Методи та засоби підвищення ефективності обчислень у кластерних системах з мультиядерною архітектурою

Практична реалізація запропонованих методів і засобів організації обчислювальних процесів виконана шляхом розробки реальної КСМА і пакету програм для неї. Експериментальні дослідження показали можливість покращення організації обчислень в КСМА за рахунок вибору оптимальних засобів взаємодії процесів, їх аналізу і спрощеної реалізації.

Ключові слова: комп'ютерна система, кластер, мультиядерна архітектура, обчислювальний процес, потік, взаємодія потоків, тупик.

Растгу Садег. Методы и средства повышения эффективности вычислений в кластерных системах с многоядерной архитектурой - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 - Компьютерные системы и компоненты. -Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2009.

Диссертация посвящена вопросам организации вычислительных процессов в кластерных системах с мультиядерной архитектурой (КСМА).

В диссертации выполнен анализ структурной организации современных КСМА и особенностей организации в них вычислительных процессов. Показано, что КСМА представляет собой сложную систему с двумя уровнями параллельной обработки информации (между узлами и на уровне узла) и поэтому организация вычислительных процессов в таких системах требует предварительного анализа структуры системы. Такой анализ возможен на основе создания математической модели вычислений, которая будет отображать особенности структурной организации КСМА и создаст основы для проектирования распределенных процессов, их анализа, организации взаимодействия процессов и последующей реализации. С учетом таких требований к модели вычислений в работе была выбрана теория последовательных взаимодействующих процессов Ч.Хоара (CSP теория), которая позволила представить КСМА как набор объектов, выполняющихся параллельно и взаимодействующих друг с другом. Для каждого уровня КСМА предложены математические модели вычислений (модели КСМА1 и КСМА2 ), которые позволили описать особенности организации процессов на уровне узлов и внутри каждого узла.

Основное внимание при этом было уделено организации взаимодействия процессов. На первом уровне КСМА организация взаимодействия процессов связана с использованием сетевых технологий и основывается на модели посылки сообщений. На втором уровне взаимодействие процессов зависит от физической реализации связи ядер в многоядерных процессорах и может быть реализовано как с помощью модели посылки сообщений, так и с помощью модели, основанной на общих переменных.

Используемая в работе для создания моделей вычислений теория Ч.Хоара основывается на модели посылки сообщений, которая не позволяет реализовать новые виды модели посылки сообщений, такие как, например, удаленные вызовы процедур. Кроме того, учитывая, что современные многоядерные процессоры используют общую память, важной является возможность использования в CSP теории модели взаимодействия процессов, основанной на общих перемеренных.

В диссертационной работе выполнен анализ и классификация существующих механизмов реализации взаимодействия процессов, на основании которого предложено расширение CSP теории путем введения понятий объекта коммуникации и объекта синхронизации, которые позволили описать различные формы взаимодействия процессов, имеющие место в КСМА с различной структурной организацией.

Объект коммуникации является развитием понятия канала в CSP теории и представляет собой параметризированный объект, параметры которого позволяют задавать объем и направление передаваемой (принимаемой) информации, вид взаимодействия (синхронный/асинхронный, буферизированный /небуферизированный). В отличие от канала, объект коммуникации позволяет реализовать передачу данных в любом направлении.

В работе выполнен анализ и классификация существующих в современных языках и библиотеках параллельного программирования средств взаимодействия процессов на основе модели общих переменных. На основе анализа предложено понятие объекта коммуникации, с помощью которого возможно описание в теории Ч.Хоара взаимодействия процессов через общие переменные. С применением объектов синхронизации рассмотрено решение задач взаимного исключения и синхронизации, возникающих при использовании общих переменных.

На основании предложенных моделей вычислений рассмотрены возможности анализа корректности взаимодействия процессов, в частности на возникновение тупиковых ситуаций. Сформулирован ряд правил, позволяющих избежать тупиковых ситуаций при использовании моделей общих переменных и посылки сообщений.

Показана возможность реализации предложенных моделей, а также объектов коммуникации и синхронизации в современных языках и библиотеках программирования.

В работе также показано, что предложенные математические модели вычислений могут быть использованы при разработке распределенных приложений для КСМА, что позволят повысить качество программных продуктов и сократить время их проектирования. Это достигается за счет того, что алфавиты, использованные при описании процессов в моделях КСМА1 и КСМА2 могут быть использованы при построении алгоритмов потоков, а объекты коммуникации и объекты синхронизации - реализованы через соответствующие средства посылки сообщений и работы с общими переменными в языках или библиотеках параллельного программирования.

Практическая реализация предложенных методов и средств организации вычислительных процессов в КСМА была выполнена путем разработки реальной кластерной системы с четырехядерными процессорами и пакета программ для нее. При этом для системы были реализованы обе модели вычислений КСМ1 и КСМА2. Разработка программного обеспечения была выполнена на основе рассмотренной методики, в основе которой была использованы разработанные математические модели, которые позволили выбрать оптимальные средства взаимодействия процессов, а также провести предварительный анализ корректности поведения процессов.

Экспериментальные исследования показали работоспособность и эффективность предложенных в диссертационной работе теоретических решений при организации вычислений и разработке программных компонент для КСМА за счет выбора соответствующих средств взаимодействия процессов, их анализа и оптимизации.

Ключевые слова: компьютерная система, кластер, мультиядерная архитектура, вычислительный процесс, поток, взаимодействие процессов, тупик.

Rаstgoo Sаdegh. Computing processes organization in cluster systems with multi-core architecture. - Manuscript.

Thesis for Ph.D ( candidate of technical science) degree by specialty 05.13.05 - computer systems and components. - Kyiv National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted to solution of scientific task of computing process organization in cluster systems with multi-core architecture (CSMCA). There are two levels of parallelisms in such systems and so CSMCA is complicated system. Therefore an effective processes organization for CSMCA must be based on mathematical model of computations. In work was used CSP theory of C.Hoar. An expansion of CSP theory via new objects of communication and synchronization is proposed. Models of computations for both levels of CSMCA are developed. These models was used for analyze of optimal form of process communication and for solve of deadlock problems.

The implementation of presented computation models in parallel languages and libraries are produced.

Methodic of programming for CSMCA based on presented models is presented.

From the practical viewpoint, results received in this work allow increasing efficiency of process organization in CSMCA via optimal and correct process intercommunications.

Keywords: computer systems, cluster, multi-core architecture, computing, process, thread, process communication, deadlock.

Размещено на Allbest.ru