Введение в параллельные вычисления. Технология программирования MPI (день первый) Антонов Александр Сергеевич, к.ф.-м.н., н.с. лаборатории Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ

Координаты для связи: Тел: Web:

План занятий: 1-й день: введение, коротко об операционной системе UNIX, практические сведения, параллелизм и способы его использования 2-7-й дни: технология MPI 8-й день: обсуждение результатов, подведение итогов, ответы на вопросы

UNIX: UNIX – это многозадачная, многопользовательская система, обладающая широкими возможностями. Ее реализации существуют практически на всех распространенных компьютерных платформах. LINUX – один из наиболее известных свободно распространяемых диалектов UNIX.

UNIX: Все объекты в UNIX делятся на два типа: файлы и процессы. Все данные хранятся в файлах, доступ к периферийным устройствам осуществляется через специальные файлы. Вся функциональность операционной системы определяется выполнением различных процессов.

UNIX: Важнейшим пользовательским процессом является основной командный интерпретатор (login shell). login, password passwd – смена пароля пароль должен хорошо запоминаться и быть трудным для подбора! exit – выход из системы man – получение справки о командах man

UNIX: Идентификатор пользователя (UID), идентификаторы групп (GID). Принадлежность к группе определяет дополнительные права пользователей. Информация о пользователях и группах обычно хранится в системных файлах /etc/passwd, /etc/shadow и /etc/group

UNIX: Файловая система, каталоги. / - корневой каталог /home/asa/myfile.txt. – текущий каталог.. – каталог на единицу более высокого уровня С каждым пользователем ассоциируется его домашний каталог.

UNIX: Атрибуты файлов. ls –l rwxr-xr-- 1 asa group 3422 Feb 28 13:30 test - – обычный файл; d – каталог, l – ссылка и др. Права доступа к файлу: - – отсутствие права доступа, r – право на чтение, w – право на запись или удаление, x – право на выполнение файла. Владелец-пользователь, владелец-группа и все остальные пользователи

UNIX: Смена прав доступа к файлу: chmod [u g o a][+ - =][r w x] file1… u – смена права доступа для пользователя, g – для группы, o – для других пользователей, a – для всех трех категорий. + – добавление соответствующего права, - – удаление, а = – присвоение chmod g+w test chown и chgrp – смена владельца-пользователя и владельца-группы файла

UNIX: cd [dir] – переход в каталог dir Если каталог не указан, то переход осуществляется в домашний каталог пользователя cp file1 file2 – копирование файла mv file1 file2 – перемещение (изменение имени) файла rm file1 … – удаление файлов rmdir dir1 … – удаление каталогов mkdir dir1 … – создание каталога

UNIX: pwd – вывести имя текущего каталога cat file, more file, less file – утилиты просмотра содержимого файла find dir – поиск в файловой системе, начиная с каталога dir grep file1 … – поиск в файлах вхождений регулярного выражения рег_выражение …

UNIX: Процесс - программа в стадии ее выполнения. ps – список выполняющихся процессов У никальный идентификатор процесса (PID). Сигналы. Завершить выполнение процесса: kill –9 PID Список процессов, занимающих наибольшее количество процессорного времени или системных ресурсов: top

UNIX: Потоки ввода/вывода: стандартный ввод, стандартный вывод и стандартный вывод ошибок. Для перенаправления стандартного ввода можно использовать символ или >> (с добавлением), для потока ошибок – 2> program > file.log Конвейер команд: program1 | program2 | program3… Фоновый режим: program &

UNIX: who – список пользователей, работающих в данный момент в системе uname – некоторые сведения о системе Редактирование файлов: vi, joe и др., встроенный редактор файлового менеджера Midnight Commander ( mc ), удаленное редактирование. Компиляторы с языка Си cc ( CC для Си++), компилятор с языка Фортран – f77 ( f90 для Фортрана 90). time program – время работы программы

Параллелизм: Конвейерность и параллельность. Параллельная обработка. Одна операция - за единицу времени, то за тысячу единиц. Пять устройств 1000 операций выполнит за 200 единиц времени. N устройств ту же работу выполнит примерно за 1000/N единиц времени.

Параллелизм: Конвейерная обработка. Операция разбивается на ряд подопераций, выполняемых последовательно и независимо. Пусть 5 микроопераций, каждая из которых выполняется за единицу времени. Последовательное устройство 100 пар аргументов обработает за 500 единиц. Конвейерное устройство: первый результат через 5 единиц времени, каждый следующий – через одну единицу после предыдущего, а весь набор из ста пар будет обработан за 5+99=104 единицы времени.

Параллелизм: Необходимо выделить группы операций, которые могут вычисляться одновременно и независимо. Возможность этого определяется наличием или отсутствием в программе истинных информационных зависимостей. Две операции программы называются информационно зависимыми, если результат выполнения одной операции используется в качестве аргумента в другой.

Параллелизм: Крупноблочное распараллеливание: if (MyProc = 0) then C операции, выполняемые 0-ым процессором endif... if (MyProc = K) then C операции, выполняемые K-ым процессором endif

Параллелизм: Наибольший ресурс параллелизма в программах сосредоточен в циклах! Распределение итераций циклов: do i = 1, N if (i ~ MyProc) then C операции i-й итерации для C для выполнения процессором MyProc endif enddo

Параллелизм: Примеры способов распределения итераций циклов: Блочное распределение – по N/P итераций. Блочно-циклическое распределение – размер блока меньше, распределение продолжается циклически. Циклическое распределение – циклически по одной итерации.

Параллелизм: Рассмотрим простейший цикл: do i = 1, N a(i) = a(i) + b(i) enddo

Параллелизм: Блочное распределение: C размер блока итераций k = (N-1)/P + 1 C начало блока итераций C процессора MyProc ibeg = MyProc * k + 1 C конец блока итераций C процессора MyProc iend = (MyProc + 1) * k

Параллелизм: C если не досталось итераций if (ibeg.gt. N) then iend = ibeg – 1 else C если досталось меньше итераций if (iend.gt. N) iend = N endif do i = ibeg, iend a(i) = a(i) + b(i) enddo

Параллелизм: Циклическое распределение: do i = MyProc+1, N, P a(i) = a(i) + b(i) enddo

Параллелизм: do 1 i = 1, N-1 do 1 j = 1, M-1 1a(i,j) = a(i-1,j) + a(i,j)

Параллелизм: do 1 i = 1, N-1 do 1 j = 1, M-1 1a(i,j) = a(i-1,j) + a(i,j-1)

Параллелизм: Цели распараллеливания: равномерная загрузка процессоров минимизация количества и объема необходимых пересылок данных Пересылка данных требуется, если есть информационная зависимость между операциями, которые при выбранной схеме распределения попадают на разные процессоры.

Параллелизм: Закон Амдала: Пусть f – доля последовательных операций, 0 f 1, 1 - f – доля параллельных операций, S – ускорение, p – число процессоров