ВКР: Диалоговая оболочка для отладки DVM-программ

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова

Факультет Вычислительной Математики и Кибернетики

Кафедра Системного Программирования

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Диалоговая оболочка для отладки

DVM-программ

Введение

В последнее время все более широкое распространение во всем мире получают супер-ЭВМ, а элементы параллелизма понемногу проникают во все типы компьютеров вплоть до персональных. Поэтому задача создания эффективных параллельных программ, а также адаптации для параллельных компьютеров огромного количества уже существующих последовательных приложений становится все более важной.

Разработка параллельных программ требует от прикладного программиста гораздо больших усилий, чем разработка последовательных программ, поскольку ему требуется не только распределить данные и вычисления между разными процессорами, но и организовать взаимодействие процессоров посредством обмена сообщениями. Фактически, параллельная программа представляет собой систему взаимодействующих программ, каждая из которых выполняется на своем процессоре. Программы на разных процессорах могут быть совершенно различными, могут различаться лишь незначительно, а могут являться одной программой, поведение которой зависит от номера процессора. Но даже в этом последнем случае, программист обычно вынужден разрабатывать и сопровождать два различных варианта своей программы - последовательный и параллельный.

Вычислительные программы для последовательных ЭВМ традиционно создавались на языках Фортран и Си. Для многопроцессорных ЭВМ с распределенной памятью и сетей ЭВМ такие программы в настоящее время, как правило, создаются на языках Фортран и Си, расширенных библиотеками передачи сообщений. Но программирование с использованием таких языков сопряжено с множеством сложностей. Поэтому возникает необходимость использовать другую модель. Такими языками и являются языки C-DVM и Fortran-DVM (в дальнейшем F-DVM), предназначенные для разработки мобильных и эффективных параллельных программ для ЭВМ различной архитектуры. Эти языки предоставляют возможность написать программу, которая может одновременно рассматриваться и как последовательная, и как параллельная. Параллельная программа представляет собой обычную последовательную программу, в которую вставлены DVM-указания, определяющие ее параллельное выполнение. DVM-указания прозрачны для стандартных компиляторов, поэтому DVM-программа обрабатывается ими как обычная последовательная программа.

Глава 1. Модели параллельного программирования

Краткий обзор существующих моделей

В настоящее время в области научно-технических расчетов превалируют три модели параллельного программирования: модель передачи сообщений, модель с общей памятью и модель параллелизма по данным [1].

• Модель передачи сообщений. В модели передачи сообщений каждый процесс имеет собственное локальное адресное пространство. Обработка общих данных и синхронизация осуществляется посредством передачи сообщений. Обобщение и стандартизация различных библиотек передачи сообщений привели к разработке стандарта MPI (Message Passing Interface) [1].

На сегодняшний день модель передачи сообщений является наиболее широко используемой моделью параллельного программирования. Программы этой модели создают множество процессов, с каждым из которых ассоциированы локальные данные. Каждый процесс идентифицируется уникальным именем. Процессы взаимодействуют, посылая и получая сообщения [4]. Модель передачи сообщений не накладывает ограничений ни на динамическое создание процессов, ни на выполнение нескольких процессов одним процессором, ни на использование разных программ для разных процессов. Формальные описания систем обмена сообщениями не рассматривают вопросы, связанные с манипулированием процессами. Однако, при реализации таких систем приходится принимать какое-либо решение в этом отношении. На практике сложилось так, что большинство систем обмена сообщениями при запуске параллельной программы создает фиксированное число идентичных процессов и не позволяет создавать и разрушать процессы в течение работы программы. В таких системах каждый процесс выполняет одну и ту же программу (параметризованную относительно идентификатора либо процесса, либо процессора), но работает с разными данными, поэтому о таких системах говорят, что они реализуют SPMD (single program multiple data - одна программа много данных) модель программирования. SPMD модель приемлема и достаточно удобна для широкого диапазона приложений параллельного программирования, но она затрудняет разработку некоторых типов параллельных алгоритмов [6].

• Модель с общей памятью. В модели с общей памятью процессы разделяют общее адресное пространство. Так как нет ограничений на использование общих данных, то программист должен явно специфицировать общие данные и упорядочивать доступ к ним с помощью средств синхронизации. В языках высокого уровня логически независимые нити (threads[1]) вычислений определяются на уровне функциональных задач или витков цикла. Обобщение и стандартизация моделей с общей памятью привели к созданию стандарта OpenMP [1]. В OpenMP за основу берется последовательная программа, а для создания ее параллельной версии пользователю предоставляется набор директив, процедур и переменных окружения. Стандарт OpenMP разработан для языков Фортран, С и С++ [3].

В модели программирования с общей памятью, все процессы совместно используют общее адресное пространство, к которому они асинхронно обращаются с запросами на чтение и запись. В таких моделях для управления доступом к общей памяти используются всевозможные механизмы синхронизации типа семафоров и блокировок процессов. Преимущество этой модели с точки зрения программирования состоит в том, что понятие собственности данных (монопольного владения данными) отсутствует, следовательно, не нужно явно задавать обмен данными между производителями и потребителями. Эта модель, с одной стороны, упрощает разработку программы, но, с другой стороны, затрудняет понимание и управление локальностью данных, написание детерминированных программ. В основном эта модель используется при программировании для архитектур с общедоступной памятью [7].