Дипломная работа: Система автоматизации распараллеливания отображения на мультипроцессор

Кусок программы, заключенный между директивами PARALLEL и END PARALLEL, выполняется параллельно всеми нитями бригады (см. Рис. 3). Операторы программы, логически заключенные между этой парой директив, образуют, в терминологии OpenMP, лексическую (статическую) область действия соответствующей параллельной конструкции. Поскольку указанный блок программы может содержать вызовы подпрограмм, которые тоже могут выполняться параллельно, вводится понятие динамической области действия, который включает и подпрограммы, вызываемые из данного блока [3].

После завершения выполнения параллельной конструкции нити бригады синхронизируются, а выполнение продолжает только главная нить. Естественно, в программе может быть много параллельных конструкций; соответственно бригады нитей могут образовываться не один раз. OpenMP предусматривает возможность вложения параллельных конструкций (пар PARALLEL/END PARALLEL). Многие "ключи" (clauses) в директивах OpenMP позволяют указать атрибуты данных, действующие в период выполнения соответствующей параллельной конструкции.

По умолчанию, в параллельном регионе частными (приватными) являются индексы параллельных циклов DO, все остальные переменные, по умолчанию, общие. Однако это правило умолчания можно изменить, указав ключ DEFAULT(PRIVATE) или вовсе отменить, если задать DEFAULT(NONE). Счетчики фортрановских DO-циклов следует делать приватными (PRIVATE) для каждой нити бригады. Такие приватные объекты (простые переменные, массивы и т.д.) с точки зрения их обработки эквивалентны тому, как если бы для каждой нити имелась бы декларация нового объекта того же типа. Все ссылки на исходный объект в лексической области действия параллельной конструкции заменяются на ссылки на этот новый приватный объект.

Переменные, определенные как PRIVATE, при входе в параллельную конструкцию являются неопределенными для любой нити бригады. При использовании описателя FIRSTPRIVATE приватные копии переменных инициализируются данными из исходного объекта, существующего до входа в параллельную конструкцию. LASTPRIVATE отличается от параметра PRIVATE тем, что после выхода из цикла или из последней секции конечные значения, перечисленные в списке переменных, будут доступны для использования.

Директива THREADPRIVATE(список переменных) объявляет приватными в нитях параллельного региона переменные, описанные в программе. Директива указывается сразу после описания соответствующих переменных и не влияет на работу с ними вне параллельного региона. С ней связана директива COPYIN(список переменных)- для каждой нити параллельного региона создаются копии переменных, описанных в директиве threadprivate, копиям присваиваются текущие значения оригиналов. Имена, указанные в списках директивы threadprivate и параметра copyin, должны совпадать. COPING применяется с директивой parallel.

Существует возможность использования условного оператора: IF(cкалярное_логическое_выражение) .

Если этот ключ указан, то соответствующая параллельная область кодов будет выполняться несколькими нитями только при условии, что "скалярное_логическое_выражение" истинно. Например, указав IF(N.GT.1000), можно заставить компилятор породить такую программу, что во время выполнения проверяется размерность (N) и программа выполнялась бы параллельно, только если эта размерность достаточно велика - больше 1000. Это позволяет избегать распараллеливания при маленьких размерностях, когда оно может оказаться невыгодным из-за большой доли накладных расходов.

Важным компонентом стандарта OpenMP является набор подпрограмм времени выполнения и переменных окружения, задающих среду OpenMP:

? subroutineOMP_SET_NUM_THREADS(N) - ????????????? ????? ?????, ?????? N.? integerfunctionOMP_GET_NUM_THREADS() - ?????????? ????? ????? ? ???????.? integerfunctionOMP_GET_THREAD_NUM() -?????????? ????? "???????" ???? (?? ??????? ????????? ????? ???????) ? ???????.

Кроме указаний на распределение работ между нитями, OpenMP имеет директиву SINGLE/END SINGLE, которая разрешает выполнять заключенный в нее блок Fortran-программы только одной нити.

Для распараллеливания циклов существует директива DO (см. Рис. 4). В качестве "ключей" можно указать описатели PRIVATE(список), FIRSTPRIVATE(список), SHARED(список), ключ REDUCTION, а также ключи ORDERED и SCHEDULE.

Ключ SCHEDULE используется для указания дисциплины планирования выполнения цикла нитями и имеет вид: SCHEDULE(тип[,M])

Он указывает, каким образом итерации цикла будут распределены для выполнения между нитями бригады. В качестве параметра "тип" можно указать следующие:

· STATIC [,m] - блочно-циклическое распределение итераций: первый блок из m итераций выполняет первая нить, второй блок - вторая и т.д. до последней нити, затем распределение снова начинается с первой нити; по умолчанию значение m равно 1;

· DYNAMIC [,m] - динамическое распределение итераций с фиксированным размером блока: сначала все нити получают порции из m итераций, а затем каждая нить, заканчивающая свою работу, получает следующую порцию опять-таки из m итераций;

· GUIDED [,m] - динамическое распределение итераций блоками уменьшающегося размера; аналогично распределению DYNAMIC, но размер выделяемых блоков все время уменьшается, что в ряде случаев позволяет аккуратнее сбалансировать загрузку нитей;

· RUNTIME - способ распределения итераций цикла выбирается во время работы программы в зависимости от значения переменной OMP_SCHEDULE.

·

Еслив OpenMP-директиве END DO задано NOWAIT, вконцецикланитинесинхронизируются. Ключ REDUCTION директивы !$OMP PARALLEL DO обозначаетредукционнуюпеременную(см. Рис. 5).

В OpenMP имеется также возможность использовать сокращения, позволяющие объединять инструкции PARALLEL/END PARALLEL и DO/ENDDO в пару PARALLEL DO/END PARALLEL DO.

Директива SECTIONS (см. Рис. 6) используется для распределения работы между нитями в "неитерационном" случае. Ключи, как и ранее, могут указывать на тип переменных (PRIVATE, FIRSTPRIVATE и т.д.), а также содержать ключ REDUCTION. OpenMP-конструкция SECTIONS позволяет нескольким нитям выполнять параллельно обычный линейный участок программы на Фортране, разбитый на "секции" - блоки операторов языка. Эти секции могут содержать в себе, в частности, вызовы фортрановских подпрограмм.

Богатые возможности предоставляют средства OpenMP и для синхронизации. Соответствующие директивы позволяют, в частности, установить барьер (!$OMP BARRIER) или обеспечить синхронизацию (!$OMP ATOMIC), предохраняющую от одновременной записи несколькими нитями в одно и то же поле оперативной памяти. Это позволяет предотвратить ситуацию гонки. Другая полезная директива, о которой стоит упомянуть - это !$OMP FLUSH. Она заставляет в соответствующей точке программы получить "согласованное" между нитями состояние оперативной памяти (при этом переменные из регистров будут записаны в память, сбросятся буферы записи и т.д.). Пара директив MASTER: END MASTER выделяет участок кода, который будет выполнен только нитью-мастером. Остальные нити пропускают данный участок и продолжают работу с выполнения оператора, расположенного следом за директивой END MASTER. С помощью директивы CRITICALоформляется критическая секция программы. В каждый момент времени в критической секции может находиться не более одной нити (см. Рис. 7). Если критическая секция уже выполняется какой-либо нитью P0, то все другие нити, выполнившие директиву для секции с данным именем, будут заблокированы, пока нить P0 не закончит выполнение данной критической секции. Как только P0 выполнит директиву END CRITICAL, одна из заблокированных на входе нитей войдет в секцию. Если на входе в критическую секцию стояло несколько нитей, то случайным образом выбирается одна из них, а остальные заблокированные нити продолжают ожидание. Все неименованные критические секции условно ассоциируются с одним и тем же именем.

Директива ORDERED заставляет коды Fortran, заключенные внутри пары ORDERED/END ORDERED, выполняться в "естественном" порядке (в той, в которой итерации цикла выполняются при нормальном последовательном выполнении). Эта пара директив может присутствовать только в динамической области действия директивы DO (или PARALLEL DO), в которой указан ключ ORDERED. Такие директивы могут использоваться для организации печати в нормальной - скажем, по возрастанию счетчика цикла- последовательности [2].

1.3 Распараллеливание для OpenMP

Преобразование последовательной программы в параллельную – процесс нетривиальный, неоднозначный и неформальный. Распараллеливание в OpenMP- программу, в конечном счете, сводится к принятию решения по распределению нитей и вычислений и расстановке в текст программы соответствующих OpenMP-директив. Разные способы объявления данных, распределения вычислений и синхронизации нитей могут иметь разную эффективность, причем эффективность конкретного распределения может зависеть как от конфигурации системы, так и от размера задачи.

Из этого следует, что: