并行計(jì)算應(yīng)用及實(shí)戰(zhàn)

前言

　　歷史發(fā)展歷程證明，人類總是在尋求最佳的問(wèn)題解決方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各科學(xué)及應(yīng)用部門(mén)對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴性越來(lái)越大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能也提出越來(lái)越高的要求，大規(guī)模的數(shù)值運(yùn)算早已不再是科研部門(mén)的專利，銀行、游戲娛樂(lè)行業(yè)等都成為大規(guī)模計(jì)算的重要客戶。在這樣的需求背景下，人們基于對(duì)下面兩方面的認(rèn)識(shí)，促成了并行計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。　　第一，芯片技術(shù)近幾十年的發(fā)展逐漸達(dá)到物理極限，芯片的量子效應(yīng)也開(kāi)始出現(xiàn)，想大幅度提高單個(gè)芯片的計(jì)算能力面臨很大的技術(shù)困難，而使用多臺(tái)處理機(jī)以一定方式連接起來(lái)共同求解一個(gè)問(wèn)題的并行計(jì)算機(jī)是解決大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。通過(guò)采用并行計(jì)算技術(shù)，可以使我們?cè)诂F(xiàn)有芯片制造技術(shù)的情況下快速提升計(jì)算能力，滿足日益發(fā)展的大規(guī)模計(jì)算需求。第二，同時(shí)性與并行性是客觀物質(zhì)世界普遍存在的屬性，很多計(jì)算問(wèn)題都可以劃分為能夠并行計(jì)算的多個(gè)子任務(wù)。　　并行計(jì)算是針對(duì)一個(gè)具體問(wèn)題，利用它內(nèi)在的并行性，設(shè)計(jì)并行算法，將其分解為相互獨(dú)立、但彼此又有一定聯(lián)系的若干個(gè)子問(wèn)題，再分別交給各個(gè)處理機(jī)，由所有處理機(jī)按照并行算法完成初始應(yīng)用問(wèn)題的求解。這是一種達(dá)到高性能計(jì)算的手段，能夠?qū)⒂?jì)算能力從單個(gè)處理器擴(kuò)展到多個(gè)處理器。在這里我們要和高性能計(jì)算這一概念相區(qū)別。高性能計(jì)算是指運(yùn)算速度快、性能高、處理能力強(qiáng)的一類計(jì)算機(jī)，它提供當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算能力，以支撐人們理解和解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。并行計(jì)算技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的一種主要方式?！　〔⑿杏?jì)算技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域從科學(xué)及工程應(yīng)用的計(jì)算模擬，到商業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘及事務(wù)處理等，并對(duì)這些領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。并行計(jì)算技術(shù)高效的處理能力極大地增強(qiáng)了人們進(jìn)行科學(xué)研究的能力，加快了把科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過(guò)程，推動(dòng)著當(dāng)代科學(xué)計(jì)算技術(shù)向縱深發(fā)展。并行計(jì)算技術(shù)現(xiàn)在已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)，讀者將能夠親身感受并行計(jì)算技術(shù)的魅力。　　從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)的并行計(jì)算專家先后出版了許多與并行計(jì)算相關(guān)的書(shū)籍，這些書(shū)籍介紹了并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)模型和并行算法設(shè)計(jì)，但很少對(duì)并行計(jì)算平臺(tái)（例如機(jī)群）的具體搭建、測(cè)試和監(jiān)控過(guò)程以及并行計(jì)算在其他先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)而詳細(xì)的介紹。為此我們編寫(xiě)了本書(shū)。本書(shū)適合具備一定計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、想在并行計(jì)算領(lǐng)域有所成就的讀者，特別適合從事并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員閱讀。讀者通過(guò)學(xué)習(xí)本書(shū)，不僅能夠了解并行計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且可以在有限的硬件條件下實(shí)現(xiàn)并行程序及并行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

內(nèi)容概要

　　《并行計(jì)算應(yīng)用及實(shí)戰(zhàn)》全面講述了從事并行技術(shù)研究及并行程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所需要的基本知識(shí)，包括并行系統(tǒng)的構(gòu)建、并行程序的設(shè)計(jì)、并行系統(tǒng)的性能測(cè)試、機(jī)群監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及并行算法設(shè)計(jì)。本書(shū)面向?qū)嶋H應(yīng)用、貼近實(shí)戰(zhàn)，使讀者能夠親身感受并行計(jì)算技術(shù)的魅力。　　本書(shū)可以作為從事并行技術(shù)研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的教師、研究人員和開(kāi)發(fā)人員的重要參考書(shū)，也可以作為高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生及研究生的并行技術(shù)課程的教材。

作者簡(jiǎn)介

　　王鵬，男，生于1975年，副教授、博士后、碩士研究生導(dǎo)師，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，高性能計(jì)算專委會(huì)委員，成都信息工程學(xué)院并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任。2004年于中國(guó)科學(xué)院獲計(jì)算機(jī)軟件與理論博士學(xué)位。2006年起在電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院小波國(guó)際研究中心從事博士后研究工作，現(xiàn)作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金一等資助和四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)椴⑿杏?jì)算，量子計(jì)算，數(shù)據(jù)挖掘及移動(dòng)搜索引擎。已發(fā)表論文50余篇，其中多篇被EI及SCI收錄。

書(shū)籍目錄

前言基礎(chǔ)篇第1章 引言1.1 并行計(jì)算的概念1.2 并行計(jì)算的發(fā)展歷程1.3 并行計(jì)算的應(yīng)用1.4 并行計(jì)算面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)1.5 人類對(duì)高速計(jì)算的探索第2章 并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)2.1 并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模型2.2 Beowulf機(jī)群2.3 并行機(jī)群網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)例第3章 PC機(jī)群的搭建3.1 安裝和配置基本Linux系統(tǒng)3.2 安裝NFS文件系統(tǒng)3.3 配置用戶環(huán)境文件3.4 配置ssh公鑰認(rèn)證3.5 安裝和配置MPICH3,6 并行環(huán)境配置中的疑難解析3.7 SHELL技巧在并行環(huán)境中的運(yùn)用3.8 采用VMware在單臺(tái)PC機(jī)上建立并行環(huán)境第4章 并行程序開(kāi)發(fā)——MPI編程4.1 MPI簡(jiǎn)介4.1.1 MPI的定義和特點(diǎn)4.1.2 MPI的發(fā)展過(guò)程4.1.3 MPI的語(yǔ)言綁定4.1.4 目前主要的MPI實(shí)現(xiàn)4.1.5 Linux的程序編輯器vi4.2 MPI并行編程知識(shí)4.2.1 MPI程序的基本結(jié)構(gòu)4.2.2 MPI常用函數(shù)4.2.3 MPI的錯(cuò)誤碼4.2.4 MPI程序的一些慣例4.3 MPI消息4.3.1 MPI消息的概念4.3.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的MPI消息傳遞例子4.4 MPI程序示例4.4.1 獲取數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間_4.4.2 計(jì)算兀值的MPI程序4.4.3 MPI的錯(cuò)誤退出方式4.4.4 數(shù)據(jù)的循環(huán)傳送4.4.5 非阻塞通信程序4.4.6 矩陣相乘的并行算法4.5 MPI中的組通信4.5.1 組通信概述4.5.2 廣播4.5.3 收集4.5.4 散發(fā)4.6 MPI綜合編程實(shí)例——快速排序算法的并行化4.6.1 串行程序的并行化方法4.6.2 快速排序算法原理4.6.3 快速排序法的并行化及MPI程序第5章 并行機(jī)群的性能測(cè)試5.1 機(jī)器級(jí)性能評(píng)測(cè)5.1.1 CPU5.1.2 存儲(chǔ)器5.1.3 通信開(kāi)銷5.1.4 機(jī)群的規(guī)?？蓴U(kuò)展性5.2 算法級(jí)性能評(píng)測(cè)5.2.1 機(jī)群加速比5.2.2 機(jī)群效率5.3 基準(zhǔn)程序級(jí)性能評(píng)測(cè)5.3.1 基準(zhǔn)測(cè)試程序的分類5.3.2 Linpack基準(zhǔn)測(cè)試程序5.3.3 其他基準(zhǔn)測(cè)試程序第6章 機(jī)群監(jiān)控6.1 機(jī)群監(jiān)控介紹6.1.1 本地化機(jī)群監(jiān)控……應(yīng)用篇第7章 并行數(shù)據(jù)挖掘第8章 并行遺傳算法第9章 并行迭代算法第10章 并行計(jì)算前沿附錄 PROC重要目錄及文件細(xì)解參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　引言　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與信息時(shí)代的到來(lái)，人們需要處理的數(shù)據(jù)量與日俱增，需要解決的問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。人類對(duì)計(jì)算能力的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于摩爾定律所能提供的芯片發(fā)展速度，通過(guò)提高單個(gè)處理器的運(yùn)算速度和采用傳統(tǒng)的串行計(jì)算技術(shù)已難以勝任。因此，迫切需要功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，并行計(jì)算機(jī)及并行計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為我們提供了一種實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算的方法?！　”菊聦⒔榻B并行計(jì)算的概念、發(fā)展、應(yīng)用和未來(lái)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)?！　?.1　并行計(jì)算的概念　　計(jì)算機(jī)處理技術(shù)從數(shù)據(jù)和信息處理、知識(shí)處理發(fā)展到今天的智能處理，每前進(jìn)一步，都要求增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的處理能力。計(jì)算機(jī)的發(fā)展史也表明，為了達(dá)到高效而快速計(jì)算的目的，除了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU等元器件的速度外，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)也必須不斷改進(jìn)，特別是當(dāng)元器件的速度達(dá)到極限時(shí)，設(shè)計(jì)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就成為問(wèn)題的焦點(diǎn)，量子計(jì)算、生物計(jì)算和并行計(jì)算成為人們解決高速計(jì)算新的方案，但只有并行計(jì)算技術(shù)才是目前最為現(xiàn)實(shí)的大幅提高計(jì)算速度的方法。另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多科研工作者越來(lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到“計(jì)算”已經(jīng)成為與理論分析和實(shí)驗(yàn)并列的第三種科學(xué)研究手段，許多科研工作已無(wú)法離開(kāi)高性能計(jì)算機(jī)的支持，并行處理與并行計(jì)算技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的有效途徑。　　在詳細(xì)討論并行計(jì)算之前，我們先來(lái)了解幾個(gè)重要概念?！　　げ⑿刑幚砑夹g(shù)是指在同一時(shí)間間隔內(nèi)增加操作數(shù)量的技術(shù)。我們可以形象地把并行技術(shù)看作由多個(gè)計(jì)算機(jī)共同完成同一個(gè)任務(wù)，從而提高完成任務(wù)的效率，縮短完成任務(wù)的時(shí)間。　　·并行計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱并行機(jī)）是為進(jìn)行并行處理所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。　　·并行計(jì)算（Parallel Computing）是相對(duì)于串行計(jì)算來(lái)說(shuō)的，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在并行計(jì)算機(jī)上求解問(wèn)題。現(xiàn)代大多數(shù)高性能計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)都離不開(kāi)并行技術(shù)。本書(shū)的主要內(nèi)容就是研究如何在并行機(jī)上完成指定的任務(wù)，求解指定的問(wèn)題?！　〔⑿兴惴梢苑譃閿?shù)值并行算法和非數(shù)值并行算法。數(shù)值并行算法是研究基于代數(shù)關(guān)系運(yùn)算的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題的并行算法，主要包括矩陣運(yùn)算、方程組的求解和數(shù)字信號(hào)處理等；非數(shù)值并行算法是研究基于比較關(guān)系運(yùn)算的符號(hào)處理問(wèn)題的并行算法，主要包括圖論問(wèn)題、數(shù)據(jù)庫(kù)操作和組合優(yōu)化等問(wèn)題?！　　　　?/pre>




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