Программирование параллельных вычислений

3.5.1. Основные понятия

Исполнение процессов типичной параллельной программы прерывается значительно чаще, чем процессов, работающих в последовательной среде, так как процессы параллельной программы выполняют еще действия, связанные с обменом данными между процессорами. Манипулирование полновесными процессами в мультипрограммной среде является дорогостоящим действием, поскольку это тесно связанно с управлением и защитой памяти. Вследствие этого большинство параллельных компьютеров использует легковесные процессы, называемые нитями или потоками управления, а не полновесные процессы. Легковесные процессы не имеют собственных защищенных областей памяти (хотя могут обладать собственными локальными данными), а в результате очень сильно упрощается манипулирование ими. Более того, их использование более безопасно.

В соответствии с возможностями параллельного компьютера процессы взаимодействуют между собой обычно одним из следующих способов:

• Обмен сообщениями. Посылающий процесс формирует сообщение с заголовком, в котором указывает, какой процессор должен принять сообщение, и передает сообщение в сеть, соединяющую процессоры. Если, как только сообщение было передано в сеть, посылающий процесс продолжает работу, то такой вид отправки сообщения, называется неблокирующим. Если же посылающий процесс ждет, пока принимающий процесс не примет сообщение, то такой вид отправки сообщения, называется блокирующим. Принимающий процесс должен знать, что ему необходимы данные, и должен указать, что готов получить сообщение, выполнив соответствующую команду приема сообщения. Если ожидаемое сообщение еще не поступило, то принимающий процесс приостанавливается до тех пор, пока сообщение не поступит.
• Обмен через общую память. В архитектурах с общедоступной памятью процессы связываются между собой через общую память - посылающий процесс помещает данные в известные ячейки памяти, из которых принимающий процесс может считывать их. При таком обмене сложность представляет процесс обнаружения того, когда безопасно помещать данные, а когда удалять их. Чаще всего для этого используются стандартные методы операционной системы, такие как семафоры или блокировки процессов. Однако это дорого и сильно усложняет программирование. Некоторые архитектуры предоставляют биты занято/свободно, связанные с каждым словом общей памяти, что обеспечивает легким и высокоэффективный способ синхронизации отправителей и приемников.
• Прямой доступ к удаленной памяти. В первых архитектурах с распределенной памятью работа процессоров прерывалась каждый раз, когда поступал какой-нибудь запрос от сети, соединяющей процессоры. В результате процессор плохо использовался. Затем в таких архитектурах в каждом процессорном элемент стали использовать пары процессоров - один процессор (вычислительный), исполняет программу, а другой (процессор обработки сообщений) обслуживает сообщения, поступающие из сети или в сеть. Такая организация обмена сообщениями позволяет рассматривать обмен сообщениями как прямой доступ к удаленной памяти, к памяти других процессоров. Эта гибридная форма связи, применяется в архитектурах с распределенной памятью, обладает многими свойствами архитектурах с общей памятью.

Рассмотренные механизмы связи необязательно используются только непосредственно на соответствующих архитектурах. Так легко промоделировать обмен сообщениями, используя общую память, с другой стороны можно смоделировать общую память, используя обмен сообщениями. Последний подход известен как виртуальная общая память.

Наиболее желательными (даже скорее обязательными) признаками параллельных алгоритмов и программ являются:

• параллелизм,
• маштабируемость,
• локальность,
• модульность.

Параллелизм указывает на способность выполнения множества действий одновременно, что существенно для программ выполняющихся на нескольких процессорах.

Маштабируемость - другой важнейший признак параллельной программы, который требует гибкости программы по отношению к изменению числа процессоров, поскольку наиболее вероятно, что их число будет постоянно увеличиваться в большинстве параллельных сред и систем.

Локальность характеризует необходимость того, чтобы доступ к локальным данным был более частым, чем доступ к удаленным данным. Важность этого свойства определяется отношением стоимостей удаленного и локального обращений к памяти. Оно является ключом к повышению эффективности программ на архитектурах с распределенной памятью.

Модульность отражает степень разложения сложных объектов на более простые компоненты. В параллельных вычислениях это такой же важный аспект разработки программ, как и в последовательных вычислениях.

Код, исполняющийся в одиночном процессоре параллельного компьютера, находится в некоторой программной среде такой же, что и среда однопроцессорного компьютера с мультипрограммной операционной системой, поэтому и в контексте параллельного компьютера так же говорят о процессах, ссылаясь на код, выполняющийся внутри защищенного региона памяти операционной системы. Многие из действий параллельной программы включают обращения к удаленным процессорам или ячейкам общей памяти. Выполнение этих действий может потребовать время, существенное, особенно, по отношению к времени исполнения обычных команд процессора. Поэтому большинство процессоров исполняет более одного процесса одновременно, и, следовательно, в программной среде отдельно взятого процессора параллельного компьютера применимы обычные методы мультипрограммирования.

3.5.2. Многопоточная обработка

Если L — метка некоторого места в программе, то команда

fork L

передает управление на метку L, а также и на следующую команду в тексте программы. В результате создается эффект, что с этого момента два процессора одновременно исполняют одну и ту же программу; каждый из них независимо обрабатывает свою последовательность команд. Поскольку каждая такая последовательность обработки может снова разветвиться, эта техника получила название многопоточной обработки.

Введя способ разбиения одного процесса на два, мы нуждаемся и в способе слияния двух процессов в один. Проще всего ввести команду join, которая может выполниться только при одновременном исполнении ее двумя процессами. Первый достигший этой команды процесс должен ждать, когда ее достигнет другой. После этого уже только один процесс продолжает исполнение последующих команд.

Разновидность команды ветвления до сих пор используется в операционной системе UNIХ™. При этом ветвление не подразумевает переход по метке. Его эффект заключается во взятии совершенно новой копии всей памяти программы и передачи этой копии новому процессу. Как исходный, так и новый процессы продолжают исполнение с команды, следующей за командой ветвления. У каждого процесса есть средство определить, является ли он порождающим (отец) или порождаемым (сын). Выделение процессам непересекающихся участков памяти снимает основные трудности и опасности многопоточной обработки, но может быть неэффективным как по времени, так и по объему памяти. Это означает, что параллелизм допустим только на самом внешнем (самом глобальном) уровне задания, а использование его в мелком масштабе затруднительно.

3.5.3. Условные критические участки

Предположим, например, что один процесс изменяет некоторую переменную с целью, чтобы другой процесс считывал ее новое значение. Второй процесс не должен считывать значения переменной до тех пор, пока оно не будет изменено. Аналогично, первый процесс не должен изменять значение переменной до тех пор, пока все остальные процессы не считают ее предыдущие значения.

Для решения этой проблемы предложено удобное средство, называемое условным критическим участком. Он имеет вид

with общперем when условие dо критический участок

При входе в критический участок проверяется значение условия. Если оно истинно, критический участок исполняется как обычно, но если условие ложно, данный вход в критический участок задерживается, чтобы позволить другим процессам войти в свои критические участки и изменить общую переменную. По завершении каждого такого изменения происходит перепроверка условия. Если оно стало истинным, отложенному процессу позволяют продолжать исполнение своего критического участка; в противном случае процесс вновь откладывается. Если можно запустить более чем один из приостановленных процессов, выбор между ними произвольный.

3.5.4. Мониторы

Своим возникновением и развитием мониторы обязаны понятию класса. Основной идеей является то, что все осмысленные операции над данными (включая их инициализацию) должны быть собраны вместе с описанием структуры и типа самих данных; активизация этих операций должна происходить при вызове процедуры всякий раз, когда этого требуют процессы, совместно использующие данные. Важной характеристикой монитора является то, что одновременно может быть активным только одно из его процедурных тел; даже когда два процесса одновременно делают вызов процедуры (одной и той же или двух различных), один из вызовов («ждет») откладывается до завершения другого. Таким образом, тела процедур ведут себя как критические участки, защищенные одним и тем же семафором.

Приведем пример очень простого монитора, ведущего себя как счетчиковая переменная.

1 monitor счет;

2 vаr n : integer

3 рrocedure* вверх; begin n:= n + 1 еnd;

4 рrocedure* вниз; when > 0 dо begin n:= n - 1 еnd;

5 function* приземл. Вооlеаn; begin приземл:= ( n = 0) еnd;

6 begin n:= 0;

7...;

8 if n ≠ 1 then рrint( n )

Еnd

Строка 1 описывает монитор с именем счет.

2 описывает локальную для монитора общую переменную n. Она доступна только внутри самого монитора.

З - 5 описывают три процедуры и их тела. Звездочки обеспечивают вызов этих процедур из программы, использующей монитор.

6 Здесь начинается исполнение монитора.

7 Три жирные точки обозначают внутреннее предложение, соответствующее блоку, который будет использовать монитор.

8 При выходе из использующего блока печатается конечное значение n (если оно ненулевое).

Новый экземпляр этого монитора может быть описан локальным для блока Р:

instanсе ракетa: счет; Р

Внутри блока Р можно вызывать помеченные звездочками процедуры, используя команды

ракета.вверх;... ракета.вниз;...;, if ракета.приземл then...

Непомеченная же процедура или такая переменная, как n, недостижимы из Р. Свойственное мониторам взаимное исключение позволяет вызывать процедуру монитора любому числу процессов внутри Р без взаимного влияния при изменении n. Заметим, что попытка вызвать ракета.вниз при n. = 0 будет отложена до тех пор, пока некоторый другой процесс внутри Р не вызовет ракета.вверх. Это гарантирует, что значение n никогда не станет отрицательным.

Неэффективность повторяющейся проверки входных условий привела к появлению мониторов с более сложной схемой явного ожидания и явной подачей сигнала о возобновлении ожидающего процесса. Эти схемы даже позволяют приостанавливаться процедурному вызову в процессе его исполнения под воздействием автоматически возникающего исключения до того момента, когда некоторый последующий вызов процедуры другим процессом подаст сигнал о возобновлении приостановленного процесса. Таким путем можно эффективно реализовать множество оригинальных способов планирования, которые реализуются программой-планировщиком.

Так как в мониторе ожидающих процессов может быть несколько, простой порядок обслуживания очереди состоящий в том, что освобождается процесс, ожидающий дольше всех, гарантирует, что ни один из обратившихся процессов не будет задержан на неопределенное время.