可视化并行程序开发平台的设计与实现

２∞７年工程图学学报２∞７第１期ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＧＲＡＰＨＩＣＳＮｏ．１可视化并行程序开发平台的设计与实现刘晓平，王恩柱，郑利平，卫兴武（合肥工业大学计算机与信息学院可视化与协同计算（ｖｃｃ）研究室，安徽合肥２３０００９）摘要：从方便用户进行并行程序设计的角度出发，开发了一个基于图形的可视化并行程序开发平台。

该平台由３层构成：在应用层，用户通过图形的方式确定各进程间的通信关系；在进程层，使用平台提供的图标完成相应的程序设计；在代码层，通过代码产生器生成并行程序。

图形方式隐藏了并行机制，降低了并行程序设计的难度。

关键词：计算机应用；并行程序开发平台；图形抽象；并行计算；可视化中图分类号：ＴＰ３１１．５２文献标识码：Ａ文章编号：１００３一０１５８（２００７）０１一０１２９一０５ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ０ｆａⅥｓｕａｌＰａｒａｌｌｅｌＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＰｌａｔｆ；Ｉ口ｒｍＬＩＵＸｉａｏ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＥｎ—ｚｈｕ，ＺＨＥＮＧＬｉ—ｐｉｎｇ，ＷＥＩＸｉｎｇ—ｗｕ（ＶＣＣＤｉＶｉｓｉｏｎ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏⅡｎａｔｉｏｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉ够ｏｆｌｂｃｈｎ０１０９ｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏＶｅｔｈｅｐａｍｌｌｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｅｎＶｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｕｓｅｒｓ，ａＶｉｓｕａｌｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏ伊ａｍｍｉｎｇｐｌａｔｆｏｍｂａｓｅｄｏｎｇｒ叩ｈｉｓｄｅＶｅｌｏｐｅｄ．Ｔｌｌｅｐｌａｔｆｏｍｉｓｍａｄｅｕｐｂｙ衄ｅｅ１ａｙｅｒｓ：ｕｓｅｒｃａｎｅｘｐｒｅｓｓａｐａｒａｌｌｅｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔ０ｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｐｍｃｅｓｓ’ｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｉｒｓｔ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｌａｙｅｒ；ｃａｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｉｔｈｉｃｏｎｔｏａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｐｒｏ铲ａｍｍｉｎｇｏｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐｒｏｃｅｓｓｌａｙｅｒ；ａｎｄｃａｎｏｂｔａｉｎｐａｒａｌｌｅｌｃｏｄｅｂｙｃｏｄｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｎｔｈｉｒｄｃｏｄｅｌａｙｅｒ．Ｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｈｉｄｅｄｂｙ鲫ｈａｎｄｉｃｏｎ，ｓｏｉｔｍａｋｅｓｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｅａＳｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏＩｎｐｕｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏ铲ａｍｍｉｎｇｐｌａｔｆ－ｏ瑚；ｇｒａｐｈａｂｓ仃ａｃｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ随着科学技术的发展，人们逐渐认识到单机性能不能满足大规模科学与工程计算的要求，高性能计算机是实现高性能计算，解决挑战性计算问题的唯一途径。

高性能并行计算机的研制和应用水平的提高，一直是各国家共同追逐的目标，收稿日期：基金项目：作者简介：已经成为衡量一个国家科技、经济和国防综合实力的重要标志‘¨。

但是，并行计算的发展却存在着一定程度上的不平衡，这表现在：并行计算软件的发展落后于并行计算体系结构的发展，并行计算的运用落２００６一０７—２４国家自然科学基金资助项目（６０５７３１７４）：安徽省教育厅自然科学研究资助项目（２００４ｋｊ０９７）；安徽省高等学校青年教师科研资助计划项目（２００５ｊｑｌ０１４）；合肥工业大学研究生教育创新实践基地资助项目刘晓平（１９６４一），男，山东济南人，教授，主要研究方向为ｃＡＤ／ｃＧ，并行计算。

工程图学学报后于并行计算技术的发展。

因而大力发展并行计算软件和大力推广并行计算的应用成为研究的热点。

并行程序设计涉及到任务的划分、处理机的分配与映射、处理机问的通信与同步等问题，与串行程序设计相比要复杂得多，这是造成并行计算发展不平衡的一个重要原因。

当前主要的消息传递软件系统有：ＭＰＩ【２｜、ＰｖＭ【３Ｊ等，这些并行软件主要解决系统核心的底层问题，尽管考虑了应用程序的接口，但易用性仍然不够。

目前并行程序设计可以分为两类，一类是基于共享内存，另一类是基于消息传递；不论哪一种，对非专业人员来说，开发并行程序是困难的。

对于中、低端高性能计算用户的计算量通常没有高端用户那么大，因此，他们并不单一地追求程序的运行效率。

由于没有对并行机理和多机通信方式进行深入的理解，他们更加关注于并行用户环境的易用性和编程过程的简单性【３Ｊ。

并行用户环境是并行计算机用户的工作平台，它直接影响到高性能计算机的应用和推广。

因而开发出简单易用、界面友好的并行程序设计环境必将促进并行计算的普及和推广【４】。

该文基于消息传递机制设计实现了一个网络环境下的可视化并行程序开发平台。

１平台功能及特点１．１平台功能描述整个平台通过抽象出的图形和图标对用户隐藏了并行机制，所谓图标就是把进程层抽象出的用来表示控制流的图形符号。

用户通过该环境的图形界面方式完成并行程序的本地编辑、远程提交，然后在服务器端的高性能计算机进行编译和运行，服务器在计算完毕之后把结果反馈给客户端，整个过程对用户完全透明，用户不必关心并行程序具体的运行方式和远端计算服务器的软硬件环境。

可视化编程具有的所见即所得的特点可以使用户在使用计算机时直接面向问题域，而不用花更多精力去学习编程语言，特别是对于非专业用户能更方便地使用计算机解决他们领域内的问题。

平台对用户来说完成的是图形、图标及串行代码的编辑，通过代码产生器自动产生基于ＭＰＩ的并行Ｃ代码及并行Ｆｏｒｔｒａｎ，通过该平台提供的远程提交模块实现与远程高性能计算机交互。

１．２平台特点（１）图形隐藏并行机制实现图标和源代码的绑定，由图形隐藏底层消息传递系统（ＭＰＩ）的实现细节。

使用直观的图形界面辅助用户设计并行程序，用户只需关注整个程序的结构，通过图形描述整个程序的并行性，而串行部分则由用户自己完成。

（２）逐步求精的编程过程所实现的编程平台具有层次式设计思想，从上到下分为３层，应用层编程，进程层编程，代码层编程，平台中的３层设计结构是一个逐步求精的过程，它们互相补充，共同完成并行程序的设计和开发。

（３）图形和图标的抽象在应用层用图形从功能和逻辑上来表达并行机制，在进程层用抽象出的图标来表达程序结构，通过这些图标可以构造一段程序。

（４）并行代码的自动产生用户通过３个层次的编辑和串行代码的编写，平台能自动产生基于ＭＰＩ的并行代码。

（５）远程提交与计算的安全性系统能保证Ｃ１ｉｅｎｔ和Ｓｅｒｖｅｒ之间传输数据的安全性，能提供稳定的网络环境，方便本地用户访问远端计算机上的计算资源。

２平台构架及实现平台采用面向对象的思想进行分析、设计和开发，按照功能模块可以分为以下两个部分：并行程序编辑模块和远程提交计算模块，而并行程序编辑模块又由以下几部分组成：应用层编辑器、进程编辑器和代码产生器。

平台并行程序编辑模块在面向对象的基础上又采用层次式设计思想。

整个程序的编程从上到下分为３层：应用层编程、进程层编程和代码层编程。

环境中的３层设计结构是一个逐步求精、细化的过程，它们互相补充，共同实现并行程序的设计、开发和最终代码的产生。

其中，远程提交计算模块采用Ｃ／Ｓ方式实现。

２．１应用层编辑器（１）应用层功能第１期刘晓平等：可视化并行程序开发平台的设计与实现应用层是平台并行程序编辑模块的最高一层，进程、遥信端蜀霸通信信道都是在这一层完成定义，因此，对用户来说，必须清楚对实际问题如何接象和分勰。

焉在应瘸层所完成的工｛乍只是功能和逻辑上的，不涉及具体的实现，进程的具体实现和整个应用程序的并行机制在这一层被隐藏了。

在这一层用户通过对进程，通信端口，通信信道进行编辑可以定义并行程序的整体逻辑框架，以图形的方式显示并行程序的整体逻辑结构，例如进程的个数，进程间通信的信道个数，端口的个数，并行的方式（例如主从式，管道）等。

实际上，应用层主要的功能是将并行程序的整体逻辑框架用院较壹观的图形表示出来，如图１所示。

图ｌ应鼹层编援视图（２）应用层实现在应瘸层抽象出以下几个类：应用类（ＣＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ），进程类（ＣＰｒｏｃｅｓｓ），端口类（ＣＰ似）基类和信道类（ＣＣｈａｎｎｅｌ）。

应用类是对实际可并行问蘧的赫象；进程类是对一个可并行的实际闽题分解为若干个子问题或子任务的抽象，在应用层中用一个较大的矩形框来表示一个进程；端口类是对子任务间通信数据的抽象，在应用层中用一个小的矩形框来表示一个端口，由于通信的数据分为输入和输潮两穗情况，在实现中焉不同的颜色来表示通信输入端口和通信输出端口；信道类是对子任务闻如何通信酶撼象，在应用层中用一条带箭头的线表示，从输出端口开始指向输入端口。

２．２进程编辑器（１）进程层功能进程层楚编辑模块的中闻层，这一层是壶许多类型的图标组成的图形层次结构，主要处理图形的清息通信部分穗进程内部麴控制流图。

其关键是实现接收和发送数据的代码映射，用户不需要知遵消息函数的具体含义，只需将一个个图标放到进程的控制流图中，然后搬定变量发送到哪里或指定接收的数据存放到哪照即可，并不需要写完整的逶信代码。

（２）进程层实现在进程层捶象毒戬下凡个类：线类、顺序类、选择结构类、循环结构类和通信活动类，它们都是进程层图标的抽象。

由于有很多相似的满性和方法，故可建一基类ｃＢａｓｅ，馒它们从ｃＢａｓｅ类派生。

而通信活动又分为通信输入，通信输出和通信选择输入，因此通信活动类又派生出逶信活动输入类、通信活动输出类和通信活动选择输入类。

遴程篡类间逻辑结构东图２所示。

通信活动输入类通信活动输出类选择通信活动输入类图２进程层类结构工程图学学报２００７年进程的内部结构由表示控制流的各种图标表示，进程层的图标主要有以下几种：顺序结构（ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ仃ｕｃｔｕｒｅ），用于表达程序中的串行代码，串行代码在串行图标属性对话框中定义。

循环结构（１００ｐｓｔｍｃｍｒｅ），用于表达程序中的任何形式的循环，包括ｆｏｒ、ｗｈｉＩｅ和ｄｏ—ｗｈｉｌｅ结构。

该图标由两个像括号一样包围循环体的箭头组成，循环条件在循环属性对话框中定义。

选择结构（ｓｗｉｔｃｈｓｔｍｃｔｕｒｅ），该图标用于表达像ｉｆ和ｓｗｉｔｃｈ的条件结构，条件表达式在选择属性对话框中定义。

通信输入（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｐｕｔ），通信输入图标通过输入端口执行输入操作，通过相应的端口定义。

通信输出（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｕｔｐｕｔ），通信输出图标通过输出端口执行输出操作。

通信选择输入ｆｃｏｍｍｕｌｌｉｃａｔｉｏｎａｌｔｅｍａｔｉｖｅｉｎｐｕｔ）通信选择输入图标在若干个输入端口中选择一个执行输入操作。

在最简单的情形下，通信图标由一个主图标和一个附属图标组成：主图标代表通信的发送或接收动作，附属图标表示进程的端口。