并行程序設(shè)計導(dǎo)論學(xué)習(xí)教案-2024鮮版

并行程序設(shè)計導(dǎo)論學(xué)習(xí)教案12024/3/28課程介紹與目標(biāo)并行計算基礎(chǔ)進程間通信與同步并行編程模型與框架典型并行算法剖析性能評價與優(yōu)化策略課程總結(jié)與展望22024/3/2801課程介紹與目標(biāo)32024/3/28計算機硬件發(fā)展隨著多核處理器、GPU、集群等并行計算硬件的普及，并行程序設(shè)計成為提高計算性能的關(guān)鍵。軟件開發(fā)需求大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎愕男枨笕找嬖鲩L，掌握并行程序設(shè)計技術(shù)對于軟件開發(fā)者至關(guān)重要。學(xué)科交叉融合并行程序設(shè)計涉及計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編程語言等多個學(xué)科領(lǐng)域，具有交叉融合的特點。并行程序設(shè)計導(dǎo)論課程背景42024/3/28知識目標(biāo)掌握并行計算的基本概念、原理和方法，了解并行計算硬件和軟件技術(shù)。能力目標(biāo)能夠分析和設(shè)計并行算法，具備一定的并行程序設(shè)計和優(yōu)化能力。素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的計算機素養(yǎng)和解決問題的能力。教學(xué)目標(biāo)與要求03020152024/3/28介紹并行計算的基本概念、分類、評價指標(biāo)等。并行計算基礎(chǔ)介紹多核處理器、GPU、集群等并行計算硬件的原理和特點。并行計算硬件介紹并行編程模型、并行編程語言、并行算法設(shè)計和優(yōu)化等。并行計算軟件通過案例分析，讓學(xué)生了解并行計算在科學(xué)計算、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。實踐案例分析課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)62024/3/2802并行計算基礎(chǔ)72024/3/28并行計算概念及分類并行計算定義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。并行計算分類根據(jù)并行粒度不同可分為位級并行、指令級并行、數(shù)據(jù)級并行和任務(wù)級并行。82024/3/28弗林分類法01根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）、單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）、多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。并行計算機訪存模型02包括均勻存儲器訪問模型（UMA）、非均勻存儲器訪問模型（NUMA）和全高速緩存訪問模型（COMA）。并行計算機互連網(wǎng)絡(luò)03常見的互連網(wǎng)絡(luò)有線性陣列、二維陣列、立方體、超立方體、蝶形網(wǎng)絡(luò)等。并行計算機體系結(jié)構(gòu)92024/3/28把一個計算問題分解成若干個小的計算問題，以便在多個處理器上并行執(zhí)行。分解數(shù)據(jù)局部性負載均衡可擴展性盡量使數(shù)據(jù)在計算過程中保持局部性，減少數(shù)據(jù)通信開銷。盡量使各個處理器的負載保持均衡，避免出現(xiàn)某些處理器空閑而其他處理器過載的情況。算法應(yīng)具有良好的可擴展性，以便在處理器數(shù)量增加時能夠保持較高的并行效率。并行算法設(shè)計原則102024/3/2803進程間通信與同步112024/3/280102管道（Pipe）管道是最基本的進程間通信方式之一，它允許一個進程向另一個進程發(fā)送數(shù)據(jù)。常見的管道有匿名管道和命名管道。消息隊列（Messag…消息隊列是消息的鏈接表，存放在內(nèi)核中并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識。進程可以通過發(fā)送消息和接收消息來進行通信。信號（Signal）信號是一種比較簡單的通信方式，用于通知接收進程有某個事件已經(jīng)發(fā)生。共享內(nèi)存（Shared…共享內(nèi)存允許多個進程訪問同一塊內(nèi)存空間，進程可以通過讀寫共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行通信。套接字（Socket）套接字是一種更為一般的進程間通信機制，它允許不同機器上的進程進行通信。030405進程間通信方式122024/3/28進程同步機制互斥鎖（Mutex）互斥鎖是一種簡單的同步機制，用于保護共享資源的訪問。當(dāng)一個進程獲得互斥鎖時，其他進程無法訪問該共享資源。信號量（Semaphore）信號量是一個整型變量，可以用于控制多個進程對共享資源的訪問。信號量的值表示可用資源的數(shù)量。條件變量（ConditionVaria…條件變量是一種復(fù)雜的同步機制，用于在多個進程之間同步狀態(tài)變化。它允許一個或多個進程等待某個條件成立。屏障（Barrier）屏障是一種同步機制，用于確保一組進程在繼續(xù)執(zhí)行之前都達到某個點。132024/3/28死鎖的概念死鎖是指兩個或兩個以上的進程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法向前推進。死鎖產(chǎn)生的原因競爭資源、進程推進順序不當(dāng)?shù)?。死鎖的解決方法預(yù)防死鎖、避免死鎖、檢測死鎖和解除死鎖。其中預(yù)防死鎖和避免死鎖是通過破壞產(chǎn)生死鎖的四個必要條件來實現(xiàn)的；檢測死鎖是通過系統(tǒng)檢測機構(gòu)來發(fā)現(xiàn)死鎖并解除；解除死鎖則是通過資源剝奪或撤銷進程來解除死鎖狀態(tài)。死鎖問題及解決方法142024/3/2804并行編程模型與框架152024/3/28ABCD共享內(nèi)存編程模型原理多個線程或進程共享同一塊內(nèi)存空間，通過讀寫共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行通信和協(xié)作。缺點存在數(shù)據(jù)一致性和同步問題，需要采用鎖等機制進行控制。優(yōu)點數(shù)據(jù)共享方便，編程相對簡單。常見實現(xiàn)OpenMP、Pthreads等。162024/3/28原理進程間通過發(fā)送和接收消息進行通信，每個進程有自己的內(nèi)存空間。優(yōu)點避免了共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致性和同步問題，易于擴展到分布式系統(tǒng)。缺點編程相對復(fù)雜，需要顯式地管理消息的發(fā)送和接收。常見實現(xiàn)MPI（MessagePassingInterface）等。消息傳遞編程模型172024/3/28優(yōu)點能夠充分利用多核、多線程等并行計算資源，提高計算效率。常見實現(xiàn)CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）、OpenCL（OpenComputingLanguage）等。缺點需要對數(shù)據(jù)進行劃分和合并，編程復(fù)雜度較高。原理將數(shù)據(jù)劃分為多個部分，在多個處理單元上并行處理，處理單元之間通過數(shù)據(jù)交換進行協(xié)作。數(shù)據(jù)并行編程模型182024/3/2805典型并行算法剖析192024/3/2803矩陣求逆并行化采用迭代法或分塊法，將求逆過程分解為多個可并行處理的子任務(wù)。01矩陣乘法并行化將大矩陣拆分成小塊，分配給不同處理單元進行計算，最后合并結(jié)果。02矩陣轉(zhuǎn)置并行化按行或列劃分矩陣，各處理單元分別負責(zé)部分數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)置操作。矩陣運算并行化方法202024/3/28并行最短路徑算法如Dijkstra算法和Floyd算法的并行化，通過劃分圖結(jié)構(gòu)或任務(wù)級并行實現(xiàn)加速。并行最小生成樹算法如Prim算法和Kruskal算法的并行化，利用并行排序和并查集操作提高性能。并行圖匹配算法采用分布式存儲和計算資源，設(shè)計高效的圖匹配并行算法。圖論問題并行化策略212024/3/28任務(wù)劃分并行化將動態(tài)規(guī)劃問題的計算過程劃分為多個子任務(wù)，各處理單元分別承擔(dān)一部分任務(wù)的計算工作。管道并行化通過設(shè)計合理的計算流程和數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃問題的流水線式并行處理。數(shù)據(jù)劃分并行化將動態(tài)規(guī)劃問題的數(shù)據(jù)空間劃分為多個子空間，各處理單元分別負責(zé)一部分數(shù)據(jù)的計算。動態(tài)規(guī)劃問題并行化思路222024/3/2806性能評價與優(yōu)化策略232024/3/28執(zhí)行時間程序運行所需的時間，通常使用計時器進行測量。CPU時間程序在CPU上執(zhí)行的時間，可以通過操作系統(tǒng)提供的接口獲取。內(nèi)存占用程序運行時所占用的內(nèi)存空間大小，可以通過內(nèi)存監(jiān)控工具進行測量。I/O操作次數(shù)程序進行輸入/輸出操作的次數(shù)，可以通過操作系統(tǒng)提供的接口進行統(tǒng)計。性能評價指標(biāo)及方法242024/3/28剖析器使用剖析器對程序進行性能分析，找出程序中耗費時間最多的部分。日志分析通過分析程序運行日志，找出可能存在的性能問題。調(diào)試工具使用調(diào)試工具對程序進行單步跟蹤和斷點調(diào)試，定位性能問題所在。資源監(jiān)控監(jiān)控程序運行時的CPU、內(nèi)存、I/O等資源使用情況，找出資源瓶頸。程序性能瓶頸診斷技巧252024/3/28針對程序中耗費時間最多的部分，嘗試使用更高效的算法進行替換。算法優(yōu)化將程序中可以并行執(zhí)行的部分進行并行化改造，利用多核CPU的并行計算能力提高程序性能。并行化改造根據(jù)程序的數(shù)據(jù)訪問模式，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以提高數(shù)據(jù)訪問效率。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過優(yōu)化編譯器選項、調(diào)整代碼結(jié)構(gòu)、減少不必要的內(nèi)存分配等手段，提高程序執(zhí)行效率。代碼優(yōu)化01030204優(yōu)化策略及實踐案例分享262024/3/2807課程總結(jié)與展望272024/3/28關(guān)鍵知識點回顧并行計算基本概念并行程序性能優(yōu)化并行算法設(shè)計策略并行編程模型與框架介紹了并行計算的定義、分類、應(yīng)用領(lǐng)域以及衡量并行系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。詳細講解了分治策略、劃分原理、平衡樹和前綴計算等并行算法設(shè)計策略，以及它們在不同場景下的應(yīng)用。介紹了消息傳遞接口（MPI）、OpenMP、CUDA等并行編程模型和框架，包括它們的基本原理、編程接口和使用方法。探討了并行程序性能優(yōu)化的方法，如減少通信開銷、提高計算與通信重疊、使用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法等。282024/3/28展示學(xué)生在課程期間完成的并行計算課程項目，包括項目背景、目標(biāo)、實現(xiàn)過程、實驗結(jié)果和遇到的問題等。針對學(xué)生的課程項目，進行點評和討論，指出項目中的優(yōu)點和不足，提出改進意見和建議。學(xué)生作品展示與點評學(xué)生作品點評并行計算課程項目292024/3/28未來發(fā)展趨勢預(yù)測并行計算硬件發(fā)展并行計算教育推廣并行算法與軟件創(chuàng)新并行計算在科學(xué)研究中的應(yīng)用隨著摩爾定律的失效