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基于骨架的并行编程环境中结构骨架库的研究

作　者: 许淳
导　师: 万剑怡
学　校: 江西师范大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 骨架并行结构骨架并行程序设计并行编程环境 XML C++模版
分类号: TP311.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 11次
引　用: 1次
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内容摘要

随着科学、技术和社会经济的发展,人们对计算机处理能力提出了更高的要求,特别是在基因工程、气象等大规模科学计算领域。理论上,问题的并行求解是一种有效的解决方案。然而,并行程序开发是比较困难的,其根本原因在于并行计算机体系结构的多样性。为了简化并行程序的开发,我们提出了一种基于两级抽象的三层并行编程模型,分别为抽象语言层、并行语言层和实现层。其中,抽象语言层属于设计阶段,并行语言层和实现层属于实现阶段。该模型可以将并行程序开发过程中的创造性工作和非创造性工作区分开来,创造性工作在抽象语言层由编程者完成,非创造性工作在并行语言层和实现层由机器完成,可以有效地降低并行程序编程难度和提高程序的开发效率。我们还对其支撑平台进行了有益的探索,骨架库是我们基于骨架的编程系统中的重要组成部分,骨架库的研究对于系统的实用性、可编程性和可扩展性方面具有重要作用。本文主要工作是对骨架库中的结构骨架进行深入的研究,主要包括以下几个方面的内容:(1)提出了一种并行骨架的抽象形式,通过对其进行扩展,可以形成各种结构骨架,如Singleton骨架、Farm骨架、Pipeline骨架、Taskqueue骨架。这样,一方面可以使得并行结构骨架之间的相互组合变得容易;另一方面也为算法骨架的实现提供了必要的条件。(2)对系统底层通信库MPI的调用接口进行了简化,以方便编程者进行性能调整。同时也使得编程者对特定骨架的通信特性有更清晰的认识。(3)对骨架描述方法进行了研究,提出了一种基于XML的通用骨架描述方法,并使用该方法对现有结构骨架进行了统一描述,以便更好地指导编程者,使其能较为准确地选择、比较和使用并行结构骨架。(4)在PC机群和MPICH组成的并行计算平台上对两个经典实例――数组求和及矩阵-向量乘法问题均进行了基于MPI、基于结构骨架的并行实现,并对它们的性能进行了评价。运行结果表明,基于结构骨架的并行程序开发方法在基本不损失性能的同时,降低了并行程序的开发难度,提高了并行程序的开发效率。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 研究背景和意义  8-9
  1.2 并行程序开发方法概述  9-11
    1.2.1 面向问题的并行程序开发  9
    1.2.2 面向算法的并行程序开发  9-10
    1.2.3 面向语言的并行程序开发  10
    1.2.4 三类方法的比较  10-11
  1.3 并行编程环境  11-14
    1.3.1 并行编程环境的分类  11-12
    1.3.2 主流并行编程环境  12-13
    1.3.3 主流语言的绑定  13-14
    1.3.4 并行编程环境的主要性能指标  14
  1.4 本文研究的内容及组织结构  14-15
  1.5 小结  15-16
第二章基于骨架的并行程序设计方法  16-26
  2.1 设计模式概述  16-17
    2.1.1 设计模式的概念与描述  16
    2.1.2 并行领域中的设计模式  16-17
  2.2 骨架概述  17-19
    2.2.1 骨架分类  17-18
    2.2.2 骨架组合  18-19
    2.2.3 骨架性能研究  19
  2.3 基于骨架的编程系统  19-21
    2.3.1 eSkel 系统  19-20
    2.3.2 Muskel 系统  20
    2.3.3 ASSIST 系统  20-21
  2.4 一种基于两级抽象的并行骨架编程系统  21-25
    2.4.1 主要思想及其编程模型  21-23
    2.4.2 系统的软件体系结构  23-24
    2.4.3 基于并行骨架的程序开发方法  24-25
  2.5 小结  25-26
第三章结构骨架库的分析与设计  26-40
  3.1 引言  26
  3.2 并行骨架  26-27
    3.2.1 算法骨架  26-27
    3.2.2 结构骨架  27
  3.3 结构骨架的分析与设计  27-29
    3.3.1 骨架库的总体结构  27-28
    3.3.2 结构骨架的抽象类图  28-29
    3.3.3 结构骨架类  29
  3.4 骨架的描述方法  29-32
    3.4.1 传统的描述方法  30
    3.4.2 基于XML 的描述方法  30-32
  3.5 结构骨架及其接口定义  32-38
    3.5.1 Singleton 骨架  32-33
    3.5.2 Farm 骨架  33-35
    3.5.3 Pipeline 骨架  35-36
    3.5.4 Taskqueue 骨架  36-38
  3.6 底层通信库的分析与设计  38-39
  3.7 小结  39-40
第四章结构骨架库的实现  40-48
  4.1 结构骨架库的主要目标  40-41
  4.2 结构骨架库的实现技术  41-42
    4.2.1 基于库的实现技术  41
    4.2.2 面向对象的技术  41-42
    4.2.3 泛型技术  42
  4.3 四种结构骨架的预实现  42-45
    4.3.1 Singleton 骨架  42-43
    4.3.2 Farm 骨架  43-44
    4.3.3 Pipeline 骨架  44
    4.3.4 Taskqueue 骨架  44-45
  4.4 底层通信库的实现  45-47
    4.4.1 SingletonComm 类  45-46
    4.4.2 FarmComm 类  46
    4.4.3 TaskqueueComm 类  46-47
  4.5 小结  47-48
第五章程序开发实例  48-57
  5.1 引言  48
  5.2 实验环境简介  48-50
  5.3 实例开发  50-56
    5.3.1 数组求和问题  50-52
    5.3.2 矩阵-向量乘法问题  52-56
  5.4 小结  56-57
第六章结论与展望  57-59
  6.1 本文工作总结  57
  6.2 进一步工作  57-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文  65

基于骨架的并行编程环境中结构骨架库的研究

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