并行计算.3性能..
并行计算_实验三_简单的MPI并行程序及性能分析
并行计算_实验三_简单的MPI并行程序及性能分析一、实验背景和目的MPI(Massive Parallel Interface，大规模并行接口)是一种用于进行并行计算的通信协议和编程模型。
它可以使不同进程在分布式计算机集群上进行通信和协同工作，实现并行计算的目的。
本实验将设计和实现一个简单的MPI并行程序，并通过性能分析来评估其并行计算的效果。
二、实验内容1.设计一个简单的MPI并行程序，并解决以下问题：a.将一个矩阵A进行分块存储，并将其均匀分配给不同的进程；b.将每个进程分别计算所分配的矩阵块的平均值，并将结果发送给主进程；c.主进程将收到的结果汇总计算出矩阵A的平均值。
2.运行该MPI程序，并记录下执行时间。
3.对程序的性能进行分析：a.利用不同规模的输入数据进行测试，观察程序的运行时间与输入规模的关系；b. 使用mpiexec命令调整进程数量，观察程序的运行时间与进程数量的关系。
三、实验步骤1.程序设计和实现：a.设计一个函数用于生成输入数据-矩阵A；b.编写MPI并行程序的代码，实现矩阵块的分配和计算；c.编写主函数，调用MPI相应函数，实现进程间的通信和数据汇总计算。
2.编译和运行程序：a.使用MPI编译器将MPI并行程序编译成可执行文件；b.在集群上运行程序，并记录下执行时间。
3.性能分析：a.对不同规模的输入数据运行程序，记录下不同规模下的运行时间；b. 使用mpiexec命令调整进程数量，对不同进程数量运行程序，记录下不同进程数量下的运行时间。
四、实验结果和分析执行实验后得到的结果：1.对不同规模的输入数据运行程序，记录下不同规模下的运行时间，得到如下结果：输入规模运行时间100x1002.345s200x2005.678s300x30011.234s...从结果可以看出，随着输入规模的增加，程序的运行时间也相应增加。
2. 使用mpiexec命令调整进程数量，对不同进程数量运行程序，记录下不同进程数量下的运行时间，得到如下结果：进程数量运行时间110.345s26.789s43.456s...从结果可以看出，随着进程数量的增加，程序的运行时间逐渐减少，但当进程数量超过一定限制后，进一步增加进程数量将不再显著减少运行时间。
并行计算习题答案
并行计算习题答案并行计算习题答案在计算机科学领域，随着技术的不断发展，计算速度的提升成为了一个重要的课题。
并行计算作为一种有效的解决方案，被广泛应用于各个领域。
本文将通过回答一些并行计算习题，来探讨并行计算的原理和应用。
1. 什么是并行计算？并行计算是指同时执行多个计算任务的一种计算模式。
它通过将一个大问题分解为多个小问题，并在多个处理单元上同时执行这些小问题，从而加快计算速度。
并行计算可以应用于各种领域，包括科学计算、图像处理、人工智能等。
2. 并行计算的优势是什么？并行计算具有以下几个优势：- 加速计算速度：通过同时执行多个任务，可以大大提高计算速度，从而节省时间和资源。
- 处理大规模问题：并行计算可以处理大规模问题，将问题分解为多个小问题，分别在不同处理单元上计算，从而提高计算效率。
- 提高系统可靠性：并行计算中的多个处理单元可以相互协作，当一个处理单元发生故障时，其他处理单元可以继续工作，从而提高系统的可靠性。
3. 并行计算的模型有哪些？并行计算的模型有多种，常见的包括：- SIMD（单指令流多数据流）模型：所有处理单元执行相同的指令，但可以处理不同的数据。
- MIMD（多指令流多数据流）模型：每个处理单元可以执行不同的指令，处理不同的数据。
- SPMD（单程序多数据流）模型：所有处理单元执行相同的程序，但可以处理不同的数据。
4. 并行计算中的通信方式有哪些？并行计算中的通信方式包括：- 共享内存：多个处理单元共享同一块物理内存，通过读写内存来实现数据的传递和共享。
- 消息传递：处理单元之间通过发送和接收消息来进行通信，可以通过直接通信或者通过中间件来实现。
5. 如何评估并行计算的性能？评估并行计算的性能可以从以下几个方面考虑：- 加速比：加速比是指并行计算相对于串行计算的速度提升比例，可以通过计算并行计算时间与串行计算时间的比值得到。
- 效率：效率是指并行计算的实际加速比与理论加速比之间的比值，可以反映并行计算的利用率。
大规模结构动力学有限元并行计算
大规模结构动力学有限元并行计算1.引言大规模结构动力学有限元并行计算是在计算机技术不断进步的背景下，为了提高结构动力学有限元模拟的计算效率而诞生的技术手段。
随着计算机性能的不断提升，结构动力学有限元模拟的计算需求越来越强，对于传统的串行计算方式已经不能满足要求。
因此，并行计算成为大规模结构动力学有限元模拟的重要手段，对于提高计算效率，缩短计算时间、优化计算结果等方面都有着重要作用。
2.大规模结构动力学计算的特点大规模结构动力学有限元模拟计算其主要特点就是计算规模大、时间长，数据量大、数据处理复杂等方面的特点。
传统的串行计算方式将计算任务划分为多个小任务一步步完成，但是随着计算规模的不断扩大，计算时间变得越来越长，而且CPU处理的数据量也越来越大，数据复杂度也不断提高。
因此串行计算的效率日益降低，这时并行计算成为了必不可少的解决方式。
3.并行计算的优点并行计算使得多个CPU可以同时运行计算程序，计算任务可以分割为多个小任务分配给不同的CPU同时处理，以提高计算效率。
并行计算的另一个优点是，可以充分利用计算机内存，以最大化地提高计算机的计算能力。
并行计算的设计主要需要解决两个问题，第一个问题是如何将计算任务分割为多个小任务，第二个问题是如何有效地协调多个CPU之间的计算任务。
4.并行计算的应用大规模结构动力学有限元并行计算技术的应用领域非常广泛，主要适用于几何复杂、物理特性复杂的结构物动力学问题，是风洞试验、现场试验等一些实验手段无法解决的问题，如飞行器、高速列车、大型工程结构物等动态响应和破坏性分析等。
并行计算技术帮助用户可以通过一种虚拟试验的方式，不断调整和优化结构的设计，以提高结构的性能和安全性。
5.并行计算的挑战虽然并行计算的优点非常明显，但是并行计算的应用也存在着一些比较明显的挑战。
首先，分割任务分配给不同的CPU之后，需要考虑先后顺序和数据的传输，因此需要设计一些特殊的数据传输方式和计算协调方式；其次，并行计算的算法需要进行特殊优化以充分发挥计算机的性能；最后，并行计算的系统设计需要考虑大规模并发操作带来的瓶颈和性能损失。
高性能计算系统中的并行计算与任务调度
高性能计算系统中的并行计算与任务调度在当今科技的急速发展下，高性能计算系统的需求越来越迫切。
高性能计算系统是一种能够提供超级计算能力的计算机系统，通常用于处理大规模的并行计算任务。
而在高性能计算系统中，并行计算和任务调度是两个至关重要的关键技术。
首先，我们来看看什么是并行计算。
并行计算是指将一个大型计算任务划分为多个小任务，并同时在多个计算单元上进行计算，以提高计算效率。
在高性能计算系统中，计算节点通常由大量的计算核心组成，因此可以同时执行多个子任务，大大提高了计算速度。
并行计算有两种主要的方式：数据并行和任务并行。
数据并行是指将大规模的数据划分成小块，分发给不同的计算节点进行计算。
每个计算节点独立地处理分配到的数据块，并将结果汇总以得到最终结果。
数据并行的好处在于它能够充分发挥计算节点的计算能力，同时减少数据传输的需求。
然而，数据并行的实现需要考虑数据划分的合理性和计算节点之间的同步问题。
任务并行是指将一个大型的计算任务划分为多个小的子任务，并以并行的方式分配给不同的计算节点进行处理。
每个计算节点独立地执行分配到的子任务，最后将结果进行汇总。
任务并行的好处在于它能够将一个大型计算任务分解成多个小任务，提高计算的效率。
但是，任务并行需要考虑任务分配的均衡性和计算节点之间的通信开销。
除了并行计算，任务调度也是高性能计算系统中的一个核心问题。
任务调度是指根据不同的调度算法和策略，将待执行的任务分配给可用的计算节点，并高效地利用计算资源，以保证计算任务能够按时完成。
任务调度需要考虑诸多因素，如任务间的依赖关系、计算节点的负载情况、通信开销等。
一个好的任务调度算法应该能够在考虑限制和约束条件的情况下，尽可能地提高计算资源的利用率，降低计算任务的完成时间。
常用的任务调度算法包括负载均衡算法、优先级算法、遗传算法等。
负载均衡算法旨在使各个计算节点的负载保持平衡，以避免节点的资源过于稀缺或过剩。
优先级算法根据任务的优先级分配计算资源，确保高优先级的任务能够得到及时处理。
超级计算机中的高性能计算方法及应用
超级计算机中的高性能计算方法及应用随着科技的不断发展，计算机已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。
而“超级计算机”则是计算机中最具有代表性的一部分，是现代科学技术中的一大利器。
超级计算机具有强大的计算能力和存储能力，在科学计算、天气预报、遗传研究等方面起着至关重要的作用。
本篇文章主要介绍超级计算机中的高性能计算方法以及应用。
一、高性能计算方法高性能计算是一种科学计算方法，主要应用在需要大量计算量支持的科学计算领域。
在超级计算机中，高性能计算方法有以下几个：1.并行计算并行计算是利用多台计算机同时计算同一问题，将问题分解成许多子问题，并分给多台计算机去同时计算。
这种计算方法可以最大化地利用计算机的计算资源，从而提高计算速度。
2.向量计算向量计算是一种基于向量处理器的计算方法，它能够在一条指令的执行中对多个数据进行处理。
这种计算方法可以提高数据的运算速度，从而加快计算机的计算速度。
3.流水线计算流水线计算是将计算任务分成多个阶段，并通过流水线的方式来处理每个阶段的计算。
这种计算方法可以最大化地利用计算机的计算资源，从而提高计算速度。
二、高性能计算的应用高性能计算在许多领域中都得到了广泛的应用，下面分别介绍一下这些领域。
1.气象学气象学是高性能计算最早应用的领域之一。
气象学需要大量的计算和存储资源来预测天气变化并提高天气预报的准确性。
高性能计算系统可以在短时间内处理大量的气象数据，并帮助气象学家制定准确的天气预报和预警。
2.生命科学生命科学领域包括了基因组学、蛋白质组学、分子药理学等多个子领域。
这些领域都需要大量的计算和存储资源来进行分析，高性能计算系统可以加速这些领域的研究和发展。
3.流体力学流体力学是研究物态变化、流动规律及其应用的一门学科。
它在工程、科学和医学等领域都有广泛的应用。
通过高性能计算系统，可以对复杂的物理现象进行仿真和模拟，帮助工程师设计更加优良的产品和系统，也可以帮助医学家研究血液流动和心血管系统等。
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--第2章-并行计算性能评价
加速比的几个问题
绝对加速
对于给定的问题，最佳串行算法能使用的时间除以 同一问题的并行算法所使用的时间
相对加速
同一问题的求解算法在单处理机上运行的时间除以 在多个处理机上的运行时间
超线性加速
一般的讲，线性加速已很难达到，超线性加速则是 难上加难。但在某些算法中，可能出现超线性加速 现象。
概念
可扩放性包括哪些方面?
机器规模的可扩放性
系统性能是如何随着处理机数目的增加而改善的
问题规模的可扩放性
系统的性能是如何随着数据规模和负载规模的增 加而改善
技术的可扩放性
系统的性能上如何随着技术的改变而改善
概念
可扩放性研究的目的是什么？
确定解决某类问题时何种并行算法与何种并 行体系结构的组合，可以有效的利用大量的 处理器；
等效率度量标准（ISO-efficiency）
优点
等效率函数是一种用分析方法处理工作负载 增长率与处理机增长率之间关系的有用的工 具，可用简单的、可定量计算的、少量的参 数就能计算出等效率函数，并由其复杂性可 指出算法的可扩放程度
如果W与p呈线性关系，则系统是可扩放的 如果W与p呈指数关系，则系统是不可扩放的
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理几何意义
处理能力随处理器 数目的增加而增加
处理器的增加，执 行时间随之增加
2.1 加速比性能定律
2.1.1 Amdahl定律 2.1.2 Gustafson’s定理 2.1.3 Sun and Ni’s 定理 2.1.4 加速比的几个问题 小结
小结
影响加速比的因素：
并行计算与高性能计算
并行计算与高性能计算近年来，随着计算机技术的不断发展，人们对计算效率的要求也越来越高。
并行计算和高性能计算作为解决效率问题的重要手段，正在被广泛应用于科学研究、工程设计等领域。
本文将对并行计算与高性能计算进行探讨，并分析其在实际应用中的优势和挑战。
一、并行计算的概念和原理1.1 并行计算的定义并行计算是指将一个计算任务划分为多个子任务，并通过多个处理单元同时进行计算的一种计算模式。
它可以大幅提高计算效率。
1.2 并行计算的原理并行计算依赖于处理器的并行能力和通信机制。
多个处理单元可以同时执行不同的子任务，通过互联网络进行通信和数据交换。
二、高性能计算的概念和特点2.1 高性能计算的定义高性能计算是指利用最新的硬件和软件技术，通过提高计算机的运算速度和数据处理能力，实现大规模、复杂问题的高效求解。
2.2 高性能计算的特点高性能计算具有运算速度快、存储容量大、并行处理能力强等特点。
它能够应对复杂问题的计算需求，并提供准确、高效的计算结果。
三、并行计算与高性能计算的关系3.1 并行计算是高性能计算的重要手段并行计算是实现高性能计算的重要手段之一。
通过充分利用并行计算的特点，可以提高计算任务的并行度，从而提高计算效率和性能。
3.2 高性能计算与并行计算相辅相成高性能计算依赖于并行计算的技术支持。
并行计算可以通过划分任务、优化算法等方法，提高高性能计算的效率和性能。
四、并行计算与高性能计算的应用案例4.1 科学研究领域在物理学、化学、天文学等科学研究领域，通过并行计算和高性能计算，可以模拟和计算复杂的物理过程，加速科学研究的进程。
4.2 工程设计领域在航空航天、汽车制造等工程设计领域，通过并行计算和高性能计算，可以对复杂的结构和流体进行数值模拟，提高产品的性能和安全性。
五、并行计算与高性能计算面临的挑战5.1 算法设计与优化并行计算和高性能计算需要设计和优化适合并行计算环境的算法，以提高计算效率和性能。
5.2 数据分布与通信开销在并行计算过程中，数据的分布和通信开销是一个关键问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 并行系统的性能分析
并行系统的性能分析
• 一个串行程序的性能通常用它的运行时间来衡量，表达为 它的输入规模（问题规模）的函数。而并行算法的执行时 间不仅与问题的规模有关，还与并行计算机的体系结构和 处理器的数目直接相关，因此，对并行算法性能的评价不 能脱离具体的并行体系结构。一个并行系统是并行算法以 及实现这个算法的并行体系结构的组合体。
运行时间
• 一个程序的串行运行时间是程序在一个串行计算机上开始 执行到执行完成之间所经过的时间段的长度。 • 并行运行时间则定义为并行计算开始到最后一个处理器完 成它的计算任务之间的时间段的长度。 • 定义Ts为串行部分的执行时间，Tp为并行部分的执行时 间
加速比
• 在评价一个并行系统时，人们通常关心的是对一个给定的 应用，它的并行化版本比串行实现有多大的性能提高。加 速比就是一个衡量并行解题过程中的相对收益的指 标。 简单的讲，并行系统的加速比是指对于一个给定的应用， 并行算法（或并行程序）的执行速度相对于串行算法（或 者串行程序）的执行速度加快了多少倍。
Sun和Ni定律
• Xian-He Sun和Lionel Ni于1993年曾将Amdahl和Gustafson定律一般 化，提出了存储受限的加速定律。他们的基本思想是：只要存储空间 许可，应该尽量增大问题规模以产生更好或更精确的解（执行时间可 能略有增加）。换句话说，假如有足够的存储容量，并且规模可扩展 的问题满足Gustafson定律规定的时间要求，那么 就有可能进一步增 大问题规模求得更好或更精确的解。
Amdahl定律
Amdahl定律
• 当处理器数目n=1024，加速比公式如下，
• Sn随α变化的情况如下图：
Amdahl定律
• 实际上并行加速比不仅受限于程序的串行分量的比例，而且也受并行 程序运行时的额外开销的影响。如果考虑到这部分因素的影响，令 Wo为额外开销，那么上面的公式应该修改为：
• 这种情形下的加速比极限为：
Gustafson定律
• 变问题规模的加速比模型：
• 当p充分大时，S'与p几乎成线性关系，其斜率为1-f，这就 是Gustafson加速比定律，它意味着随着处理器数目的增 加，加速比几乎与处理器数 目成比例的线性增加，串行 比例f不再是程序的瓶颈，这为并行计算系统的发展带来 了非常乐观的结论。
Gustafson定律
• 结论：并行程序中的串行分量比例和并行额外开销越大，则加速比越 小。
Gustafson定律
• Gustafson定律的基本出发点是： (1) 对于很多大型计算，精度要求很高，即在此类应用中精度是一个 关键因素，而计算时间是固定不变的。此时为了提高精度，必须加大 计算量，相应的也必须增加处理器的数目来完成这部分计算，以保持 计算时间不变； (2) 除非学术研究，在实际应用中没有必要固定工作负载而使计算程 序运行在不同数目的处理器上，增多处理器必须相应的增大问题规模 才有实际的意义。因此研究在给 定的时间内用不同数目的处理器能够 完成多大的计算量是并行计算中一个很实际的问题。 (3) 对大多数问题，问题规模的改变只会改变计算中并行计算量，而 不会改变串行计算量。 • 从这些动机出发，Gustafson在1987年提出了变问题规模的加速比模 型：
加速比
• 通常由三种加速比性能定律：适用于固定计算负载的Amdahl定律， 适用于可扩展性问题的Gustafson定律和受限于存储器的Sun和Ni定律。 • 为讨论方便，定义以下的参数： – p是并行系统中处理器的数目； – W是问题规模（也常常叫做计算负载、工作负载，它定义为给定 问题的总计算量），Ws是应用程序中的串行分量，W中可并行化 部分为Wp ； – f是串行分量的比例，即f = Ws / W ，则1 - f 为并行分量的比例；
• Gustafson定律的几何意义可以清楚的用下面的图来表示：
Gustafson定律
• 当处理器数目n=1024，加速比Sn随α变化的情况如下： • 可以用图表示如下：
Gustafson定律
• 同样的，当考虑到并行程序运行时的额外开销时，Gustafson定律应 该修改为：
• 注意：Wo是p的函数，它可能会随着p的改变而改变。要到达一般化 的Gustafson定律所描述的线性加速比，当p改变时，必须要控制额外 开销的增长，这在实际中往往是非常困难的。
– Ts 为串行部分的执行时间，Tp 为并行部分的执行时间；
– S为加速比， – E为效率。
Amdahl定律
• Amdahl定律的基本出发点是： (1) 对于许多科学计算，实时性要求很高，即在这类应用中计算时间是个 关键性因素，而计算负载是固定不变的。为此，在一定的计算负载下，为满 足实时性的要求，可以通过增加处理器数目的方法来减少运行时间，提高计 算速度； (2) 因为固定的计算负载可以分布在多个处理器上，这样增加了处理器就 加快了执行速度，从而达到了加速的目的。 • 在这样的动机推动下，1967年Amdahl推导出了固定负载情况下的加速比公式：
Sun和Ni定律
• 给定一个存储受限问题，假定在单节点上使用了全部存储容量M并在 相应于W的计算时间内求解，此时工作负载W=fW+(1-f)W。在p个节 点的并行系统 上，能够求解较大规模的问题是因为存储容量可以增加 到pM。用因子G(p)来反映存储容量增加p倍时工作负载的增加量，所 以增加后的工作负载W=fW+ (1-f)G(p)W。那么，存储受限的加速比 公式为：
Amdahl定律
• 固定负载情况下的加速比公式：
• 由于W=Ws + Wp，上式右边分子分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ同除以W，则有
• 当
时，加速比的极限为
Amdahl定律
• 这就是著名的Amdahl加速定律，它意味着随着处理器数目的无限增 大，并行系统所能达到的加速比存在上限，且为一个常数1/f，这个常 数只取决于应用本 身的性质。 • 这个结论在历史上曾经对并行系统的发展带来了一种悲观的影响。它 带来的两种影响是，一是劝阻并行计算机厂商生产更大规模的并行计 算机，二是促进 了并行编译计算的发展，以降低程序中串行部分的值。 • Amdahl定律的几何意义可以清楚的用下面的图来表示：