Paralelni programiranje: opis, tehnologija, zadaci i prednosti

Ideje paralelnog računalstva i obrade informacija davno su bile mnoge stručnjake i značajan problem u pogledu implementacije. Oni su stekli posebno značenje i masovni interes ne tako davno.

Može se tvrditi da razvoj Internet tehnologija daje novi poticaj, a paralelno programiranje steklo je nove potrošačke kvalitete. To je prouzročilo ne samo očiti napredak tehnologija i programskih jezika. To je stvarno stvorilo obrnuti učinak na razumijevanje paralelnog procesa.

Tehnologije paralelnog programiranja radikalno su se promijenile. Prva primjena računalnih uređaja kao kalkulatora glatko se prebacila na upotrebu podataka kao rukovatelja informacijama. Rigorozna arhitektonska rješenja omogućila su semantiku i fleksibilnu distribuciju softverske funkcionalnosti za "hardverske izvršitelje".

Paralelni izračuni: značenje i provedba

U početku, osnove paralelnog programiranja postavljene su u arhitekturi računalnih uređaja. Predložena je klasifikacija temeljena na pojmu protoka.

Redoslijed naredbi, podataka, funkcionalno kompletiranih sukcesivnih algoritama smatrao se objektom koji se može izvršiti paralelno s drugim sličnim objektom.

S tim pristupom, suština svakog objekta nije bila važna, ali bilo je važno takvo podjelu u paralelne sekcije kodova koje bi se mogle izvršiti neovisno, odnosno podaci na ulazu i izlazu svakog strujanja nisu presijecali. Svaka nit nije bila ovisna o drugoj niti, a ako je trebalo podatke iz druge niti, otišao je u stanje čekanja.

Ova ideja dovela je do četiri arhitekture:

• SISD - jednostavan protokol naredbe i jednostavan protok podataka;
• MISD - višestruki naredbeni tok i jednostavan protok podataka;
• SIMD - jednostavan protok zapisa i više tokova podataka;
• MIMD - multivarijantni protok zapisa i višestruki tok podataka.

Ove su ideje postojale relativno dugo, ali nisu dovele do specijalnih efekata. Danas je teška priča. Ali ovaj je početak stvorio temelje za suvremena dostignuća.

Dno arhitektonske ideje: nedostatak semantike

Poput izgradnje stambene zgrade, arhitektura računala nije se odnosio na semantiku. Kako će stanari živjeti u zgradi, kakve popravke mogu napraviti i kakav će namještaj biti odlučen, nikad se ne brinu graditelji.

Na samom početku paralelnog programskog sustava, oni također nisu pridali važnost algoritmu koji treba izvršiti. Sam procesor odvojio je kod i podatke u dijelove koji su bili paralelno prikazani. To je dalo značajan porast produktivnosti, no zabrinjava, osobito:

• problem dijeljenja memorije između procesa;
• logika očekivanja jedan tok izvedba druge niti;
• mehanizam za zaštitu memorije jednog procesa iz drugog procesa;
• logika interakcije nezavisnih procesora, jezgri;
• logika prebacivanja između procesa;
• razmjena podataka "na letu" između procesa ...

Razvojni programeri više se usredotočili na hardverske mehanizme, koji su lišili paralelno multitesturirano programiranje sposobnosti da imaju semantiku i nisu dopuštali programeru da upravlja procesima, adekvatno riješi problem.

Industrijska primjena paralelizma

Prva svrha računala: složeni matematički izračuni, industrijske aplikacije i sve što se ne tiče svakodnevnog života, mobilnosti i interneta. Naravno, kada su zadaci paralelnog programiranja toliko "ograničeni", teško je očekivati ​​zanimljiva postignuća.

Kada su računala postala proizvodi masovne primjene, pojavili su se internet i mobilni uređaji, zahtjevi za paralelnošću dramatično su se promijenili, a programeri su morali radikalno promijeniti stil i brzinu rada.

Prvi gutljaj bio je ideja poruka između procesa. Sučelje koje prolazi kroz MPI poruku, paralelno programiranje, potrebe za razvojem i očekivanja kupaca postali su međuprostor.

Windows i slični sustavi fiksirali su tu ideju i zapravo su ga učinili zakonodavnom normom: paralelizam i poruka su jedan za svakoga višeobradbeni, više jezgri i u biti - za bilo koji informacijski sustav.

Od računalstva do podataka obrade

Izračuni su poseban slučaj obrade podataka. Od paralelnih arhitektura implementiranih u hardveru do mobilnih softverskih rješenja: jezici paralelnog programiranja doista su postali vlasništvo povijesti. Suvremeni jezik pruža pravi paralelizam procesa, ali za to uopće nije potrebno imati posebne operatore u sintaksi ili dodatnim knjižnicama na jeziku.

"Industrijsko" razmišljanje u programiranju, kada je paralelni višesmjerni programiranje cilj, a ne sredstvo, nije trajalo dugo. Teško je reći koji su temeljni rezultati. Međutim, nema sumnje da je programiranje, koje je bilo prije ere programiranja putem Interneta, postalo osnova za izvrsne ideje i dobar potencijal suvremenih jezika i alata.

Hardverska komponenta

Prva su računala bila čudovišta, zauzeta su četvrtinom nogometnog igrališta i rasporedili toliko topline da biste mogli sigurno zagrijati mali grad, a ne trošiti novac na izgradnju elektrana.

Sljedeća generacija računala je osobna. Osoblje je bilo postavljeno na radnu površinu, a mobiteli se mogu nositi na ramenu. Osoblje se brzo promijenilo i steklo moderan izgled, dao život prijenosnicima, tabletama i drugim uređajima, a mobiteli su pretvoreni u praktične višenamjenske pametne telefone.

Proizvođač elektroničkih komponenti na snazi ​​je uključivao ideje prošlih godina, a paralelno programiranje sada postoji na bilo kojem uređaju, bez obzira na to kako se odnosi na jednog ili drugog softvera.

Danas je broj procesorskih jezgri, broj procesora, razina tehnologije, paralelizam i funkcionalnost koda ključni čak i za neinitiiranog korisnika.

Matematički aparati

Grafikon teorija i čekanjem, kao privatna opcija izračunima linijama i krivuljama za vizualni prikaz informacija, kao osnova za grafičku karticu, na čelu jasnu funkcionalnost hardverske komponente, koje su dobile status i standard kvalitete.

Možete razgovarati o broju jezgri u procesoru uređaja, ali procesor za prikazivanje informacija odavno je jedan i bavi se vlastitim poslovanjem. Video kartica može imati više od jednog procesora, a ne jednu jezgru, ali matematički uređaj je ugrađen u nju.

Procesor računala samo formulira jednostavne naredbe za prikaz informacija ili vađenje iz video memorije, a ostalo je briga o procesoru video kartice.

Zapravo, matematički izračuni dugo su izolirani od glavnog procesora u matematičkom koprocesoru. Sada je to i norma stvari.

U stvari, s obzirom na paralelno programiranje na razini hardvera, moguće je zamisliti moderno računalo kao skup paralelnih operativnog podsustava koji omogućuje programerima sa svim potrebnim za provedbu različitih ideja distribuiranog i paralelnu obradu.

Opće je prihvaćeno da su temeljni hardverski resursi za bilo koji informacijski sustav u idealnom stanju i stalno se razvijaju. Programer može pisati samo kod kvalitete.

Objektno orijentirano programiranje

S klasičnim programiranjem, algoritam odlučivanja je niz naredbi. u objektno orijentirano programiranje algoritam odlučivanja skup je objekata, od kojih svaki ima svoje podatke i metode.

Pomoću metoda, objekti međusobno djeluju, a time i kako će ih izvršiti hardver računala (uređaj), programer barem najmanje brine. Međutim, logika interakcije između objekata je sferanadležnost programer.

Informacijski sustav izgrađen na objektima, u pravilu, je određeni sustav apstrakcija koji omogućuje različite varijante stvaranja objekata različitih tipova i namjena. Budući da je opisan na razini apstrakcija, informacijski sustavi mogu pružiti različite kombinacije objekata, uključujući samostalno stvaranje potonjih.

Jednostavno rečeno, objektno orijentiranom programiranju teško je povezati izvršenje objekta s kernelom ili procesorom kako bi se osiguralo njegovo paralelno izvršenje. To će znatno usporiti cjelokupni proces. Jedan objekt može postojati u prvih desetkopije, Ali to ne znači da bi postojanje svih trebalo pričekati da se postojanje prethodnog završi.

Klasteri i Distribuirani paralelizam

Moderno programiranje putem Interneta za rješavanje složenih i jedinstvenih problema nudi jedino moguće rješenje: ručni rad! Za svakodnevnu i komercijalnu upotrebu koriste se brojni i raznovrsni sustavi upravljanja lokacijom.

Karakteristična značajka programa Interneta:

• neopredelennost-
• mnozhestvennost-
• istovremenost.

Izrada web programer (obično tim programera) ne znam koliko posjetitelja će morati uzeti web resurs, ali zna za sigurno da su svi klijenti moraju osigurati istu stranicu i minimalno vrijeme odziva za bilo koju akciju.

Očigledna odluka: postavljanje stranice na skup poslužitelja ili klastera na teritorijalnoj osnovi, a zatim će svaka regija poslužiti određenom poslužitelju. No, moderna stranica ne samo daje informacije, već i koristi. Na primjer, internetska trgovina ne može prodati zrak, a ako je jedan proizvod kupljen u Moskvi, trebao bi nestati iz skladišta za potrošača u Vladivostoku.

Da bi distribuirana obrada informacija zapravo znači osigurati paralelno djelovanje iste funkcionalnosti na različitim poslužiteljima za različite skupine potrošača, pod uvjetom da se akcije potrošača odražavaju u sustavu i ne proturječe jedna drugoj.

U tom kontekstu, paralelno programiranje ima potpuno drugačije značenje. Ako ranije programer fokusira na mehanizam realizacije paralelizma bez imajući u vidu samu zadatak, ali sada razvijen je manje vjerojatno zabrinuti o tome kako provesti paralelno na razini opreme ili alata, on je zainteresiran za paralelizam na razini korisnika, to je problem sama, sama opseg webu -Resource.

Klaster, kao varijanta paralelne implementacije

Općenito je prihvaćeno da je klaster vrsta distribuirane paralelne obrade podataka. Ovo je skup računala povezanih brzim komunikacijskim vodovima.

Karakteristično je da se klaster može sastojati od različitih računala koja se mogu nalaziti na različitim mjestima na planeti, ali po definiciji: klaster je jedinstvena cjelina. sustav za upravljanje sadržajem, na temelju klastera ne dopuštaju komponente izravnu kontrolu klastera računala, ali oni pružaju skrivenu paralelni kontrolu svih procesa na razini promatranog problema.

Razvojni programer, koji radi s klasterima, može planirati i provesti vlastitu paralelnu funkciju paralelne obrade. Ovo je vrlo značajan napredak u suvremenom razvoju.

"Život" suvremenog objekta

Danas je vrlo teško pronaći web resurs koji se temelji na statičnim ili dinamičkim stranicama, potpuno oblikovanim. Moderno sučelje je zbirka dinamičkih stranica koje su ispunjene paralelno pomoću AJAX tehnologije.

Moderna dinamična stranica sastoji se od različitih sadržaja, svaki dio stranice može se preuzeti nezavisno, ovisno o ponašanju posjetitelja. U tom kontekstu, objektno orijentirano programiranje pokazuje da se ne otkrivaju svi njegovi potencijali.

Doista, ponašanje klijenta dovodi do zahtjeva poslužitelju da ažurira dio stranice. Upit se obrađuje, stvaraju se mnogi objekti, poslužitelj šalje rezultat natrag. Sljedeći upit ... ponovno masa objekata, opet se šalje rezultat. Zapravo, ispostavilo se da se s trenutnim pristupom poslužitelj "ne sjeća" što, kada i gdje je poslao. Na svaki poziv, on ponavlja minimalne potrebne radnje, stvara sve iste sustave predmeta.

Programer ne može promijeniti logiku poslužitelja, ali lako može oponašati svoj vlastiti poslužitelj na pristupačnoj fizičkoj razini. Dobit će posve nova kvaliteta distribuirane paralelne obrade informacija.

Vlastiti poslužitelj će zadržati potrebne objekte sustava u ažuriranom države, što uvelike ubrzava obradu zahtjeva iz obje jednoj stranici i na svim stranicama koje su otvorene oko internet prostora za određenu web resurs.