PARTE II: ALGORÍTMICA Tema 4. Divide y vencerás.
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PROGRAMACIÓN PARALELA Modelos de programación paralela Paradigmas de programación paralela • Tipos de paralelismo • Paso de mensajes • Paralelismo de datos • Memoria compartida Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 1 Tipos de paralelismo Las variaciones entre los paradigmas: • Diferencia de esfuerzo en escribir programas. Algunos lenguajes menos esfuerzo para el programador. Otros requieren menos trabajo pero generan un código menos eficiente. • Un determinado paradigma puede ser más eficiente que otro al programar sobre determinadas arquitecturas paralelas. • Distintas aplicaciones tienen diferentes tipos de paralelismo. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 2 Paralelismo implícito/explícito • Explícito : algoritmo paralelo debe especificar – El explícitamente cómo cooperan los procesadores. – La tarea del compilador es sencilla. La del programador es bastante difícil. • Implícito: – Un lenguaje de programación secuencial y el compilador inserta las instrucciones necesarias para ejecutar el programa en un sistema paralelo. – El compilador tiene que analizar y comprender las dependencias para asegurar un mapeo eficiente. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 3 Paso de mensajes/espacio de direcciones compartido Espacio de direcciones compartido: • El programa se ve como una colección de procesos accediendo a una zona central de variables compartidas. • Más de un proceso podría acceder a la misma zona compartida en el mismo instante produciendo resultados impredecibles. Los lenguajes proporcionan primitivas para resolver estos problemas de exclusión mutua. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 4 Paso de mensajes/espacio de direcciones compartido Paso de mensajes: • El programa es una colección de procesos con variables locales privadas y la posibilidad de enviar y recibir datos mediante paso de mensajes. • Los computadores de espacio de direcciones compartido también se pueden programar usando el paradigma de paso de mensajes. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 5 Paso de mensajes/espacio de direcciones compartido • Los lenguajes de programación para memoria compartida o paso de mensajes son normalmente lenguajes secuenciales aumentados mediante un conjunto de llamadas de sistema especiales. • Las llamadas producen primitivas de bajo nivel para el paso de mensajes, sincronización de procesos, exclusión mutua, etc. • El problema de estos lenguajes es la portabilidad entre arquitecturas. • Librerías como PVM, MPI, OpenMP, con primitivas independientes del computador. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 6 Paralelismo de datos/de control Paralelismo de datos: • Aplicaciones en las que los datos están sujetos a idéntico procesamiento. • Apropiado para máquinas SIMD. • También se pueden ejecutar en computadores MIMD. Se requiere sincronización global después de cada instrucción ⇒ código ineficiente. Solución: relajar la ejecución síncrona de las instrucciones ⇒ Modelo SPMD: cada procesador ejecuta el mismo programa asíncronamente. • Lenguajes de paralelismo de datos ofrecen construcciones de alto nivel para compartir información y manejar concurrencia. Programas más fáciles de escribir y comprender. El código generado por estas construcciones no es tan eficiente como el obtenido usando primitivas de bajo nivel. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 7 Paralelismo de datos/de control Paralelismo de control: • Ejecución simultánea de cadenas de instrucciones diferentes. Las instrucciones se pueden aplicar sobre la misma cadena de datos aunque normalmente se aplican a cadenas de datos diferentes. • Adecuados para MIMD ya que requiere múltiples cadenas de instrucciones. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 8 Paso de mensajes Extensiones básicas: Son extensiones en los lenguajes secuenciales para soportar el paso de mensajes. • Dos primitivas básicas de comunicación: SEND y RECEIVE. La forma general de send es: SEND (message, messagesize, target, type, flag) – message contiene los datos que se envían, – messagesize indica el tamaño en bytes, – target es la etiqueta del procesador o procesadores destino, – type es una constante con la que se distingue entre varios tipos de mensajes, – flag indica si la operación del SEND es bloqueante o no­ bloqueante. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 9 Paso de mensajes La primitiva RECEIVE lee un mensaje del buffer de comunicación en la memoria. RECEIVE (message, messagesize, source, type, flag) – messsage indica el lugar donde se almacenan los datos, – messagesize indica el número máximo de bytes a poner en mensaje, – source indica la etiqueta del procesador cuyo mensaje se va a leer, – type especifica el tipo de mensaje que se va a leer. Puede haber más de un mensaje en el buffer de comunicación de los procesadores fuente, – flag especifica si la operación de recibir es bloqueante o no bloqueante. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 10 Paralelismo de datos • Lenguajes de paralelismo de datos: facilitar al programador la tarea de expresar el paralelismo disponible en un programa de manera independiente de la arquitectura. • Características: – Se genera una sola cadena de instrucciones. – Ejecución síncrona de instrucciones. Más fácil escribir y depurar programas de paralelismo de datos puesto que los bloqueos son imposibles. – El programador especifica el paralelismo en el código. – Asocia un procesador virtual con una unidad fundamental de paralelismo. El programador expresa la computación en términos de las operaciones realizadas por los procesadores virtuales. – Permite que cada procesador tenga acceso a las posiciones de memoria de otros procesadores. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 11 Paralelismo de datos – Los compiladores para los lenguajes de paralelismo de datos deben mapear los procesadores virtuales en procesadores físicos, generar código para comunicar datos y esforzarse para la ejecución síncrona de instrucciones. – Los procesadores virtuales son emulados por procesadores físicos. Si el número de procesadores virtuales es mayor que el número de procesadores físicos, cada procesador físico emula varios procesadores virtuales. – Algunos lenguajes de paralelismo de datos contienen primitivas que permiten al programador especificar el mapeo deseado de los procesadores virtuales en los físicos. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 12 Paralelismo de datos • Ejemplo: C* Lenguaje de programación para paralelismo de datos. Extensión del lenguaje C, diseñado por Thinking Machines Corporation para el computador CM­2. Incluye un método para describir el tamaño y la forma de los datos paralelos y crear variables paralelas. Incluye operadores y expresiones para los datos paralelos. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 13 Paralelismo de datos • Variables: – variables escalares: idéntica a una variable ordinaria. Se asignan en el host. – variables paralelas: Se asignan en todos los nodos. Tienen tantos elementos como número de procesadores. Una variable paralela tiene una "forma" además de un tipo. Una "forma" es una plantilla para los datos paralelos, o sea una forma de configurar los datos lógicamente. Define cuántos elementos paralelos existen y cómo están organizados. Una "forma" tiene un número de dimensiones, rango, con un número de procesadores o posiciones en cada dimensión. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 14 Paralelismo de datos shape [1024] ring shape [1024][1024] mesh int flag int ring:a int mesh:b flag a b Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 15 Paralelismo de datos • C* no permite que el programador especifique explícitamente el mapeo virtual a físico. C* mapea los procesadores virtuales en procesadores físicos de forma que los procesadores virtuales vecinos se mapean en procesadores físicos vecinos. • C* permite especificar a través de qué dimensiones de la "forma" se hacen comunicaciones más a menudo. El compilador usa esta información para reducir costes de comunicación. • Después de que se ha especificado una forma, se pueden declarar variables paralelas de esa "forma". Las variables paralelas tienen un tipo, una clase de almacenamiento, y una forma. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 16 Paralelismo de datos • Operaciones paralelas – Si los operandos de una operación son escalares, el código C* es igual que el código C y la operación se realiza en el host. – Si los operandos son variables paralelas, x+=y donde x e y son variables paralelas. Esta asignación añade el valor de y en cada posición de la "forma" al valor de x en la posición correspondiente de la forma. Todas las sumas tienen lugar en paralelo. x e y deben ser de la misma "forma". x=a, donde a es una variable escalar, el valor de a se almacena en cada posición de x. Esto es similar a una operación de broadcast. a =[4]x es válida y asigna a a el valor de x de la cuarta posición de la forma. a+=x suma todos los valores de x y los almacena en a. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 17 Paralelismo de datos • Comunicación. C* soporta comunicación interprocesador: dos métodos de – comunicación en red: las variables paralelas del mismo tipo pueden comunicarse en patrones regulares. Es bastante eficiente. – comunicación general: el valor de cualquier elemento de una variable paralela se puede enviar a cualquier otro elemento aunque las variables paralelas no sean de la mismo "forma". Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 18 Espacio de direcciones compartido • Primitivas para asignar variables compartidas. Existen dos tipos de variables: compartidas (shared) y locales (private) • Primitivas para la exclusión mutua y sincronización. Una sección crítica contiene código que sólo puede ser ejecutado por un procesador en un momento determinado. Los lenguajes proporcionan llaves (locks) para ayudar al programador a cumplir la exclusión mutua en la ejecución de secciones críticas. Las primitivas de sincronización de barreras se usan cuando los procesos necesitan sincronizarse. Cada proceso espera en la barrera a los otros procesos, y después de la sincronización todos los procesos continúan con su ejecución. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 19 Espacio de direcciones compartido • Primitivas para la creación de procesos Se realiza mediante una llamada al sistema que crea procesos idénticos al proceso padre. Estos procesos comparten las variables declaradas "compartidas" por los procesos padre así como las llaves declaradas e inicializadas por los procesos padre. En la mayoría de computadores de espacio de direcciones compartido, esta operación se llama fork. Cuando todos los subprocesos terminan, se mezclan usando otra primitiva, normalmente llamada join. En vez de crear procesos al principio de la ejecución, podemos tener un solo proceso, llamado proceso maestro. Cuando el maestro necesita realizar una tarea en paralelo, crea un número predeterminado de procesos, llamados procesos esclavos. Cuando la tarea se completa, los procesos esclavos terminan y devuelven el control al proceso maestro. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 20 Compiladores paralelizantes • Programa secuencial. El compilador se encarga de paralelizarlo. • Normalmente en sistemas de memoria compartida. • Paralelizan bucles: dividen el trabajo en los bucles entre los distintos procesadores • Si puede haber dependencia de datos no paraleliza: para i=1 to n a[i]=b[i]+a[i­1] finpara • Se puede forzar la paralelización con opciones de compilación, o con directivas (OpenMP). • Generan ficheros con información de bucles paralelizados y no paralelizados, y el motivo. Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 21 Lenguajes paralelos de alto nivel • Primitivas que debería contener un lenguaje paralelo: – Paralelización de bucles, – Pipeline, – Crear grupo de procesos, … • Asociar a cada constructor (esqueleto) una función de coste. • Mapeo de los procesos generados en función de la función de coste. • Ejemplos Clik, UPC, Co­Array Fortran, mpC Librerías para campos específicos de trabajo • Desarrollar librerías para campos donde más se usa la computación paralela, con capacidades de autooptimización: el usuario llama a la rutina y esta decide cuántos y qué procesadores usar, la distribución de datos, … • Álgebra lineal, transformada rápida de Fourier, optimización… Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 22 Modelo PRAM • Computador con p procesadores, numerados de 0 a p­1 – cada uno con su índice de referencia – comparten un espacio único de direcciones de memoria – cada uno puede acceder en un tiempo constante a cualquier posición de memoria, comparten información a través de la memoria – comparten una única señal de reloj que permite ejecutar instrucciones de forma síncrona – Resolución de conflictos de acceso concurrente a una posición de memoria: • EREW (Exclusive Read­Exclusive Write) • CREW • ERCW • CRCW Diferentes posibilidades para resolver el problema de Programación Paralela escritura concurrente Paradigmas de programación paralela 23 Modelo PRAM: Multiplicación matriz­vector A b = x = xi = A(i)Tb calculado por P0 = calculado por P1 calculado por P2 calculado por P3 Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 24 PRAM EREW: Multiplicación matriz­vector En paralelo en cada Pk , k de 0 a p­1: n Si k=0 Para i=0 hasta p­1 m[i]=m n[i]=n-1 Para j=0 hasta n[0] B[j,i]=b[j] t[k]=m[k]/p Para i[k]=0 hasta t[k]­1 f[k]=i[k]+k*t[k] x[f[k]]=0 m t B n p m ... m n ... n nm/p ... m/p b ... b necesidad de crear vectores auxiliares, para los índices, los tamaños de los datos, el vector multiplicador..., para evitar referencias simultáneas Para j[k]=0 hasta n[k] x[f[k]]=x[f[k]]+A[f[k],j[k]]*B[j[k],k] Coste: 3nm/p+4m/p+2np+3p+2 Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 25 PRAM CRCW: Multiplicación matriz­vector En paralelo en cada Pk , k de 0 a p­1: t=m/p pueden ser índices distintos, Para i=0 hasta t­1 pero cada uno va por una fila distinta f[k]=i+k*t Coste: x[f[k]]=0 Para j=0 hasta n­1 x[f[k]]=x[f[k]]+A[f[k],j]*b[j] 3nm/p+4m/p+1 ¿Cómo sería en memoria distribuida? Programación Paralela Paradigmas de programación paralela 26
