Реализация модели SPMD (SIMD) c помощью PVM-и С++-средств

Вариант 1 на рис. 6.4 представляет ситуацию, при которой функция main () порождает от 1 до N задач, причем каждая задача выполняет один и тот же набор инструкций, но на различных наборах данных. Су щ ествует несколько вариантов реализации этого сценария. В листинге 6.1 показана функция main (), которая вызывает функцию pvm_spawn().

// Листинг б.1. Вызов функции pvm_spawn() из // функции main()

int main(int argc, char *argv[]) {

int TaskId[10]; int TaskId2[5]; // 1-е порождение:

pvm_spawn(«set_combination»,NULL,0,"",10,TaskId);

// 2-е порождение:

pvm_spawn(«set_combination», argv, 0,"",5,TaskId2); //. . .

}

В листинге 6.1 при первом порождении создается 10 задач. Каждал задача будет выполнять один и тот же набор инструкций, содержа щ ихся в программе set_combination. При успешном выполнении функции pvm_spawn () массив TaskId будет содержать идентификаторы PVM-задач. Если про г ра мм а в листин г еб.1 имеет идентификатор TaskIds, то она может использовать функции pvm_send( ) для отправки данных, под г отовленных д л я обработки каждой про г раммой. Это воз м ожно б л а г одаря то м у, что функция pvm_send () содержит идентификатор задачи-получате л я.

При второ м порождении (с м. листин г б.1) создается пять задач, но в это м случае каждой задаче с по м о щ ью пара м етра argv передается необходи м ал информация. Это — дополнительный способ передачи информации задачам при их запуске. Тем самы м сыновние задачи получают е щ е одну воз м ожность уникальны м образо м идентифицировать себя с по м о щ ью значений, получае м ых в пара м етре argv. В листин г е 6 .2, чтобы создать N задач, функция main () несколько раз (вместо одно г о) обра щ ается к функции pvm_spawn ().

// Листинг 6.2. Использование нескольких вызовов

// функции pvm_spawn() из функции main()

int main(int argc, char *argv[]) {

int Taskl; int Task2; int Task3; //.. .

pvm_spawn(«set_combination», NULL,1,«hostl»,l,&Taskl); pvm_spawn(«sec_combination»,argv,1,«host2»,1, &Task2); pvm_spawn(«set_combination»,argv++,l,«host3»,l,&Task3); //. . .

}

Подход к созданию задач, продемонстрированный в листин г е 6.2, можно использовать в том случае, ко г да нужно, чтобы задачи выполнялись на конкретных компьютерах. В этом состоит одно из достоинств PVM-среды. Ведь про г рамме ино г да стоит воспользоваться преимуществами некоторых конкретных ресурсов конкретно г о компьютера, например, специальным математическим спецпроцессором, процессором графическо г о устройства вывода или какими-то дру г ими возможностями. В листин г е 6.2 обратите внимание на то, что каждый компьютер выпол н яет один и тот же набор инструкций, но все они получили при этом разные ар г ументы командной строки. Вариант 2 (см. рис. 6.4) представляет сценарий, в котором функция main( ) не порождает PVM-задачи. В этом сценарии PVM-задачи ло г ически связаны с функцией funcB (), и поэтому здесь именно функция funcB () порождает PVM-задачи. Функциям main( ) и funcA( ) нет необходимости знать что-либо о PVM-задачах, поэтому им и не нужно иметь соответствую щ ий PVM-код. Вариант 3 (см. рис. 6.4) представл я ет сценарий, в котором функции main () и дру г им функциям в про г рамме прису щ естественный параллелизм. В этом случае роль «дру г их» функций и г рает функция funcA (). PVM-задачи, порождаемые функциями main () и funcA (), выполняют различный код. Несмотря на то что задачи, порожденные функцией main (), выпол н яют идентичный код, и задачи, порожденные функцией funcA (), выполняют идентичный код, эти два набора задач совершенно различны. Этот вариант иллюстрирует возможность C++-про г раммы использовать коллекции задач для о д новременно г о решения различных проблем. Ве д ь не су щ ествует причины, по которой на про г рамму бы нала г алось о г раничение решать в любой момент времени только о д ну проблему. Вариант 4 (см. рис. 6 .4) пре д ставляет случай, ко гд а параллелизм заключен внутри объекта, поэтому порождение PVM-задач реализует один из методов это г о объекта. Этот вариант показывает, что при необхо д имости параллелизм может исходить из класса, а не из «свободной» функции.

Как и в дру г их вариантах, все PVM-задачи, порожден н ые в варианте 4, выполняют одинаковый набор инструкций, но с различными данны м и. Этот SPMD -м етод (Single Program, Multiple-Data — одна програ м ма, множество потоков данных) часто используется для реализации параллельного решения проблем некоторого типа. И то, что язык С++ обладает по д держкой объектов и средств обоб щ енного программирования на основе шаблонов, делает его основным инстру м енто м при решении подобных задач. Объекты и шаблоны позволяют С++-программисту представлять обоб щ енные игибкие решения для различных проблем с помо щ ью одной-единственной программной единицы. Наличие единой программной единицы прекрасно вписывается в модель параллелиз м а SPMD. Понятие класса расширяет модель SPMD, позволяя решать целый класс пробле м. Шаблоны дают воз м ожность решать определенный класс проблем для практически любого типа данных. Поэтому, хотя все задачи в модели SPMD выполняют один и тот же код (програ мм ную единицу), он м ожет быть предназначен для любого объекта или л юбого из его пото м ков и рассчитан на раз л ичные типы данных (азначит, и на различные объекты!). Напри м ер, в листингеб.З используется четыре PVM-задачи для генерирования четырех множеств, в каждом из которых имеется C(n,r) элементов: C(24,9), C(24,12), C(7,4) и C(7,3). В частности, влистинге 6.3 перечисляются возможные сочетания из 24 цветов, взятые по 9 и по 12. Здесь также перечисляются возможные сочетания из 7 чисел с плаваю щ ей точкой, взятые по 4 и по 3. Пояснения пообозначению C(n,r) приведены в разделе $ 6.1 («Обозначение сочетаний»).

// Листинг б.З. Создание сочетаний из заданных множеств

int main(int argc,char *argv[]) {

int RetCode,TaskId[4];

RetCode = pvm_spawn («pvm_generic_combination11, NULL, 0, "", 4,TaskId);

if(RetCode == 4) {

colorCombinations (TaskId[0] , 9) ; colorCombinations(TaskId[l] ,12) ; numericCombinations(TaskId[2],4); numericCombinations(TaskId[3],3); saveResult(TaskId[0]); saveResult(TaskId[l]); saveResult(TaskId[2]); saveResult(TaskId[3]); pvm_exit() ;

}

else{

cerr « «Ошибка при порождении сыновнего процесса.»

« endl; pvm_exit() ;

}

return(0);

}

В листинге 6.3 обратите внимание на порождение четырех PVM-задач: pvm_spawn(«pvm_generic_combination» ,NULL, 0, ^н » ,4,TaskId) ;

Каждая порожденнал задача должна выполнять програ м му с именем pvm _generic_combination. Аргу м ент NULL в вызове функции pvm_spawn() означает, что через параметр argv[] не передаются никакие опции. Значение 0 в вызове функции pvm_spawn () свидетельствует, что нас не беспокоит, на каком ко м пьютере будет выполняться наша задача. Аргу м ент TaskId представляет м ассив, предназначенный для хранения четырех целочисленных значений, который при условии успешного выполнения функции pvm_spawn () будет содержать идентификаторы каждой порожденной PVM-задачи. В листингеб.З обратите также вни м ание на вызов функций colorCombinations () и numericCombinations (). Они «дают работу» PVM-задачам. Определение функции colorCombinations () представлено в листинге 6.4.

// Листинг 6.4. Определение функции colorCombinations()

void colorCombinations(int TaskId,int Choices) {

int MessageId =1; char *Buffer; int Size; int N;

string Source(«blue purple green red yellow orange

silver gray "); Source.append(«pink black white brown light_green

aqua beige cyan "); Source.append(«olive azure magenta plum orchid violet

maroon lavender»); Source. append (" **) ;

Buffer = new char[(Source.size() + 100)]; strcpy(Buffer,Source.c_str()); N = pvm_initsend(PvmDataDefault); pvm_pkint(&Choices,1,1); pvm_send(TaskId,MessageId); N = pvm_initsend(PvmDataDefault); pvm_pkbyte(Buffer,strlen(Buffer),1); pvm_send(TaskId,MessageId); delete Buffer;

}

В листингеб.З от м етьте два обращения к функции colorCombinations(). Каждое из них велит PVM-задаче перечислить различное количество сочетаний цветов: C(24,9) и C(24,12). Первал PVM-задача д олжна сгенерировать 1 307 504 цветовых сочетаний, а вторал — 2 704 156. Эту работу выполняет програм м а, заданнал в вызове функции pvm_spawn (). Каждый цвет представляется строкой. Следовательно, програ мм а pvm_generic_combination (с по м ощью функции colorCombinations()) генерирует сочетания цветов, используя в качестве входных данных набор строк. Но когда она орулует «рука м и» функции numericCombinations (), показанной в листинге 6.5, в качестве входных данных используется набор чисел с плавающей точкой. Код листинга 6.3 также содержит два вызова функции numericCombinations (). Первый генерирует C(7,4) сочетаний, а второй — C(7,3).

// Листинг 6.5. Использование PVM-задач для генерирования //   сочетаний чисел

void numericCombinations(int TaskId,int Choices) {

int MessageId = 2; int N;

double ImportantNumbers[7] =

{3.00e+8,6.67e-ll,1.99e+30,

6.2. Библио т ека PVM для языка С++ 229

1.67e-27,6.023e+23,6.63e-34,

3.14159265359}; N = pvm_initsend(PvmDataDefault); pvm_pkint(&Choices,1,1) ; pvm_send(TaskId,MessageId) ; N = pvm_initsend(PvmDataDefault); pvm_pkdouble (ImportantNumbers, 5,1) ; pvm_send(TaskId,MessageId) ;

}

В функции numericCombinations () из листинга 6.4 PVM-задача использует м ассив чисел с плаваю щ ей точкой, а не м ассив байтов, представл я ю щ их строки. Поэто м у функция colorCombinations() отправл я ет свои данные PVM-задача м с по м о щ ью вызовов таких функций:

pvrt_pkbyte(Buffer,strlen(Buffer) ,1) ; pvm_send(TaskId,MessageId) ;

А функция numericCombination( ) отправляет свои данные PVM-задача м таки м образом:

pvm_pkdouble (ImportantNumbers, 5,1) ; pvn_send(TaskId,MessageId) ;

Функция colorCombinations() в листинге6.4 создает строку названий цветов, азатем копирует ее в м ассив Buffer типа char. Этот м ассив затем упаковывается и отправляется PVM-задаче с помо щ ью функций pvm_pkbyte () и pvm_send (). Функция numericCombinations() в листинге6.5 создает массив типа double и отсылает его PVM-задаче с помо щ ью функций pvm_pkdouble () и pvm_send( ). Одна функция отправляет символьный массив, а другая — массив типа double. В обоих случалх PVM-задачи выполняют одну и туже программу pvm_generic_combination. Именно здесь нас выручает преиму щ ество использования С++-шаблонов. Одинаковые задачи благодаря этому могут работать не только с различными данными, но и с различными типами данных без изменения самого кода. Использование шаблонов в С++ позволяет сделать модель SPMD более гибкой и эффективной. Программе pvm_generic_combination практически безразлично, с какими типами данных ей придется работать. Использование контейнерных С++-классов позволяет генерировать любые комбинации векторов (vector<T>) объектов. Программа pvm_generic_combination «не знает», что она будет работать с двумя типами данных. В листин г е 6.6 представлен раздел кода из программы pvm_generic_combination.

// Листинг 6.6. Использование тега MessageId для //   распознания типов данных

pvm_bufinfo (N, &NumBytes, &MessageId, &Ptid) ; if(MessageId == 1){

vector<string> Source;

Buf = new char[NumBytes];

pvm_upkbyte(Buf, NumBytes,1);

strstream Buffer;

Buffer « Buf « ends,-

while(Buffer.good())

{

Buffer » Color;

if(!Buffer.eof()){

Source.push_back(Color);

}

}

generateCombinations<string>(Source, Ptid,Value); delete Buf;

}

if(MessageId == 2){

vector<double> Source; double *ImportantNumber; NumBytes = NumBytes / sizeof(double); ImportantNumber = new double[NumBytes]; pvm_upkdouble(ImportantNumber, NumBytes,1); copy(ImportantNumber,ImportantNumber +(NumBytes + 1), inserter(Source, Source.begin())); generateCombinations<double>(Source, Ptid,Value); delete ImportantNumber;

}

Здесь используется тег MessageId, позволяю щ ий распознать, с каким типом данных м ы работае м. Но в С++ воз м ожно более удачное решение. Если тег MessageId содержит число 1, значит, м ы работае м со строка м и. Следовательно, м ожно сделать сле-лую щ ее объявление: vector<string> Source;

Если тег MessageId содержит число 2, то м ы знае м, что должны работать с числа м и с плаваю щ ей точкой, и поэто м уделае м такое объявление: vector<double> Source;

Объявив, какого типа данные будет содержать вектор Source, остальную часть функции в програ мм е pvm_generic_combination можно легко обоб щ ить. В листин- r e 6.6 обратите вни м ание на то, что каждая инструкция if() вызывает функцию generateCombinations (), которая является шаблонной. Эта шаблоннал архитектура позво л яет достичь такой степени универсальности, которая распростра н яет сце н арии SPMD и MPMD на наши PVM-програ мм ы. Мы вер н е м ся к обсуждению нашей програм м ы pvm_generic_combination после расс м отрения базовых механизмов PVM-среды. Важно отметить, что контейнерные С++-классы, потоковые классы и шаблонные алгорит м ы значительно усиливают гибкость PVM-програ мм ирования, которую невозможно было бы так просто реализовать в других PVM-средах. Именно такая гибкость создает воз м ожности д л я построения высокоорганизованных и элегантных парал л е л ьных архитектур.