并行程序設(shè)計介紹2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTINGWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKU目錄CATALOGUE并行計算概述并行程序設(shè)計基礎(chǔ)并行程序設(shè)計模式并行程序設(shè)計技術(shù)并行程序設(shè)計實例分析并行程序設(shè)計挑戰(zhàn)與未來發(fā)展并行計算概述PART01并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計算問題。定義多個計算任務(wù)在同一時間段內(nèi)同時進(jìn)行。并發(fā)性多個計算任務(wù)共享同一套計算資源，如處理器、內(nèi)存等。共享性并行計算任務(wù)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和同步。交互性并行計算定義與特點(diǎn)12320世紀(jì)60年代以前，由于計算機(jī)硬件的限制，并行計算主要采用位級并行和指令級并行。早期階段20世紀(jì)60年代至80年代，隨著集成電路和微處理器的發(fā)展，出現(xiàn)了流水線并行和向量處理并行等并行計算技術(shù)。中期階段20世紀(jì)90年代至今，隨著多核處理器、集群計算和云計算等技術(shù)的發(fā)展，并行計算已經(jīng)成為解決大規(guī)模計算問題的主要手段?，F(xiàn)代階段并行計算發(fā)展歷史并行計算應(yīng)用領(lǐng)域工程仿真圖像處理如汽車碰撞測試、飛機(jī)設(shè)計驗證等。如電影特效制作、醫(yī)學(xué)影像處理等?？茖W(xué)計算數(shù)據(jù)分析人工智能如天氣預(yù)報、地震模擬、核聚變模擬等。如基因測序、金融數(shù)據(jù)分析等。如深度學(xué)習(xí)、自然語言處理等。并行程序設(shè)計基礎(chǔ)PART02一種用于共享內(nèi)存并行編程的API，在C/C和Fortran中廣泛使用。OpenMP消息傳遞接口，用于分布式內(nèi)存并行編程的標(biāo)準(zhǔn)，支持跨多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行計算。MPINVIDIA的并行計算平臺和API，允許開發(fā)者使用NVIDIAGPU進(jìn)行通用計算。CUDA并行程序設(shè)計語言分治策略將大問題分解為多個小問題，分別求解后再合并結(jié)果。負(fù)載均衡確保并行任務(wù)之間的計算負(fù)載大致相等，以避免某些任務(wù)過早完成而其他任務(wù)仍在計算。減少通信開銷優(yōu)化并行任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換，減少通信延遲和帶寬消耗。并行算法設(shè)計原則03同步與互斥在并行算法中正確處理同步與互斥問題，以避免數(shù)據(jù)競爭和死鎖等問題。01數(shù)據(jù)分布選擇合適的數(shù)據(jù)分布方式以匹配并行算法的需求，如循環(huán)分布、塊分布等。02數(shù)據(jù)訪問模式優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問模式以減少緩存沖突和內(nèi)存訪問延遲，如使用局部性原理和緩存優(yōu)化策略。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與并行算法關(guān)系并行程序設(shè)計模式PART03共享內(nèi)存概念多個處理器共享同一塊內(nèi)存空間，通過讀寫共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信和協(xié)作。優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)共享方便，通信延遲低。缺點(diǎn)需要解決數(shù)據(jù)一致性和同步問題，容易產(chǎn)生競態(tài)條件。典型應(yīng)用OpenMP并行編程模型。共享內(nèi)存模式消息傳遞概念優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)典型應(yīng)用消息傳遞模式處理器之間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信和協(xié)作，每個處理器都有自己的私有內(nèi)存空間。通信開銷較大，需要顯式地管理消息的發(fā)送和接收。易于理解和實現(xiàn)，可移植性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。MPI（MessagePassingInterface）并行編程模型。將數(shù)據(jù)集劃分為多個子集，每個處理器處理一個子集，處理結(jié)果再合并。數(shù)據(jù)并行概念優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)典型應(yīng)用適用于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，可充分利用處理器資源。數(shù)據(jù)劃分和結(jié)果合并可能引入額外開銷，需要解決負(fù)載均衡問題。MapReduce編程模型、GPGPU（General-PurposeGraphicsProcessingUnit）并行計算。數(shù)據(jù)并行模式并行程序設(shè)計技術(shù)PART04信號量機(jī)制使用信號量進(jìn)行進(jìn)程間的同步與互斥，通過PV操作實現(xiàn)資源訪問控制。消息傳遞機(jī)制通過消息隊列、管道等方式實現(xiàn)進(jìn)程間的通信，支持?jǐn)?shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。共享內(nèi)存機(jī)制允許多個進(jìn)程訪問同一塊內(nèi)存空間，通過讀寫共享內(nèi)存實現(xiàn)進(jìn)程間通信。進(jìn)程同步與通信通過破壞死鎖發(fā)生的必要條件（互斥、請求與保持、不剝奪、環(huán)路等待）來避免死鎖的發(fā)生。死鎖預(yù)防在資源分配前進(jìn)行安全性檢查，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)，從而避免死鎖的發(fā)生。死鎖避免允許死鎖的發(fā)生，但通過定期檢測及時發(fā)現(xiàn)并處理死鎖，如通過資源搶占或進(jìn)程回退等方式恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。死鎖檢測與恢復(fù)死鎖避免與處理將計算任務(wù)劃分為多個子任務(wù)，并合理安排子任務(wù)的執(zhí)行順序和調(diào)度策略，以充分利用計算資源。任務(wù)劃分與調(diào)度通過合理安排數(shù)據(jù)的存儲和訪問方式，提高數(shù)據(jù)的局部性，減少數(shù)據(jù)訪問延遲和通信開銷。數(shù)據(jù)局部性優(yōu)化針對具體問題和計算平臺設(shè)計高效的并行算法，充分利用并行計算的優(yōu)勢提高程序性能。并行算法設(shè)計使用性能分析工具對程序進(jìn)行性能分析，找出性能瓶頸并進(jìn)行針對性的優(yōu)化和調(diào)整。性能分析與調(diào)優(yōu)性能優(yōu)化策略并行程序設(shè)計實例分析PART05將大規(guī)模矩陣劃分為小塊，分配給不同的處理單元進(jìn)行計算。數(shù)據(jù)劃分各處理單元同時計算分配給自己的矩陣塊，實現(xiàn)并行處理。并行計算將各處理單元的計算結(jié)果合并，得到最終的矩陣乘法結(jié)果。結(jié)果合并矩陣乘法并行算法實現(xiàn)特征提取并行算法可應(yīng)用于圖像特征提取，如邊緣檢測、角點(diǎn)檢測等。圖像合成將多個圖像合成一個圖像時，可采用并行算法提高合成速度。圖像分割將圖像分割成多個區(qū)域，每個處理單元負(fù)責(zé)一個區(qū)域的并行處理。圖像處理中并行算法應(yīng)用線性方程組求解利用并行計算資源，提高偏微分方程的求解效率。偏微分方程求解大規(guī)模數(shù)據(jù)分析在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集時，采用并行算法可提高數(shù)據(jù)處理速度。通過并行算法加速線性方程組的迭代求解過程?？茖W(xué)計算中并行算法應(yīng)用并行程序設(shè)計挑戰(zhàn)與未來發(fā)展PART06硬件多樣性異構(gòu)計算環(huán)境包括CPU、GPU、FPGA等多種硬件，每種硬件的編程模型和性能特性都不同，設(shè)計統(tǒng)一的并行程序極具挑戰(zhàn)性。數(shù)據(jù)傳輸開銷在異構(gòu)計算環(huán)境中，不同硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸開銷較大，需要合理的數(shù)據(jù)劃分和傳輸策略來優(yōu)化性能。負(fù)載平衡問題由于異構(gòu)硬件的性能差異，實現(xiàn)負(fù)載平衡是另一大挑戰(zhàn)，需要設(shè)計有效的任務(wù)調(diào)度和分配策略。異構(gòu)計算環(huán)境下挑戰(zhàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理中挑戰(zhàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理中，處理單元可能出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)錯誤，需要設(shè)計容錯機(jī)制來保證程序的穩(wěn)定性和可靠性。容錯處理大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需要將數(shù)據(jù)劃分為小塊并分配給不同的處理單元，如何合理劃分?jǐn)?shù)據(jù)并保證并行處理的效率是一個關(guān)鍵問題。數(shù)據(jù)劃分與并行化在并行處理過程中，多個處理單元可能同時訪問共享資源，需要設(shè)計高效的并發(fā)控制機(jī)制來避免數(shù)據(jù)沖突和保證數(shù)據(jù)一致性。并發(fā)控制異構(gòu)計算的深度融合隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，未來異構(gòu)計算將更加深度融合，包括硬件定制、編譯器優(yōu)化等方面，以提高并行程序的執(zhí)行效率。人工智能驅(qū)動的并行程序設(shè)計人工智能技術(shù)將在并行程序設(shè)計中發(fā)揮更大作用，包括自動性能調(diào)優(yōu)、智能任務(wù)調(diào)度等，降低并行程序設(shè)計的復(fù)雜性和難度。光計算和生物計算的探索光計算和生物計算作為新興計算技術(shù)，將為并行程序設(shè)計帶來新的機(jī)遇和挑