2025年并行計(jì)算試題及答案

一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）

1.并行計(jì)算的主要目的是：

A.降低程序復(fù)雜度

B.提高計(jì)算速度

C.減少內(nèi)存使用

D.簡化編程模型

2.在Flynn分類法中，具有多個指令流和多個數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬于：

A.SISD

B.SIMD

C.MISD

D.MIMD

3.以下哪種不是常見的并行編程模型？

A.MPI

B.OpenMP

C.MapReduce

D.OOP

4.在并行計(jì)算中，負(fù)載均衡的主要目的是：

A.減少通信開銷

B.提高資源利用率

C.降低算法復(fù)雜度

D.簡化程序結(jié)構(gòu)

5.Amdahl定律主要用于評估：

A.并行算法的效率

B.串行部分的性能瓶頸

C.內(nèi)存訪問速度

D.網(wǎng)絡(luò)帶寬

6.在共享內(nèi)存架構(gòu)中，處理器之間通過什么方式進(jìn)行通信？

A.消息傳遞

B.共享變量

C.文件系統(tǒng)

D.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

7.以下哪種技術(shù)不屬于GPU加速計(jì)算？

A.CUDA

B.OpenCL

C.MPI

D.OpenACC

8.在并行計(jì)算中，數(shù)據(jù)依賴性是指：

A.數(shù)據(jù)存儲位置的限制

B.數(shù)據(jù)處理順序的約束

C.數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的控制

D.數(shù)據(jù)安全性的保障

9.并行文件系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是：

A.提高數(shù)據(jù)安全性

B.支持大規(guī)模并行I/O操作

C.減少存儲空間需求

D.簡化數(shù)據(jù)管理

10.在MapReduce模型中，Map階段的主要功能是：

A.聚合結(jié)果

B.分發(fā)數(shù)據(jù)

C.處理鍵值對

D.存儲最終結(jié)果

二、填空題（每題2分，共12分）

1.并行計(jì)算系統(tǒng)中的加速比定義為串行執(zhí)行時間與________的比值。

2.在并行計(jì)算中，________是指任務(wù)在處理器之間的分配過程。

3.MPI的全稱是________接口。

4.并行計(jì)算中的________問題是指多個進(jìn)程同時嘗試獲取同一資源而導(dǎo)致的無限等待。

5.在GPU計(jì)算中，CUDA代表________架構(gòu)。

6.并行算法的效率定義為加速比與________的比值。

三、判斷題（每題2分，共12分）

1.并行計(jì)算總是比串行計(jì)算更快。（）

2.在MIMD架構(gòu)中，所有處理器必須執(zhí)行相同的指令。（）

3.負(fù)載不平衡會導(dǎo)致某些處理器空閑而其他處理器過載的情況。（）

4.在共享內(nèi)存模型中，不需要考慮數(shù)據(jù)一致性問題。（）

5.OpenMP主要用于共享內(nèi)存系統(tǒng)的并行編程。（）

6.并行計(jì)算可以解決所有類型的計(jì)算問題。（）

四、多項(xiàng)選擇題（每題2分，共4分）

1.以下哪些是并行計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)？（）

A.負(fù)載均衡

B.通信開銷

C.數(shù)據(jù)依賴

D.算法設(shè)計(jì)

E.硬件成本

2.以下哪些屬于常見的并行計(jì)算架構(gòu)？（）

A.SMP

B.MPP

C.Cluster

D.Grid

E.Cloud

五、簡答題（每題5分，共10分）

1.請簡述Amdahl定律及其在并行計(jì)算中的意義。

2.解釋并行計(jì)算中的強(qiáng)擴(kuò)展性和弱擴(kuò)展性，并說明它們的應(yīng)用場景。

參考答案及解析

一、單項(xiàng)選擇題

1.答案：B

解析：并行計(jì)算的主要目的是通過同時使用多種計(jì)算資源來解決計(jì)算問題，從而提高計(jì)算速度。雖然并行計(jì)算也可能帶來其他好處，如提高資源利用率，但其核心目標(biāo)是加速計(jì)算過程。

2.答案：D

解析：Flynn分類法根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的數(shù)量將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為四類：SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)、SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)、MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)和MIMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)。MIMD系統(tǒng)允許多個處理器同時執(zhí)行不同的指令流，處理不同的數(shù)據(jù)流，是最常見的并行計(jì)算架構(gòu)。

3.答案：D

解析：MPI(消息傳遞接口)、OpenMP(共享內(nèi)存并行編程)和MapReduce(分布式計(jì)算模型)都是常見的并行編程模型。而OOP(面向?qū)ο缶幊?是一種編程范式，不是專門的并行編程模型。

4.答案：B

解析：負(fù)載均衡是指在并行計(jì)算系統(tǒng)中，合理分配計(jì)算任務(wù)，使各個處理器的負(fù)載盡可能均衡，從而提高整體資源利用率，避免某些處理器過載而其他處理器空閑的情況。

5.答案：B

解析：Amdahl定律用于評估并行系統(tǒng)中串行部分對整體性能的限制。它表明，即使并行部分無限加速，系統(tǒng)整體加速也受限于串行部分所占的比例。

6.答案：B

解析：在共享內(nèi)存架構(gòu)中，所有處理器可以直接訪問相同的物理內(nèi)存空間，通過讀寫共享變量進(jìn)行通信，而不需要顯式的消息傳遞。

7.答案：C

解析：CUDA、OpenCL和OpenACC都是GPU加速計(jì)算的技術(shù)和框架。而MPI(消息傳遞接口)主要用于分布式內(nèi)存系統(tǒng)中的并行計(jì)算，不是專門針對GPU的技術(shù)。

8.答案：B

解析：數(shù)據(jù)依賴性是指一個任務(wù)的執(zhí)行依賴于另一個任務(wù)的輸出結(jié)果，這限制了任務(wù)并行執(zhí)行的順序。在并行計(jì)算中，識別和處理數(shù)據(jù)依賴性是設(shè)計(jì)高效并行算法的關(guān)鍵。

9.答案：B

解析：并行文件系統(tǒng)專為大規(guī)模并行計(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)，支持多個計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行高效的I/O操作，解決了傳統(tǒng)文件系統(tǒng)在并行環(huán)境下性能瓶頸的問題。

10.答案：C

解析：在MapReduce模型中，Map階段負(fù)責(zé)處理輸入數(shù)據(jù)，生成鍵值對；Reduce階段則負(fù)責(zé)對具有相同鍵的值進(jìn)行聚合處理，最終產(chǎn)生結(jié)果。

二、填空題

1.答案：并行執(zhí)行時間

解析：加速比是衡量并行計(jì)算性能的重要指標(biāo)，定義為串行執(zhí)行時間與并行執(zhí)行時間的比值。加速比越大，表明并行計(jì)算帶來的性能提升越明顯。

2.答案：任務(wù)調(diào)度

解析：任務(wù)調(diào)度是將計(jì)算任務(wù)分配給系統(tǒng)中各個處理器的過程。良好的任務(wù)調(diào)度策略可以平衡負(fù)載，減少通信開銷，提高并行計(jì)算效率。

3.答案：消息傳遞

解析：MPI(MessagePassingInterface)是一種廣泛使用的消息傳遞接口標(biāo)準(zhǔn)，用于分布式內(nèi)存系統(tǒng)中的并行編程，提供了豐富的通信原語。

4.答案：死鎖

解析：死鎖是并行系統(tǒng)中多個進(jìn)程因互相等待對方持有的資源而導(dǎo)致的無限等待狀態(tài)。避免死鎖是并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。

5.答案：計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備

解析：CUDA是NVIDIA推出的并行計(jì)算平臺和編程模型，允許開發(fā)者使用C語言為NVIDIAGPU編寫程序，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算。

6.答案：處理器數(shù)量

解析：并行算法的效率定義為加速比與處理器數(shù)量的比值，反映了并行系統(tǒng)中處理器資源利用的有效性。效率越高，表明資源利用越充分。

三、判斷題

1.答案：×

解析：并行計(jì)算并不總是比串行計(jì)算更快。當(dāng)問題規(guī)模較小或并行化開銷(如通信、同步)較大時，串行計(jì)算可能更高效。并行計(jì)算的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在大規(guī)模計(jì)算問題上。

2.答案：×

解析：MIMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)架構(gòu)的特點(diǎn)是多個處理器可以執(zhí)行不同的指令流，處理不同的數(shù)據(jù)流。這與SIMD架構(gòu)不同，后者要求所有處理器執(zhí)行相同的指令。

3.答案：√

解析：負(fù)載不平衡會導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率下降，某些處理器可能處于空閑狀態(tài)而其他處理器過載，從而影響整體并行計(jì)算性能。

4.答案：×

解析：在共享內(nèi)存模型中，多個處理器訪問共享內(nèi)存時可能會引發(fā)數(shù)據(jù)一致性問題，如緩存一致性問題。因此，需要采用適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制來保證數(shù)據(jù)一致性。

5.答案：√

解析：OpenMP是一種基于指令的共享內(nèi)存并行編程模型，通過在串行代碼中添加編譯指導(dǎo)指令來實(shí)現(xiàn)并行化，主要用于共享內(nèi)存系統(tǒng)。

6.答案：×

解析：并行計(jì)算并非適用于所有類型的計(jì)算問題。某些問題inherently是串行的，或者并行化帶來的收益可能不足以抵消并行開銷。此外，并行化算法的設(shè)計(jì)也受到問題特性的限制。

四、多項(xiàng)選擇題

1.答案：ABCDE

解析：并行計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)包括：負(fù)載均衡(確保任務(wù)均勻分配)、通信開銷(處理器間通信的時間成本)、數(shù)據(jù)依賴(任務(wù)間依賴關(guān)系限制并行度)、算法設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)高效的并行算法)以及硬件成本(構(gòu)建并行系統(tǒng)的高昂投入)。這些都是實(shí)現(xiàn)高效并行計(jì)算需要考慮的關(guān)鍵因素。

2.答案：ABCDE

解析：常見的并行計(jì)算架構(gòu)包括：SMP(對稱多處理器，共享內(nèi)存)、MPP(大規(guī)模并行處理，分布式內(nèi)存)、Cluster(計(jì)算機(jī)集群)、Grid(網(wǎng)格計(jì)算)和Cloud(云計(jì)算)。這些架構(gòu)各有特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場景和規(guī)模。

五、簡答題

1.答案：

Amdahl定律描述了并行系統(tǒng)中串行部分對整體性能的限制。其公式為：Speedup=1/[(1-p)+p/n]，其中p是可并行部分的比例，n是處理器數(shù)量。

意義：Amdahl定律表明，即使無限增加處理器數(shù)量，系統(tǒng)整體加速比也受限于串行部分所占的比例。這意味著要獲得顯著的并行加速，必須盡可能減少串行代碼的比例。這一定律指導(dǎo)我們在并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何最小化串行部分。

2.答案：

強(qiáng)擴(kuò)展性(StrongScaling)是指固定問題規(guī)模，增加處理器數(shù)量時的性能變化。它衡量的是在解決相同規(guī)模問題時，增加處理器數(shù)量帶來的加速效果。強(qiáng)擴(kuò)展性適用于問題規(guī)模固定，希望通過增加處理器來縮短計(jì)算時間的場景。