2025年大學(xué)《信息與計算科學(xué)》專業(yè)題庫——大規(guī)模計算與并行計算考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在并行計算中，實現(xiàn)多個處理單元同時執(zhí)行不同任務(wù)的能力稱為（）。A.并行性B.并行度C.可擴展性D.并行效率2.以下哪種并行計算模型通常采用共享內(nèi)存架構(gòu)？（）A.MPPB.SMPC.集群系統(tǒng)D.GPU3.CPI（每指令周期數(shù)）是衡量處理器性能的指標，其值越小表示（）。A.處理器速度越快B.程序執(zhí)行時間越長C.處理器速度越慢D.程序復(fù)雜度越高4.并行算法的加速比是指（）。A.空間復(fù)雜度B.時間復(fù)雜度C.原始串行執(zhí)行時間與并行執(zhí)行時間之比D.并行執(zhí)行時間與原始串行執(zhí)行時間之比5.Amdahl定律描述了（）。A.并行系統(tǒng)可擴展性的極限B.并行算法的效率C.并行程序性能提升的上限D(zhuǎn).并行系統(tǒng)的通信開銷6.MPI（消息傳遞接口）是一種（）。A.共享內(nèi)存編程模型B.分布式內(nèi)存編程模型C.GPU編程框架D.網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議7.OpenMP主要用于支持（）。A.分布式內(nèi)存系統(tǒng)的并行編程B.共享內(nèi)存系統(tǒng)的并行編程C.GPU并行編程D.數(shù)據(jù)并行編程8.在并行計算中，負載均衡指的是（）。A.使所有處理單元同時完成任務(wù)B.合理分配任務(wù)到各個處理單元，使得它們大致同時完成任務(wù)C.減少通信開銷D.提高并行算法的時間復(fù)雜度9.數(shù)據(jù)并行是（）的一種常見形式。A.向量處理B.串行計算C.模型并行D.函數(shù)式編程10.使用GPU進行并行計算通常稱為（）。A.CPU計算B.按需計算C.GPU計算D.分布式計算二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.并行計算的主要目標是提高計算速度和______。2.并行算法的______是指算法能夠適應(yīng)不同規(guī)模的并行系統(tǒng)。3.衡量并行算法效率的指標通常有加速比和______。4.在MPI編程中，用于進程間單向傳遞消息的函數(shù)是______。5.OpenMP通過______指令來控制并行區(qū)域的執(zhí)行。6.并行計算中，______是指處理單元之間交換信息所需的成本。7.大規(guī)模數(shù)據(jù)處理通常需要______和并行計算技術(shù)的結(jié)合。8.并行程序中，______是指多個線程或進程嘗試同時訪問和修改同一數(shù)據(jù)項。9.GPU計算通常采用______架構(gòu)，包含大量核心。10.現(xiàn)代高性能計算系統(tǒng)往往采用______和分布式存儲相結(jié)合的架構(gòu)。三、判斷題（每題1分，共10分。請將“正確”或“錯誤”填在括號內(nèi)）1.并行計算總是比串行計算更高效。（）2.并行度是指并行系統(tǒng)中可同時工作的處理單元數(shù)量。（）3.Amdahl定律指出，增加處理器數(shù)量可以提高并行系統(tǒng)的性能。（）4.OpenMP是一種類似于MPI的全局消息傳遞庫。（）5.數(shù)據(jù)并行總是比模型并行更容易實現(xiàn)加速。（）6.共享內(nèi)存編程模型簡化了并行程序的設(shè)計，但通信開銷通常較大。（）7.負載均衡的目標是實現(xiàn)所有處理單元的負載完全相等。（）8.GPU計算主要用于科學(xué)計算，不適用于商業(yè)領(lǐng)域。（）9.并行計算中的同步操作會導(dǎo)致程序的執(zhí)行速度下降。（）10.分布式系統(tǒng)一定是并行系統(tǒng)，但并行系統(tǒng)不一定是分布式系統(tǒng)。（）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述并行計算與分布式計算的主要區(qū)別。2.解釋什么是并行算法的加速比和效率，并說明它們之間的關(guān)系。3.簡述MPI和OpenMP在并行編程中的主要區(qū)別和適用場景。4.什么是并行程序中的數(shù)據(jù)競爭？簡述其產(chǎn)生的原因和可能的解決方案。五、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個串行程序執(zhí)行時間為100秒，其中20%的代碼可以通過并行化加速，且并行化部分的速度提升為原串行執(zhí)行時間的1/5。請根據(jù)Amdahl定律計算：a.當(dāng)使用4個處理器并行執(zhí)行該程序時，程序的總執(zhí)行時間是多少？b.該并行程序的理論最大加速比是多少？2.設(shè)有一個計算密集型并行任務(wù)，需要處理一個包含N個元素的大數(shù)組。該任務(wù)可以分解為P個完全相同的子任務(wù)，每個子任務(wù)處理N/P個元素。假設(shè)每個子任務(wù)的計算時間為T_c，進程間通信（啟動和同步）時間為T_comm，忽略其他開銷。請：a.寫出該并行任務(wù)的執(zhí)行時間模型（用T_c,T_comm,N,P表示）。b.計算該任務(wù)的加速比。六、綜合設(shè)計題（15分）考慮一個簡單的并行排序問題：有P個處理器，需要并行對一個包含N個元素的數(shù)組進行排序，假設(shè)數(shù)組元素均勻分布在P個處理器上，每個處理器獲得N/P個元素。請簡述至少兩種可能的并行排序算法（例如：基于比較的并行排序，如并行快速排序或并行歸并排序；或基于分布式的排序算法），說明其主要思想、優(yōu)缺點，并簡要分析其在大規(guī)模數(shù)據(jù)場景下的適用性。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.A4.C5.C6.B7.B8.B9.A10.C二、填空題1.可擴展性2.可擴展性3.效率4.MPI_Send/MPI_Recv5.#pragmaompparallel6.通信開銷7.分布式存儲8.數(shù)據(jù)競爭9.大規(guī)模多核10.分布式計算三、判斷題1.錯誤2.正確3.錯誤4.錯誤5.正確6.正確7.錯誤8.錯誤9.正確10.正確四、簡答題1.解析思路：并行計算強調(diào)計算任務(wù)的并行執(zhí)行，通常在共享內(nèi)存或緊密耦合的架構(gòu)上實現(xiàn)，關(guān)注點在于任務(wù)分解和并行執(zhí)行效率。分布式計算強調(diào)計算資源（如處理器、存儲）的地理分布和通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，節(jié)點間相對獨立，關(guān)注點在于節(jié)點間通信和協(xié)調(diào)。簡單說，并行計算是“近距離”的多幫手一起干活，分布式計算是“遠距離”的多個獨立團隊協(xié)作。2.解析思路：加速比定義為原串行執(zhí)行時間除以并行執(zhí)行時間。效率定義為加速比除以處理器數(shù)量。它們的關(guān)系是：效率是加速比的歸一化度量，反映了資源利用率。即使加速比很高，如果處理器數(shù)量也很大，效率也可能很低。理想情況下，隨著處理器數(shù)量增加，效率趨近于50%。3.解析思路：MPI是用于分布式內(nèi)存系統(tǒng)的標準消息傳遞庫，提供豐富的點對點通信和集合通信功能，編程相對復(fù)雜，但靈活性高，不受限于特定硬件。OpenMP是用于共享內(nèi)存系統(tǒng)的編譯時指令和庫，簡化了數(shù)據(jù)共享編程，易于在現(xiàn)有C/C++/Fortran程序中添加并行性，但主要限于共享內(nèi)存架構(gòu)。適用場景上，MPI適用于需要復(fù)雜通信模式或跨多種硬件平臺的分布式系統(tǒng)，OpenMP適用于充分利用多核CPU的共享內(nèi)存并行應(yīng)用。4.解析思路：數(shù)據(jù)競爭發(fā)生在多個線程/進程在沒有適當(dāng)同步的情況下，嘗試讀取和/或修改同一內(nèi)存位置。產(chǎn)生原因是在并行程序中，對共享數(shù)據(jù)的訪問順序與程序的執(zhí)行順序相關(guān)，如果訪問順序不當(dāng)，就可能發(fā)生競爭。解決方案包括：使用互斥鎖（Mutex）或信號量（Semaphore）等同步機制保護共享數(shù)據(jù)；采用原子操作；使用消息傳遞避免共享數(shù)據(jù)；改變算法設(shè)計，減少共享數(shù)據(jù)的使用。五、計算題1.解析思路：Amdahl定律計算加速比和執(zhí)行時間。首先確定并行部分的比例F（1-20%=0.8）。加速比S=1/(F+(1-F)/S_p)，其中S_p是并行部分的理論加速比（5倍）。計算S=1/(0.8+(1-0.8)/5)=1/(0.8+0.2/5)=1/(0.8+0.04)=1/0.84≈1.1905。執(zhí)行時間T_p=T_s/S=100秒/1.1905≈83.78秒。a)4個處理器執(zhí)行時間T_p。b)理論最大加速比是當(dāng)并行部分占100%時，S_max=1/F=1/0.2=5。2.解析思路：a)執(zhí)行時間由計算時間和通信時間組成。每個處理器計算N/P時間，共P個處理器，計算總時間為P*(N/P)*T_c=N*T_c。通信時間假設(shè)在每個子任務(wù)計算完成后發(fā)生，共P個進程，每次通信時間為T_comm，總通信時間為P*T_comm?？倛?zhí)行時間T=N*T_c+P*T_comm。b)加速比S=T_serial/T_parallel=(N*T_c)/(N*T_c+P*T_comm)=N*T_c/(N*T_c(1+P*T_comm/N*T_c))=1/(1+P*T_comm/(N*T_c))。六、綜合設(shè)計題解析思路：需要設(shè)計兩種并行排序算法并分析。算法一：并行歸并排序。思想：將數(shù)組分割成P個子數(shù)組，每個處理器并行排序其子數(shù)組。然后進行P-1輪兩兩歸并，每輪使用歸并排序算法合并相鄰的兩個已排序子數(shù)組。歸并操作可以在所有處理器上并行進行（例如，使用歸并樹結(jié)構(gòu)）。優(yōu)缺點：思想簡單，性能穩(wěn)定。缺點是歸并過程可能需要復(fù)雜的通信協(xié)調(diào)，且通信開銷可能較大。適用性：適用于數(shù)據(jù)量很大，排序過程中可以容忍較高通信開銷的場景。算法二：基于比較的并行快速排序（BSP模型）。思想：采用BulkSynchronousParallel(B