Visual Studio 2010并行计算概述
并行程序设计导论第四章课后题答案(2024)
2024/1/29
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目录
2024/1/29
• 课后题概述与解题思路 • 并行计算基本概念回顾 • 数据并行和任务并行编程技巧 • 同步与通信机制在并行程序中的应用 • 性能评价与调试方法分享 • 实例分析：典型课后题解答过程展示
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01 课后题概述与解题思路
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并行化设计
将程序中的可并行部分进行并行处理，利用多核CPU或分布式系统的 计算能力提高程序性能。
数据结构优化
根据问题的特点选择合适的数据结构，以减少内存占用和提高数据访 问效率。
代码优化
通过编译器优化选项、内联函数、减少函数调用等手段提高代码执行 效率。
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06 实例分析：典型课后题解 答过程展示
并行性能优化
通过分析并行程序的性能瓶颈，采用合适的优化策略，如减少通信 开销、提高缓存利用率等，提高并行程序的执行效率。
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04 同步与通信机制在并行程 序中的应用
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同步机制原理及作用
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同步机制原理
通过设定同步点或同步操作，确保并 行程序中的各个进程或线程在关键点 上达到一致状态，避免数据竞争和结 果不确定性。
重点复习并行程序设计的基本概念、原理和方法，理解并掌握相关术语和定义。通过对比和分析选项，找出 正确答案。
简答题
在理解基本概念的基础上，结合实际应用场景和问题背景，进行深入分析和思考。注意答案的条理性和逻辑 性，尽量用简洁明了的语言进行表述。
编程题
首先明确题目要求和目标，设计合理的算法和数据结构。在编写代码时，注意并行化策略的选择和实现，以 及同步和通信机制的处理。最后对程序进行测试和调试，确保正确性和性能。
VisualStudio各版本区别
Visual Studio各版本区别Visual Studio 97作为第一代Visual Studio，於1997年推出。
它包含当时大部份由微软推出的程式设计工具，包括Visual Basic 5.0、Visual C++ 5.0（主要用作视窗程式设计）、Visual J++ 1.1（用作Java 及视窗程式设计）及Visual FoxPro（用作xBase设计）。
它亦加入当时全新的Visual InterDev，使用ASP动能制作网站。
Visual Studio 97 是Microsoft 第一次嘗試对于多种语言使用同一种开发环境。
Visual J++、InterDev、和MSDN Library全都使用同一个全新的环境，名为Developer Studio。
Visual C++ 和Visual Basic 则是分开的，和Visual FoxPro 相似。
Visual Studio 6.0接下来的版本6.0在1998年6月发行，最后一个运行在Win9x机器上的版本。
所有部件的版号，包括Visual J++ 1.1及Visual InterDev1.0都归到6.0。
当微软集中.NET框架开发时，Visual Studio 6.0是微软开发系统这4年中的基础。
Visual Studio .NET (2002)支援.Net FrameWork 1.0。
微软在2002年发行了代号为“Rainier”的Visual Studio .NET（2001年在MSDN上发行过测试版）。
其最大的改进就是使用.NET框架引入了受控代码开发环境。
使用.NET开发的程序并不会像C++那样被编译为机器语言，而是被编译成一种叫做微软中间语言（MSIL）或者通用中间语言（CIL）的格式。
当一个MSIL应用程序被执行的时候，它会被即时编译成适用于所运行平台的机器语言，这样就使代码可以跨平台运行。
被编译成MSIL的程序只能运行在安装了通用语言架构（CLI）的平台上，而一些非微软.NET的环境，如Mono和DotGNU使得在Linux和Mac OS X上运行MSIL程序成为可能。
CPU-OpenMP和GPU-CUDA并行计算技术对矩阵乘法运算的加速效果分析
CPU-OpenMP和GPU-CUDA并行计算技术对矩阵乘法运算的加速效果分析张岩【摘要】本文对比了CPU-OpenMP和GPU-CUDA并行计算技术对不同阶矩阵乘法运算相对于CPU单线程计算的加速效果.结果表明,CPU-OpenMP并行的计算加速比与矩阵阶数无关,且低于所采用的线程数目.GPU-CUDA并行的计算加速比随矩阵阶数的增加显著增加,最大计算加速比可达570倍以上.相对于CPU单线程计算结果,CPU-OpenMP并行计算未产生误差,而GPU-CUDA并行计算会产生误差.结果表明,GPU-CUDA并行适合高阶数矩阵乘法的加速计算,而CPU-OpenMP 并行适合低阶数矩阵乘法的加速计算.【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2017(000)026【总页数】3页(P45-47)【关键词】矩阵乘法;并行计算;CPU-OpenMP;GPU-CUDA【作者】张岩【作者单位】北京师范大学附属中学京西分校高三1班,中国北京 100042【正文语种】中文【中图分类】TP391在信息化技术不断发展的今天，人们处在“大数据”时代。
由于数据量巨大，普通的串行计算方式计算效率低下，无法满足人们对数据进行快速处理的需求。
因此，如何能够提高计算机处理“大数据”的计算效率已成为人们日益关注的话题。
为了减少计算时间、提升计算效率，并行计算的出现成为解决上述问题的有效方法。
与普通的串行计算相比，并行计算将计算任务分配到计算机的多个处理器协同处理，从而提高计算效率。
随着并行计算结果的发展，并行算法也逐渐成熟。
目前，人们采用的并行计算技术大致可能分为两种：一是基于CPU(Central Processing Unit)多核多线程的并行计算；二是基于 GPU(Graphics Processing Unit)的通用并行计算。
对于CPU并行计算，根据并行粒度的不同可分为“共享式内存结构”和“分布式内存结构”[1]。
对于“共享式内存结构”的并行计算，OpenMP(Open Multi-Processing)作为该类型计算技术的代表，已被广泛应用于数据处理及科学计算中。
Visual Studio 2010是什么
Visual Studio 2010是什么？有什么用？Visual Studio 是微软公司推出的开发环境。
是目前最流行的Windows 平台应用程序开发环境。
目前已正式发布的是9.0 版本，也就是Visual Studio 2008，而在2008年12月份，一个振奋人心的信息传来：微软公布了下一代开发工具和平台“Visual Studio Team System 2010”以及.NET Framework 4.0的相关信息，并透露他们将在2009年底或者2010年正式发布。
正当我们兴奋之时，微软又趁热打铁，发布了Visual Studio 2010的社区技术预览版( Community Technology Preview，CTP)——Visual Studio 2010 CTP，心急的朋友们可先到微软的官方去下载。
目前RTM版的详细版本号是10.0.30319.1 RTMRel；.NET Framework 的详细版本号是: 4.0.30319 RTMRel。
Visual Studio 2010的新特性它将是经典的一个版本，相当于当年的6.0版。
而且它可以自定义开始页；新功能还包括：(1)C# 4.0中的动态类型和动态编程；(2)多显示器支持；(3)使用Visual Studio 2010的特性支持TDD；(4)支持Office ；(5)Quick Search特性；(6)C++ 0x新特性；(7)IDE增强；(8)使用Visual C++ 2010创建Ribbon界面；(9)新增基于.NET平台的语言F#；而根据微软发布的一份官方文档宣称，Visual Studio 2010和.NET Framework 4.0将在下面五个方面有所创新：·民主化的应用程序生命周期管理在一个组织中，应用程序生命周期管理(ALM)将牵涉到多个角色。
但是在传统意义上，这一过程中的每个角色并不是完全平等的。
Visual Studio 2010并行计算概述
Visual Studio 2010并行计算概述并行计算(Parallel Computing)是指同时使用多台计算机协同合作解决计算问题的过程，其主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。
图1：计算原理并行计算是相对于串行计算——即在单个计算机(具有单个中央处理单元)上执行的操作，所提出的。
具体的说，并行计算是在多台(并行)计算机上将一个应用任务分解成多个子任务，分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同，同时执行子任务的过程。
并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。
时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。
为执行并行计算，计算资源应包括一台配有多处理(或并行处理)机的计算机和一个与网络相连的计算机专有编号。
图2：(a)SIMD类型 (b)MIMD类型目前，对于并行计算的研究主要集中在空间上的并行问题上。
空间上的并行导致了两类并行机的产生，即单指令流多数据流(SIMD)和多指令流多数据流(MIMD)。
类似地，我们常用的串行机有时也被称为单指令流单数据流(SISD)。
在1972年诞生的第一台并行计算机ILLIAC IV就属于SIMD类型机器。
而自上个世纪八十年代以来，都是以MIMD并行计算机的研制为主。
常见的MIMD类的机器可分：并行向量处理机(PVP)、对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP)、工作站机群(COW)、分布式共享存储处理机(DSM)等五类。
并行计算机主要有以下四种访存模型：l 均匀访存模型(UMA)非均匀访存模型(NUMA)l全高速缓存访存模型(COMA)ll 一致性高速缓存非均匀存储访问模型(CC-NUMA)和非远程存储访问模型(NORMA)。
常见的基本并行算法有：划分法(partitioning)、分治法(divide-and-conquer)、流水线方法(pipelining)、随机法(randomization)、平衡树法(balanced-tree)、倍增发(doubling)、迭代法(iteration)等。
Visual Studio 2010系列之 与VS2008全面比较
Visual Studio 2010系列之与VS2008全面比较在前面的一系列文章中，我们详细介绍了Visual Studio 2010 CTP的各种新特性，包括IDE的改进，语言层面（托管代码和非托管代码）的种种新特性等等。
但是相信还是有很多朋友心存这样的疑问：任何新产品都会有很多新特性，为什么我要为了这些新特性而舍弃旧的Visual Studio 2008？(实际上她还很新，可以说才刚刚发布不久！)什么新特性是那“致命的诱惑”？有道是“不怕不识货，就怕货比货”，下面我们就将Visual Studio 2010跟最新的Visual Studio 2008做一个重点的比较，让大家从比较中体会Visual Studio 2010的强大优势，让大家明白“10 is new 6”。
Vista才发布不久，微软就放出了下一代操作系统Windows 7的消息；Visual Studio 2008发布还不到一年，下一代开发工具Visual Studio 2010的CTP就出现了。
刚刚发布就有下一代产品出现，从一个方面，这反映了技术的飞速发展，微软不得不不断推出新的产品以应对新技术的发展。
但是，从另外一个侧面我们也可以解读出这样的信息：Vista以及基于Vista的Visual Studio 2008都不够成熟，都是一个“失败”的产品。
如果说Vista是Windows 7的“Pre-Release”，相信大家都不会反对。
同样的道理，从目前的情形来看，Visual Studio 2008更像是Vista平台上，Visual Studio 2010发布之前的一个过渡版本，同样扮演着Visual Studio 2010的“Pre-Release”的角色。
图1 一对难兄难弟：Vista + Visual Studio 2008 O(∩_∩)O灵活高效的全新IDE自从微软于1998年发布Visual Studio 6以来，Visual Studio的IDE已经成为软件开发工具的标杆，很多其他的开发工具，甚至是其他用途的应用程序，都在模仿Visual Studio的IDE。
并行计算
VS2010中Parallel类实现并行计算本文来自IT168网站作者：陈良乔在本系列的第一篇文章“Visual Studio 2010对并行计算的支持”中，我们简要地介绍了微软为并行计算提供了完整的解决方案。
如果你是一个.NET程序员，同时又在进行并行计算方面的开发，那么即将发布的.NET Framework 4.0将是微软送给你的一份大礼。
在.NET Framework 4.0中，在库的层次上，微软提供了大量的新内容来帮助程序员完成应用程序的并行化，其中包括Parallel LINQ(PLINQ)，Task Parallel Library(TPL)和Coordination Data Structures。
这里我们就先来介绍一下最简单最常用的TPL。
将跟随Visual Studio 2010一起发布的.NET Framework 4.0将包含很多基于库的对并行计算的支持。
包括数据的并行化，任务的并行化等等，这一切都通过一个共同的工作调度器进行管理。
这些新的类型和类，将在System.Threading，System.Threading.Tasks，System.Linq，和System.Collections.Concurrent这些名字空间中提供。
通过这些新的类型和类，开发人员将无需面对如今复杂的多线程开发模式，而可以直接使用.NET Framework，更加高效简便地开发支持并行计算的应用程序，从而更加充分地利用多核CPU的优势，随着计算核心或者处理器的增加，以提升应用程序的性能。
而在.NET Framework中，Task Parallel Library (TPL)是其Parallel Extensions中一个重要组成部分，它提供了一种简便的多线程开发方式，通过它所提供的类或者函数，可以让程序员轻松地实现并行计算。
其中，最简单的就是它的Parallel类Parallel类Parallel类就是TPL中的一个用于支持并行计算的类。
微软Visual Studio 2010架构设计功能应用
微软Visual Studio 2010架构设计功能应用随着软件开发日趋国际化，对软件的质量要求和管理也随之增高。
微软看到了应用程序生命周期管理在业界逐渐被接受认可的趋势。
在微软VS2010（Visual Studio 2010 Ultimate）中，可以利用各种工具辅助每个关键环节进行管理（ALM）是其重要特性。
Vi sual Studio经过近十年左右的发展，已经不再是仅仅面向某一个角色（开发人员）的工具，而是要服务于软件开发过程中的所有不同的角色（开发人员、测试人员、架构师、项目经理等），使其覆盖在整个软件开发生命周期（SDLC）中，本文将重点讲述VSTS2010架构设计方面的新功能应用。
VS2010建模概述VS 2010在软件应用生命周期管理（ALM）中，在架构方面则是通过新的架构浏览器(Architecture Explorer)和架构层图(Architecture Layer Diagram)，以图形化的方式描述系统架构，从而使得项目中的技术人员或非技术人员都能以模型透过图形化的方式进行协作，以及定义企业与系统功能。
另外，VSTS 2010也同时支持统一建模语言(UML，Un ified Modeling Language)及特定领域语言(DSL，Domain Specific Language)，架构设计人员在VS2010中可以进行架构与建模设计，从而摆脱了传统使用非VS架构设计工具，使得设计师可以更有效率的进行.Net架构设计工作。
微软在最初的时候，项目中的技术人员使用一些单独的开发工具进行软件开发，例如架构师使用Rose进行架构设计，开发人员则使用Visual Studio进行编码。
同时，项目中的非技术人员则使用一些通用的项目管理工具进行项目管理，例如项目经理使用Project，Excel等制定项目计划，进行任务划分和分配等。
所以，在VS2010中的各个功能之间，彼此相互关联和互通也大大增强。
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Visual Studio 2010并行计算概述
并行计算(Parallel Computing)是指同时使用多台计算机协同合作解决计算问题的过程，其主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。
图1：计算原理
并行计算是相对于串行计算——即在单个计算机(具有单个中央处理单元)上执行的操作，所提出的。
具体的说，并行计算是在多台(并行)计算机上将一个应用任务分解成多个子任务，分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同，同时执行子任务的过程。
并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。
时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。
为执行并行计算，计算资源应包括一台配有多处理(或并行处理)机的计算机和一个与网络相连的计算机专有编号。
图2：(a)SIMD类型 (b)MIMD类型
目前，对于并行计算的研究主要集中在空间上的并行问题上。
空间上的并行导致了两类并行机的产生，即单指令流多数据流(SIMD)和多指令流多数据流(MIMD)。
类似地，我们常用的串行机有时也被称为单指令流单数据流(SISD)。
在1972年诞生的第一台并行计算机ILLIAC IV就属于SIMD类型机器。
而自上个世纪八十年代以来，都是以MIMD并行计算机的研制为主。
常见的MIMD类的机器可分：并行向量处理机(PVP)、对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP)、工作站机群(COW)、分布式共享存储处理机(DSM)等五
类。
并行计算机主要有以下四种访存模型：
l 均匀访存模型(UMA)
非均匀访存模型(NUMA)l
全高速缓存访存模型(COMA)l
l 一致性高速缓存非均匀存储访问模型(CC-NUMA)和非远程存储访问模型(NORMA)。
常见的基本并行算法有：划分法(partitioning)、分治法(divide-and-conquer)、流水线方法(pipelining)、随机法(randomization)、平衡树法(balanced-tree)、倍增发(doubling)、迭代法(iteration)等。
在当前并行计算机上，比较流行的并行编成环境可以分为三类：消息传递、共享存储和数据并行。
消息传递的典型代表是MPI，它是基于大粒度的进程级并行，具有最好的可移植性，几乎被当前流行的各类并行计算机所支持，且具有很好的可扩展性；共享存储的典型代表是OpenMP，它主要应用于SMP、DSM类的并行计算机上，可扩展性不如消息传递并行编程，不过这种方法并行编程难度较小；数据并行的典型代表是HPF，主要被SMP、DSM和 MPP类型的并行计算机支持，它的数据存储模式是共享存储，对数据分配方式属于半隐式，可扩展性介于前两种之间。