11-第十一章-并行程序的性能优化-并行计算实践(共11章)介绍
并行计算的常见问题与性能优化方法
并行计算的常见问题与性能优化方法并行计算是一种使用多个处理器或计算机同时进行计算的技术。
它可以显著提高计算速度和效率，特别是对于大规模数据处理和复杂计算任务而言。
然而，并行计算也面临着一些常见的问题，包括任务拆分与负载均衡、数据同步与通信开销、共享资源冲突、性能瓶颈等。
本文将针对这些问题提出相应的性能优化方法。
任务拆分与负载均衡是并行计算中的一个重要问题。
在并行计算中，任务通常需要被拆分成多个子任务进行并行处理，但是如何合理地拆分任务并使得子任务的工作负载均衡是个挑战。
一个常见的优化方法是动态任务调度。
该方法根据每个处理器的工作负载实时调整任务的分配，以实现负载均衡。
还有一种方法是任务并行度自适应，即根据不同的数据量或计算复杂度自动调整任务并行度，以保持负载均衡。
数据同步与通信开销也是并行计算中的一个关键问题。
在并行计算中，多个处理器或计算机之间需要频繁进行数据交换和通信，而这些操作通常会引入较大的开销。
为了减少通信开销并提高性能，可以采用一些优化方法。
首先，可以尽量减少通信频率，比如将多个小规模的通信合并成一个大规模的通信。
其次，可以使用一些高效的通信模式，如异步通信和流水线通信，以减少通信延迟。
最后，还可以通过数据本地化和数据预取等技术减少数据在不同处理器之间的传输和交换。
共享资源冲突是并行计算中另一个常见问题。
在并行计算中，多个处理器或计算机之间可能需要共享访问某些共享资源，如内存、磁盘等。
然而，共享资源的访问可能会引发竞争和冲突，从而导致性能下降。
为了避免共享资源冲突，可以采用一些常用的方法。
一种方法是采用合适的同步机制，如锁、信号量等，来控制对共享资源的访问。
另一种方法是使用一些高级的并发数据结构，如无锁队列、无锁哈希表等，来减少对共享资源的竞争。
性能瓶颈是并行计算中一个非常关键的问题。
在并行计算中，性能瓶颈可能出现在不同的地方，如CPU计算能力、内存带宽、I/O性能等。
为了解决性能瓶颈问题，需要针对具体的瓶颈进行相应的优化。
并行计算概述PPT课件
• 第一篇 并行计算的基础 • 第一章 并行计算机系统及其结构模型 • 第二章 当代并行机系统：SMP、MPP和Cluster • 第三章 并行计算性能评测
• 第二篇 并行算法的设计 • 第四章 并行算法的设计基础 • 第五章 并行算法的一般设计方法 • 第六章 并行算法的基本设计技术 • 第七章 并行算法的一盘
桥
系统 I
节点 2
节点 N
SAN(e.g.Myrinet)
I/O总 线 ,系 统 总 线
接口
LAN(e.g.以 太 网 ,FDDI)
系统 II
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网络性能指标
• 节点度（Node Degree）：射入或射出一个节点的边数。在单向网络中， 入射和出射边之和称为节点度。
2
N / 2向）
4
2( N 1)
N
4
N 1
2N
4
2 N/2
2N
3 2loN g 1
1
非
N 1
是
N
非
2(N N)
非
2N
是
2N
非
N 1
星形
2
N N 1
超立方
N 2n
n
n
非 N / 2
是
N/2
N 1 nN/ 2
立方环
Nk2k
3
2k1k/2 N/(2k)
是
3N/ 2
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动态互连网络 (1)
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0010
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并行计算算法优化与性能分析
并行计算算法优化与性能分析随着计算机科学和技术的快速发展，计算任务的规模和复杂度不断增加，传统的串行计算已经难以满足处理大规模数据和高性能计算的需求。
并行计算技术应运而生，通过同时使用多个处理单元来执行计算任务，大幅提高计算性能和效率。
然而，并行计算并不是一种简单的将计算任务分配给各个处理单元并同时执行的方式。
为了发挥并行计算的最大潜力，我们需要优化并行算法，并对其性能进行全面的分析。
首先，优化并行计算算法是实现高性能并行计算的关键。
在设计并行算法时，我们需要考虑以下几个因素：1. 数据分布：对于需要进行并行计算的问题，我们需要合理划分输入数据，使之能够同时被多个处理单元处理。
数据划分的负载均衡是优化并行算法的一个关键要素，确保每个处理单元的计算工作量均衡，并最小化通信开销。
2. 通信开销：在并行计算中，不同处理单元之间需要进行数据交换和协同工作。
减少通信开销是提高并行计算性能的重要手段。
我们可以通过减少数据交换的次数和数据量，采用更高效的通信模式（如异步通信）等方式来降低通信开销。
3. 同步机制：并行计算的多个处理单元需要进行协同工作，确保各个单元按照正确的顺序执行。
同步机制是实现协同工作的关键，在设计并行算法时需要明确各个处理单元之间的依赖关系，并合理选择同步机制，以避免冲突和死锁。
其次，对并行计算算法的性能进行分析是进一步优化算法的关键一步。
性能分析可以帮助我们找到并行算法中的瓶颈和热点，从而有针对性地进行优化。
1. 时间复杂度分析：计算并行算法的时间复杂度是评估算法性能的重要指标之一。
通过分析算法的时间复杂度，我们可以了解算法的计算需求和时间开销，从而评估其是否满足实际需求。
2. 并行效率分析：并行效率衡量了并行计算的性能提升程度。
通过比较并行计算与串行计算的时间开销，我们可以评估并行计算的效率。
高并行效率意味着算法能够有效利用并行计算资源，提高计算性能。
3. 加速比分析：加速比是评估并行计算效果的重要指标，它衡量了并行计算相对于串行计算的加速程度。
并行计算的性能评估与调优
并行计算的性能评估与调优并行计算是一种重要的计算模式，通过同时执行多个计算任务，可以显著提高计算效率和性能。
然而，并行计算的性能评估与调优是一个复杂而关键的任务，它涉及到多个因素，包括任务划分、通信开销、负载均衡和并行度等。
本文将探讨并行计算的性能评估与调优方法，并分析其在实际应用中的效果。
一、并行计算模型在进行性能评估与调优之前，我们首先需要了解并行计算模型。
常见的并行计算模型包括共享内存模型和分布式内存模型。
共享内存模型是指多个处理器共享同一个物理内存空间，在这种模型中，各个处理器可以通过读写共享内存来进行通信和同步。
这种模型具有编程简单、通信效率高等优点，但也存在着负载均衡困难和竞争访问冲突等问题。
分布式内存模型是指每个处理器拥有自己独立的物理内存空间，在这种模型中，各个处理器通过消息传递来进行通信和同步。
这种模型具有负载均衡容易和数据共享困难等特点，但也存在着通信开销大和编程复杂等问题。
二、性能评估方法1. 任务划分任务划分是并行计算中的关键问题，它决定了计算任务如何被划分成多个子任务，并决定了子任务之间的依赖关系。
合理的任务划分可以最大程度地发挥并行计算的性能优势，提高计算效率。
常见的任务划分方法包括静态划分和动态划分。
静态划分是指在程序运行之前就确定好每个子任务的执行顺序和依赖关系，这种方法适用于计算量较大、依赖关系较固定的应用。
动态划分是指在程序运行过程中根据实际情况动态地调整子任务的执行顺序和依赖关系，这种方法适用于计算量较小、依赖关系较复杂的应用。
2. 通信开销通信开销是指在并行计算过程中由于数据交换而引起的时间和资源消耗。
通信开销对并行计算性能影响巨大，因此需要对其进行评估和调优。
常见的通信开销评估方法包括带宽和延迟。
带宽是指单位时间内可以传输的数据量，延迟是指数据传输的时间延迟。
通过评估带宽和延迟，可以确定通信开销的大小，并采取相应的优化措施，如增加带宽、减少延迟等。
3. 负载均衡负载均衡是指在并行计算过程中，将计算任务合理地分配给各个处理器，使得各个处理器的负载尽量均衡。
高性能计算的并行程序设计与性能优化
高性能计算的并行程序设计与性能优化概述：高性能计算在科学研究、工程模拟、数据分析等领域中起着至关重要的作用。
并行程序设计和性能优化是实现高性能计算的关键。
本文将介绍高性能计算的并行程序设计方法和性能优化技术，包括任务并行、数据并行和指令级并行等，并结合具体案例阐述如何通过这些方法实现高效的程序设计和性能优化。
一、任务并行任务并行是通过将计算任务分成多个独立的子任务来实现并行化。
这些子任务可以同时在不同的处理器上执行，从而提高计算速度。
任务并行可以通过使用并行编程模型（如OpenMP和MPI）来实现。
其中，OpenMP是一种基于共享内存的并行编程模型，适用于单节点的并行计算；MPI是一种基于消息传递的并行编程模型，适用于多节点的并行计算。
在任务并行的设计过程中，需要进行任务的划分和调度。
划分任务的原则是尽量均匀地分配计算量，避免任务之间的负载不均。
调度任务的原则是根据任务之间的依赖关系和通信开销来进行，以减少多个任务之间的等待时间。
任务并行的性能优化主要包括任务划分和负载平衡的优化。
任务划分的优化可以通过合理划分任务规模和调整任务粒度来实现。
对于负载不均衡的问题，可以通过动态调整任务的分配策略来解决。
二、数据并行数据并行是通过将数据划分为多个部分，并在不同的处理器上并行处理这些数据，从而提高计算速度。
数据并行适用于具有大规模数据和可重复计算的问题。
数据并行可以通过使用并行编程模型（如CUDA）来实现。
CUDA是一种基于GPU的并行编程模型，适用于数据密集型计算。
在数据并行的设计过程中，需要进行数据的划分和通信。
数据的划分需要保证划分后的数据块之间尽量保持均匀的数据量，避免数据之间的不平衡。
通信是指在不同处理器之间传递数据，包括数据的传输和同步等操作。
数据并行的性能优化主要包括数据划分和通信的优化。
数据划分的优化可以通过合理划分数据块的大小和调整数据块之间的依赖关系来实现。
对于通信的优化，可以采用非阻塞通信和数据预取等技术来减少通信开销。
高性能计算中的并行算法设计与性能优化
高性能计算中的并行算法设计与性能优化一、介绍在现代计算机领域中，高性能计算已经成为一项重要的技术，广泛应用于科学计算、天气预报、金融分析等领域。
高性能计算的关键在于利用并行算法设计和性能优化技术，以提高计算速度和效率。
本文将重点介绍高性能计算中的并行算法设计与性能优化的相关概念和方法。
二、并行算法设计在高性能计算中，通过将任务划分为多个子任务并行执行，可以实现计算资源的充分利用。
并行算法设计中的关键步骤包括任务划分、任务调度和通信协议设计等。
1. 任务划分任务划分是指将一个大的计算任务拆分为多个独立的子任务，每个子任务可以在不同的计算节点上并行执行。
任务划分应考虑任务之间的依赖关系和负载均衡，在保证任务间不发生数据依赖冲突的前提下，尽可能将任务划分为均匀的子任务。
2. 任务调度任务调度是指将划分好的子任务分配给不同的计算节点执行。
任务调度应考虑计算节点之间的负载均衡，以防止某些节点负载过重。
常用的任务调度方法包括静态调度和动态调度。
静态调度是在任务开始执行之前已经确定好的调度计划，而动态调度则是根据系统的实时状态进行调度。
3. 通信协议设计并行算法中的任务划分和任务调度都涉及到不同计算节点之间的通信。
通信的性能对算法的整体性能有很大影响。
通信协议设计需要考虑数据传输的带宽、延迟和拥塞等因素。
常见的通信协议包括MPI（Message Passing Interface）和OpenMP等。
三、性能优化方法性能优化是指通过改进算法和程序设计，以提高计算机系统的性能。
在高性能计算中，性能优化尤为重要，可以显著缩短计算时间和资源消耗。
1. 数据局部性优化数据局部性指的是在较短时间内对同一块数据的多次访问。
通过合理地设计算法和数据结构，可以增加数据的局部性，提高数据的缓存命中率，从而加快计算速度。
2. 向量化优化向量化是指将循环中的标量运算转换为向量运算，以利用处理器的SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令集并行处理多个操作。
Python中的性能优化和并行计算
Python中的性能优化和并行计算Python作为一种高级编程语言，以其简洁、易读、易学等特点受到了广大开发者的喜爱。
然而，在处理大规模数据和高性能计算时，Python的速度和效率往往不如其他编程语言。
为了解决这个问题，本文将探讨Python中的性能优化和并行计算的方法。
一、代码优化1. 使用适当的数据结构在编写Python代码时，选择适当的数据结构对于提高性能至关重要。
例如，使用字典（dict）而不是列表（list）可以在查找、插入和删除数据时更加高效。
2. 减少函数调用函数调用是有开销的，因此频繁调用函数会影响程序的性能。
可以通过内联（inline）一些小而简单的函数来减少函数调用次数，从而提高程序的执行效率。
3. 使用生成器（Generator）生成器是Python中一种特殊的迭代器，可以按需生成数据，而不是一次性生成所有数据。
使用生成器可以减少内存消耗，并且在需要时才进行计算，提高程序的性能。
4. 列表推导式和生成器表达式列表推导式和生成器表达式是Python中常用的简洁操作序列的方法。
它们可以将循环和条件语句合并到一行代码中，减少了代码的复杂性和执行时间。
5. 使用局部变量在循环中使用局部变量可以减少对全局变量的访问，从而提高程序的执行效率。
局部变量的访问速度更快，因为Python会先在局部作用域中查找变量，然后才会去全局作用域查找。
二、算法优化1. 减少循环次数循环是计算密集型任务中的性能瓶颈，因此减少循环次数可以有效提高程序的执行效率。
可以通过使用更高效的算法、减少冗余的计算和优化循环条件等方式来减少循环次数。
2. 缓存计算结果在某些情况下，一些计算结果是可以被缓存起来的，以避免重复计算。
例如，当函数的输入参数相同且函数的计算结果是确定的时，可以使用缓存方式来存储已计算的结果，下次需要时直接返回缓存的结果。
3. 使用向量化计算Python的NumPy库提供了高性能的向量化计算功能，可以通过简单的操作同时对整个数组或矩阵进行计算，而不需要使用循环。
并行计算技术的使用技巧与系统性能优化
并行计算技术的使用技巧与系统性能优化随着计算机技术的飞速发展，对于计算任务的要求也在不断提高。
传统的串行计算已经无法满足人们对于高性能计算的需求，因此并行计算技术应运而生。
并行计算技术是一种将计算任务划分成多个子任务并同时执行的方法，通过充分利用多个计算资源，显著提升计算效率。
本文将介绍并行计算技术的使用技巧以及系统性能优化的方法。
首先，学习并行计算的使用技巧是提高计算效率的关键。
并行计算可以分为任务并行和数据并行两种方式。
任务并行是指将计算任务划分成多个子任务，然后由不同的处理器同时执行。
数据并行是指将数据划分成多个子数据，然后由不同的处理器分别处理。
在任务并行中，合理分配子任务的负载是至关重要的。
应根据不同子任务的计算复杂度和依赖关系，将工作均衡地分配给每个处理器。
在数据并行中，数据的划分方式直接影响到并行计算的效率。
应根据不同的数据之间的依赖关系，将数据均衡地划分给不同的处理器。
此外，在并行计算中，合理地利用各个处理器之间的通讯是必不可少的。
应选择合适的通讯方式和通讯协议，并避免不必要的通讯开销。
其次，系统性能优化是提高并行计算效率的关键。
在并行计算中，应充分利用硬件资源，包括多核处理器、大容量内存和高速网络等。
合适的硬件配置可以极大地提升并行计算的性能。
在软件方面，编写高效的并行算法和并行代码是非常重要的。
应使用高效的数据结构和算法，减少不必要的计算量和数据访问开销。
此外，还可以通过调整程序的负载均衡和任务调度策略来提升系统性能。
应根据不同的计算任务特点，选择合适的负载均衡策略和任务调度算法，使得各个处理器的工作量均衡，并且减少任务之间的冲突和等待时间。
此外，针对并行计算中可能遇到的问题和挑战，还可以采用一些优化技术来提升系统性能。
例如，可以通过并行化IO操作来减少IO开销。
传统的串行IO操作会造成计算任务的阻塞，严重影响计算效率。
应采用并行IO技术，将IO操作分配给不同的处理器并行执行，减少计算任务的等待时间。
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任务调度的概念
并行计算中任务调度的分类 5. 抢占式调度和非抢占式调度
抢占式调度有时也称为联合调度 。 自适应调度（Adaptive Scheduling）：根据调度程序在以前 一段时间内的执行效果，以及当前系统状态信息（主要包括系统 资源和任务负载情况）自动修正调度程序的执行机制，由于它们 是通过收集当前系统状态信息来动态修正调度策略，所以一般都 是动态的。 非自适应调度（Non-adaptive Scheduling）：一旦确定任务 调这些调度策略来进行任务调度，即使某些不确定因素（如动态产 生的任务）使得调度效率比较底，那么也必须等到非执行状态 时，再来修正调度策略。
3. 共享存储结构调度和分布存储结构调度
共享存储 ：不考虑通信延迟，任务调度的着重点在于如何最 大限度地获得并行程序任务间的并行性。 分布存储 ：务调度时，通信延迟的存在使得任务调度更为复 杂，需尽可能利用各任务之间的并行性和尽量减少通信开销之间 进行折衷。
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
并 行 计 算
中国科学技术大学计算机科学与技术系 国家高性能计算中心(合肥)
2003年9月
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
调度问题的一般模型
构成调度问题的基本元素:即资源集、消费者集及这些资源为 这些消费者服务所依据的一定规则。 调度问题就是在满足资源集和消费者集约束条件的基础上， 设计一个有效的调度系统来管理消费者如何高效地使用这些资 源，并使得一些系统性能指标达到最优或近似最优
国家高性能计算中心（合肥）
6. 自适应调度和非自适应调度
任务调度的概念
并行计算中任务调度的模型
1. 应用程序任务 一个并行应用程序的性质可用(A,﹤,D,W)来刻画，其中 A={ak|k=1,2,…,n}为任务集；D={dij|i,j=1,2,…,n}是一个n×n的通 信矩阵，dij(≥0)表示任务ai传送给任务aj的数据量； W={w(ai)}，其中w(ai)表示任务ai的工作负载大小，在同构的并行 分布系统中，由于每个节点的计算能力（包括运算速度、内存大 小等）相同，所以也可以直接用w(ai)来表示任务ai的执行成本， 而在异构的并行分布计算环境下，相同负载在不同节点上的执行 成本是不相同的；“﹤”定义了任务间的偏序（Partial Ordering） 关系,“ai﹤aj”表示任务aj的执行依赖于任务ai的执行。
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
并行计算中任务调度的分类 1. 静态调度、动态调度和混合调度
静态调度（Static Scheduling）是指在并行程序编译时，就 决定每个任务的执行处理器及执行时序，它经常用于任务图比较 确定的情况下。 动态调度（Dynamic Scheduling）则是在并行程序运行过程 中，根据当前任务调度及系统执行情况，临时决定每个任务的执 行处理器及起始执行时刻。 混合调度（Hybrid Scheduling）是介于静态调度和动态调度 两者之间的调度方法，它在编译时先静态调度部分任务，而剩余 部分则采用动态调度方法在系统运行过程中来给它们分配处理器。
消费者集 （并行应用程序） 调度程序 策略 规则 资源集 （并行分布系统）
调度问题的一般模型
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
调度问题的一般模型
调度性能和调度效率是评价一个调度系统优劣程度 的两个方面。 调度性能（Scheduling Performance）通过性能 测试指标的取值来反映，它直接体现了调度结果的好坏。 调度效率（Scheduling Efficiency）主要指调度 系统本身的复杂度 .
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
并行计算中的任务调度
并行分布计算中的任务调度问题就是根据一定的调度规则和 调度策略，把组成并行程序的一组任务或构成工作负载的一组作 业，按照一定执行时序分配到并行分布系统的多个计算节点上， 以期取得较好的系统执行性能。
1. 任务调度与作业调度
任务层调度针对某个用户的构成单一并行应用程序的一组任 务（子任务），面向的一般是单应用程序系统，它的调度实体是 任务，调度目标一般就是求得某个作业最短的执行时间。 作业层调度针对若干个用户的多个并行应用程序构成的一组 作业 ，面向的一般是多应用程序系统，它的调度实体是传统批处 理意义下的作业，调度目标有很多，如最短的平均作业响
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
并行计算中任务调度的分类 2. 最优调度和启发式调度
最优调度一般是指静态调度，如果一个调度算法能在多项式 复杂度的时间内获得最佳调度结果，那么称之为有效的最优调度 算法。 经常采用启发式任务调度方法来把各任务调度分配到各处理 器上，它虽然不能确保获得最优解，但可以获得最优调度的近似 解。
应时间、最大的资源利用率或最大的系统吞吐率等。
国家高性能计算中心（合肥）
任务调度的概念
并行计算中的任务调度 2. 任务调度与任务划分
一般说来，在分布系统中一组任务相互间发生关系的方式有 多种多样，其中有一种是通信关系，在此情况下，如果两个任务 被分配到不同的处理器上，那么就产生以通信成本形式表示的通 信开销（Communication Overhead），反之，如果两个任务被分 配到相同的处理器上，那么就不产生任何通信开销，这种特殊的 任务调度我们称作任务划分（Task Partitioning）。 对于任务划分，我们通常用任务作用图TIG（Task Interaction Graph）来表示并行应用程序模型 对于任务调度，通常用带权有向图（Weighted Direct Graph）来表示并行程序模型 。
并行计算中任务调度的分类 4. 集中式调度和分布式调度
集中式调度 ：由一个叫作中心调度器的处理器来收集全局调 度信息，其它处理器把它们的状态信息传送给中心调度器，并由 中心调度器作出调度决定。优点在于实现比较简单，但在节点数 较多的大规模并行分布系统中，由于各节点与调度服务器的通信 成为瓶颈，调度开销比较大。 分布式调度 ：由各自处理单元的调度程序根据局部范围内的 一些调度信息来进行任务调度，优点在于具有良好的可扩放性 （Scalability）。