи2 от этого отошли. В очень большом числе случаев это вполне достаточно, как показывает опыт. Введено понятие группы процессов. Для группы выделяется специальное пространство для общение, которое называется коммуникатор. Есть надежда, что общение в нескольких коммуникаторах эффективней, чем в общей куче. Имеется нечто всеобъемлющее -- коммуникатор куда погружены все процессы. Он называется MPI_COMM_WORLD -- определен всегда. Каждый пар процесс имеет уникальный номер. В каждом коммуникаторе процесс может иметь свой номер. В способе формирования коммуникаторов и групп - полная свобода, они могут полностью вкладываться,частично пересекаться, вовсе не пересекаться. То, что касается сообщений. Набор однотипных данных, кот передаются от одного процесса к другому. Это содержательная сторона сообщения. Важно, что все данные имеют один и тот же тип, для разнородной инфы требуется спец ритуальный танец. Каждое сообщение имеет тэг(некая доп информация, целое число). Введено понятие производных типов.Пользователь может создавать свои типы и их передавать. Например туда пользователь может внести неоднородность. Не во всех задачах процессы общаются аморфной кучей. Иногда процессы например образовывают кольцо, у каждого ровно два соседа. Есть понятие виртуальная топология, опредлив которое можно навести порядок в общении процессов друг с другом. Часто процессы распологают в узлах прямоугольной решетки с/без зацикленности по тору. Несколько слов о самой технлогии. Рассматривать будем на примере с. Основа с эта функция.

Любая мпи функция возвращает код - MPI_SUCCESS - все закончилось нормально. Если вернулось не это значение -- код ошибки можно посмтореть в стандарте.

• Общие функции.

mpi_init(int *argc, char***argv); сколько процессов породилось - указано в аргв. Все остальные действия могут выполняться только поосле того как выполнилась функция мпи инит. Но и выполнить ее можно только один раз. mpi_inalize(void) - закончить все мпи процессы. mpi_initialized(int *flag) - запускал ли кто-нибудь уже мпи_инит или нет.Содержательный результат возвращется через флаг .mpi_comm_size(MPI_COMM comm, int *size) - количество параллельных процессоров в данном коммуникаторе. mpi_comm_run(MPI_COMM comm, int *my_id) -- коммуникатор и переменная куда будет зписан номер процесса. Осмысленная мпи программа: Порождает некторое кол-во процессов, каждый процесс определяет сколько работает рядом с ним и свой номер.

1. include <mpi.h>

main(int argc, char * argv[]) { int size;//щбщее кол-во процессов int my_id;//номер текущего mpi_init(&argc, &argv); // порождение произошло, теперь смотрим сколько вокруг и свой номер mpi_comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); mpi_comm_run(MPI_COMM_WORLD, &my_id); printf("Total: %d \n proc %d", size, my_id); mpi_finalize(); }

Сколько процессов порождается -- указывается через аргв. Напечатано будет столько раз, сколько процессов породилось. Порядок в котором появятся выдачи заранее не определен, он может быть любым. Гарантируется лишь что строка эьто неделимая сущность и она выдается целиком.

• Взаимодействие процессов
  • Коллективные операции(все процессы воввлечены)
  • Точка-точка(взаимодействует пара процессов между собой)
    • Синхронные(с блокировкой)

MPI_send(void *buf, int count, MPI_Datatype, int dest, int tag, MPI_comm comm) -- буффер сообщения который надо передать, кол-во элементов, тип элементов, номер процесса получателя, тэг, в рамках какого коммуникатора Причем тут синхронность? Она тут трактуется не совсем стандартно. ПОсылающий процесс блокируется до тех пор, пока у него есть опасение испортить отправляемые параметры.Гарантируется, что что бы в отправляющем процессе не стояло после мпи_сенд, оно будет отправлено ровно в том виде в каком было на моент вызова мпи_сенд. Доставка не гарантируется. MPI_Recv(void *buf, int count, MPI_Datatype, int dest, int tag, MPI_comm comm, MPI_Status * status) -- статус описывает статус принимаемого сообщения. Возврат произойдет только когда в буффер запишутся все каунт элементов принмаемого сообщения. Вся система построена на том, что есть два процесса -- один посылает, а другой принимает. Несколько общих замечаний. Предположим, есть процесс А и процесс Б. В некоторый момент процесс А посылает Б два сообщения. Процесс Б их может принять. И оба сообщения идут с одним и тем же тэгом. Есть ли гарантия того что сообщения придут в определенном порядке? Да. Если от одного и того же процесса ушли два сообщения, то первым приде то, кторое первым было отправлено. Но вот если А и С отправляют что-то Б, то чьё сообщение придет первым -- неопределено Есть константа MPI_ANYSOURCE - если ее поставить в ресв то сообщения будут ждаться от любого процесса. Аналогично MPI_ANYTAG. Справедливости в обслуживании процессов нет. Если Б зкидывает А сообщениями в цикле, то еденичное сообщение из С в А может и не пробиться. Принятая семантика синхронных операций может приводить к тупиковым ситуациям. Есть два процесса, им надо обменяться сообщениями. Оба пишут MPI_Send MPI_Recv А сделал сенд Б, аналогично Б сделал сенд А. А дальше у них стоит прием. Оба процесса могут стоять бесконечон долго ожидая завершения мпи_сенд, из за особенности семантики мпи_сенд. Конкретная реализация может ожидать того, что принмающая сторона заберет сообщение. И все друг друга ждут. Эта ситуация описана во всех мануалах, она просто обходится при помощи операций асинхронного взаимодействия. Но к этому надо быть готовыми. Она может проявятьс япо разному -- аналогичный эффет возникает если надо организовать обмен сообщений между соседями в кольце.

• • • Асинхронные(без блокировки)