Системы, управляемые потоком данных. Язык "Dataflow Graph Language"

Курсовая работа Тема Системы, управляемые потоком данных. Язык Dataflow Graph Language. Автор Андреев М.В. Группа ПМ-42 Научный руководитель Дулов Е.В. г. Ульяновск, 1999 Введение Одним из методов организации параллельных вычислений является метод, основанный основанный на принципе управления потоком данных. Обычно в вычислительных системах, управляемых потоком данных,

команды машинного уровня управляются доступностью данных, проходящих по дугам графа потока данных ГПД. Такому принципу управления потоком данных на уровне операций можно противопоставить принцип управления укрупненным потоком данных Large-Grain Data Flow, в котором единица планирования вычислений крупнее возможно, намного крупнее, чем одна машинная команда. ГПД - одна из наиболее распространенных форм представления программы в данной модели вычислений.

Вершины ГПД соответствуют отдельным процессам, а дуги задают отношения между ними. Точка вершины, в которую входит дуга, называется входным портом портом импорта или входом, а точка, из которой она выходит выходным портом экспорта или выходом. По дугам передаются данные из одного процесса в другой. Данный метод заставляет программиста принять поэтапный подход к программированию, но, с другой стороны,

избавляет от сложностей синхронизации, присущих большенству других моделей параллелизма. Программное обеспечение Система предназначена для работы в сети, в которой любые два компьютера могут обмениваться данными друг с другом. На любом компьютере может быть запушенно несколько процессов. Каждый процесс получает данные через порты импорта и может отслать данные через порты экспорта по дугам данных другим процессам. Запуск программы осуществляется под управлением диспетчера, который распределяет

процессы по компьютерам и устанавливает связи между процессами. Для нормальной работы диспетчера на всех компьютерах должна быть запущена специальная программа - монитор. Монитор по запросу диспетчера запускает процесс, указанный в запросе, на своем компьютере. Порты импорта используются как очереди, и они, подобно каналам в ОС UNIX, буферизуют одно или неколько сообщений до тех пор, пока их не получит адресат.

Объем буфера ограничен долько доступной емкостью памяти. Каждый порт импорта может быть связан с несколькими портами экспорта. Порты экспорта могут иметь несколько каналов, число которых определяется диспетчером после анализа графа данных на этапе запуска процесса. Каждый канал обязательно связан только с одним портом импорта. Подготовка прикладной программы к выполнению состоиз из следующих шагов конструирование графа потока

данных программы запись графа потока данных на языке графов данных DGL обработка записи на языке DGL написание прикладных программ для узловых процессов компиляция узловых процессов в формат DLL запуск узловых процессов диспетчером на основе DGL Пример параллельной программы В качестве примера расмотрим задачу приближенного вычисления числа Пи с использованием правила прямоугольников для вычисления определенного интеграла где

Согласно правилу прямоугольников, где , а . Следует отметить, что это процессорная программа. Она не затрагивает многие проблемы параллельного программирования, например критическое влияние процессов ввода-вывода. Тем не менее эта задача поможет ознакомится с основными принципами построения программ, работающих в соответствии с методом управления потоком данных. Существует множество подходов к решению контрольной задачи.

Решение, приведенное ниже, иллюстрирует все основные шаги разработки программы. Конструирование графа потока данных программы Граф потока данных программы или граф данных определяет связи между процессами и дугами данных. Граф данных специфицирует все последуещее конструирование программы прикладной задачи. Его создание может потребовать немало усилий для определения того, как разбить программу на активизируемые данными процессы, чтобы достичь максимального увеличения скорости выполнения.

В пределе разрабатываемая программа может быть создана в виде одного процесса, но при этом теряется параллелелизм. Можно создать множество мелких процессов, таких как один оператор или даже одна арифметическая операция, что приведет к резкому увеличению расходов, связанных с запуском каждого процесса и обменом данных между ними. Следует отметить, что структура решаемой задачи часто наводит на хорошее первое приближение. После того, как граф данных нарисован, каждый процесс, начало и конец каждой дуги помечаются буквенно-

цифровым именем, которое используется в языке DGL. Если выход out имеет несколько каналов, то его i-й канал обозначается на схеме строкой outi. Для подсчета числа Пи используется несколько рабочих процессов, которые вычисляют свои части интеграла и пересылают результат суммирующему процессу. Рабочие процессы обращаются за очередным заданием к процессу распределения работ. Вся работа не распределяется заранее равномерно между процессами один рабочий процесс,

если он запущен на более быстрой машине, может выполнить львиную долю работы. Из входа numiter процесс Summer считывает число частичных сумм, которые он должен просуммировать до завершения своей работы. На вход arg процесса Worker поступает задание границы и число интервалов. Если число интервалов в задании равно нулю, то процесс завершает работу. Пересылая свой идентификатор через выход demand рабочий процесс обращается за очередным заданием.

Запись графа потока данных на языке Data Graph Language Перевод графа потока данных в язык DGL совершается однозначным образом. В записи на DGL каждый процесс представлен заголовком и списком входных и выходных портов. При описании процесса можно использовать числовые константы, которые определяются в начале программы. Ряд констант задается диспетчером - константа nprocs, например, равна числу доступных процессоров в

системе. Синтаксис языка DGL приведен в приложении А. 11 DATAFLOW GRAPH Pi 12 13 NW nprocs - 2 14 15 PROCESS Manager 16 EXPORT 17 worker NW Worker carg 18 numiter Summernumiter 19 IMPORT 20 demandlist 21 END 22 23 PROCESS Worker NW 24 EXPORT 25 demand Managerdemandlist 26 result

Summerpartsum 27 IMPORT 28 arg 29 END 30 31 PROCESS Summer 32 IMPORT 33 numiter 34 partsum 35 END Запись программы вычисления Пи на языке DGL В строке 13 определяется константа NW - число рабочих процессов. Ее значение выбирается так, чтобы использовать для решения задачи все компьютеры сети. В строке 23 описывается процесс Worker.

Константа NW, расположенная в квадратных скобках после имени процесса, дает указание диспетчеру создать NW копий данного процесса. Причем, если значение NW меньше 1, то все равно создается одна копия. Все копии нумеруются, номер копии записывается в константу p, которая может быть использована при описании выходов процесса. Рассмотрим пример. result filter2p1arg Данная запись означает, что выход result р-й копии процесса будет связан со входом arg 2р1-й копии процесса

filter. Запись в строке 17 означает, что выход worker процесса Manager будет иметь NW каналов. Причем, если значение NW меньше 1, то все равно будет создан один канал. Все каналы нумеруются, номер канала записывается в константу С. В примере С-й канал выхода worker связан со входом arg

С-ой копии процесса Worker. После обработки графа программой dglc, на диске будут созданы следующие файлы Manager.dpr, Worker.dpr, Summer.dpr, ManagerUnit.pas, WorkerUnit.pas, SummerUnit.pas. Очередная задача состоит в написании прикладных задач для всех узловых процессов. Для этого нужно создать файлы ManagerBody.pas, WorkerBody.pas, SummerBody.pas. Написание тела для каждого процесса

Каждый процесс записывается в виде процедуры на языке Паскаль. Имя процедуры - Body - фиксировано и не может быть изменено. Имя файла программы начинается с имени процесса и заканчивается словом Body. 10 PROCEDURE Body 11 VAR 12 Task RECORD Nword a,breal END 13 i,WrkId word 14 CONST 15 N word 10 16 BEGIN 17

Send exportNUMITER, 0, N, SizeOfword 18 Task.N 10N 19 Task.b 0 20 FOR i 1 TO N DO BEGIN 21 Task.a Task.b 22 Task.b iN 23 Receive importDEMANDLIST, WrkId, SizeOfword 24 Send exportWORKER, WrkId, Task, SizeOfTask 25 END 26 Task.N 0 27 FOR i 1 TO exportWORKER.NChannels DO 28

Send exportWORKER, i, Task, SizeOfTask 29 END Файл ManagerBody.pas тело процесса Manager Переменная Task описывает задание для рабочего процесса a,b - границы, N - число интервалов. Константа N, описанная в строке 15, равна числу разбиений отрезка 01. В начале работы посылаем процессу Summer число разбиений N строка 17 . В строке 23 ждем запроса от одного из рабочих процессов.

Запрос представляет собой идентификатор запрашивающего процесса. Получив запрос, отсылаем очередное задание соответствующему рабочему строка 24. После того, как задания распределены, нужно сообщить об этом всем рабочим процессам. Для этого служат строки 26-28 по всем каналам порта expWORKER посылаем задание с нулевым числом интервалов - сигнал о завершении работы. 30 PROCEDURE Body 31

VAR 32 Task RECORD Nword a,breal END 33 S real 34 i word 35 FUNCTION fxrealreal 36 BEGIN 37 Result 4 1 xx 38 END 39 BEGIN 40 Send exportDEMAND, 0, GetProcessId, SizeOfTProcessId 41 WHILE true DO WITH Task DO BEGIN 42 Receive importARG, Task, SizeOfTask 43 IF Task.N 0 THEN EXIT 44 h b-aN 45

S 0 46 FOR i 1 TO N DO 47 S S fai-0.5h 48 S hS 49 Send exportPARTSUM, 0, S, SizeOfS 50 Send exportDEMAND, 0, GetProcessId, SizeOfTProcessId 51 END 52 END Файл WorkerBody.pas тело процесса Worker Бесконечный цикл 41-51 обеспечивает работу процесса до получения сигнала завершения от распределителя работ Manager. В строке 42 ждем очередное задание Task.

Если число интервалов в задании равно 0, то завершаем работу. В противном случае вычисляем частичную сумму на интервале Task.a Task.b и отсылаем ее суммирующему процессу строки 44-49. В строке 50 обращаемся к распределителю работ за очередным заданием. 53 PROCEDURE Body 54 VAR 55 N word 56 i word 57 TotalSum,

S real 58 BEGIN 59 Receive importNUMITER, N, SizeOfN 60 TotalSum 0 61 FOR i 1 TO N DO BEGIN 62 Receive importPARTSUM, S, SizeOfS 63 TotalSum TotalSum S 64 END 65 END Файл SummerBody.pas тело процесса Summer В строках 61-64 собираются частичные суммы от всех рабочих процессов и суммируются в переменной TotalSum. Число частичных сумм записываем в переменну

N из порта impNUMITER строка 59. Компиляция узловых процессов В среде Delphi необходимо откомпилировать файлы Manager.dpr, Worker.dpr и Summer.dpr. После компиляции должны появится три новых файла Manager.dll, Worker.dll, Summer.dll. Загрузка и выполнение программы Сначала на компьютерах сети нужно запустить программу-монитор.

Перепишем откомпилироанные файлы и файл Pi.dgl с текстом графа потока данных на языке DGL в один каталог и запустим диспетчер, указав Pi.dgl в качестве параметра. Литература 1 Роберт Бэб, Программирование на параллельных вычислительных системах - Москва Мир, 1991 2 А.И.Водяхо, Высокопроизводительные системы обработки данных - МоскваВысшая школа, 1997Приложение А Синтаксис языка

DGL DGL DATAFLOW GRAPH identifier Definitions ProcessDecl Definitions identifier ConstExpr ProcessDecl PROCESS identifier AT path NumCopies EXPORTExportDecl IMPORTImportDecl END ExportDecl identifier NumCopies identifier Expression identifier ImportDecl identifier NumCopies ConstExpr ConstExpr

Expression Expression Term AddOp Term Term Fact MulOp Fact Fact number identifier Expression AddOp - MulOp Замечания 1 number - целое положительное число 2 все операции языка целочисленные 3 значение выражения NumCopies должно быть больше нуля, в противном случае оно заменяется на число 1 4 в выражениях можно использовать следующие переменные с - номер текущего канала, р - номер текущей копии процесса