A hagyományos számítógépes feladat-megoldási módszerek sok területen elégtelennek bizonyultak, ezért próbálnak napjainkban új utakat keresni a problémák megoldására. Ezek egyik fajtája a párhuzamosság felhasználása.

A felhasznált megoldást két irányból is megvizsgálhatjuk: milyen feladatfajtát old meg, illetve milyen modellt használ a feladat megoldásához.

A párhuzamos megoldások igénye következô problématerületeken jelentkezett:

Az elsô ezek közül a futási idô csökkentése volt. Ezen a területen nagyon sok fajta megoldás létezik a különbözô párhuzamos módszerek felhasználása terén. Ezek a módszerek a problémák megoldásának szinte minden szintjén felfedezhetôek a mikroprocesszorok belsô felépítésétôl kezdve, a magas szintû programozási nyelvekig.
Következô terület a feladat típusa alapján történõ munkamegosztás, a speciális feladatok elosztásai. Ez is tág terület hiszen az I/O processzorok és a CPU közötti munkamegosztástól a különbözô kliens/szerver alkalmazásokig sok minden ide sorolható.
A harmadik feladatosztály a hibatûrô képesség, illetve megbízhatóság növelése.

Ezek a feladatok a megoldásának keresése során hasonló problémákat vet fel, amelyek a különbözô absztrakciós szinteken hasonló modellekkel írhatóak le.

A párhuzamos modellek fô osztályozási szempontjai az absztrakciós szintektôl függetlenül:

párhuzamosság típusa: taszk, vagy adat párhuzamosságot támogat
szinkronizációs, kommunikációs eszközök (ezek inkább a kommunikációs eszközök típusai, hiszen ezek felhasználhatóak szinkronizációra is)

Ezek a szempontok persze az adott szinten más-más irányba finomíthatóak.

1.2 Hardware

A fentiekben leírt feladatosztályok megoldására nagyon sok speciális hardware megoldás született.

A futásidô gyorsítására a párhuzamosságot elôször a hetvenes évek végén megjelent szuperszámítógépeket kell megemlíteni. Ezek vektorprocesszorokat használtak, amellyel azonos mûveleteket lehetett elvégezni nagy mennyiségû adaton. Ez a megoldás fôleg speciális problémák megoldására, nagy mennyiségû adaton végzett mûveletekre használható. (pl.: Cray-1, Los Alamos National Laboratory, 1976)

A következô lépést a RISC processzorok megjelenése jelentette, amelyekben az utasításonkénti fix hosszúsági végrehajtási idô nagyon megkönnyítette a processzorokon belüli elemi utasításonkénti párhuzamos végrehajtást.

Ez a módszer manapság már majdnem minden mikroprocesszorban jelentkezik. Az processzorokban többszörözött feldolgozó egységek vannak, amelyek az elemi utasítások szintjén párhuzamosítják a szekvenciálisan írott programokat.

Ennek a módszernek persze vannak korlátai hiszen egy hagyományos program utasításai nem párhuzamosíthatóak tetszôleges mértékben.

Hasonló fejlôdés figyelhetô meg a számítógépek makro-architektúrájában is.

Eleinte a futásidô csökkentésére egyre nagyobb sebességû processzorokat használtak, de egy idô után több hagyományos processzort kapcsoltak össze egyetlen számítógépben.

E számítógépek fôbb osztályai:

Ábra 1. Flynn osztályozása

1.2.1 SISD (Single Instruction Single Data)

A hagyományos számítógépek ilyenek.

1.2.2 SIMD (Single Instruction Multiple Data)

Nagyon sok egyszerû processzorból álló gépek, amelyek mindegyike rendelkezik saját memóriával, de mindegyiken azonos program fut. Ezek fôleg mátrixmûveletek megoldására alkalmas rendszerek.

Példa:

Thinking Machine Corporation CM200, 16-tól 65536 darab processzort tartalmazó gép. Ebben a viszonylag egyszerû processzorokat a számuktól függôen 4 vagy 16 dimenziós hiperkockába rendezik, ahol az élek mentén kapcsolják össze ôket.

1.2.3 MISD (Multiple Instruction Single Data)

Nem nagyon létezik ilyen gép, csak az osztályozás teljessége miatt került bele az ábrába.

1.2.4 MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)

1.2.4.1 SMP (Symmetric multiprocessing)

Ábra 2. SMP számítógép

Az SMP rendszerek jellemzôje, hogy a rendszerbuszra egyetlen fizikai memória csatlakozik, amelyet minden processzor lát. Ennek az architektúrának nagy elônye, hogy az osztott memórián keresztül nagyon egyszerû a programok közötti kommunikáció, illetve szinkronizáció megoldása, hagyományos programok nagyon könnyen átültethetôek ilyen környezetbe. Hátránya, hogy a memória elérésének fizikai korlátai korlátokat szabnak a lehetséges processzorok számának.

Ilyen rendszerek:

Cray Research, CS6400, amely maximum 64 SuperSPARC processzor összefogására használható
SGI Power Challange, amely maximum 18 MIPS10000 processzor beépítésére alkalmas
SUN Sparc Server, amelybe 4 darab UltraSPARC processzor rakható

Ezen rendszerek szépsége, hogy hagyományos operációs rendszereket futtatnak, ezért kezelésük, programozásuk nem kíván nagy többletráfordítást, mégis nagy számítási teljesítményt képviselnek.

1.2.4.2 MPP (Massively parallel processing)

Ábra 3. MPP számítógép

Az MPP rendszerek lényegében önálló memóriával rendelkezô processzorokból felépített nagy számítógépek. Egy egyszerû LAN is felfogható ilyen számítógépnek, a különbség a processzorok közötti kapcsolatban jelentkezik. Egyszeri LAN-okban az egyedi gépek közötti kapcsolat felépítése elég lassú, ezekben a gépekben erre a feladatra speciális hardware elemeket használnak amely mind a kapcsolat felépítését, mind az adatátvitelt nagyon meggyorsítja.

Az MPP rendszerek nagy elônye, hogy felépítésüknél fogva nagyon könnyen bôvíthetôek. Hátrányuk, hogy a processzorok közötti kommunikációra általában csak üzenetküldés használható, amely a hagyományos programok használatát megnehezíti, és új - a párhuzamosságot már figyelembe vevô - programok írását igénylik.

IBM SP1 és SP2, 1-tôl 1024 processzorig bôvíthetô rendszer. A számító egységek lényegében önálló számítógépek, melyek mindegyikén egy-egy operációs rendszer fut. Az összeköttetést nagy teljesítményû kapcsoló dobozokkal biztosítják, amelyek 8 pontból álló teljes gráfokban tudják biztosítani a kapcsolatot.
Intel Terra FLOP-os teljesítményû gépe. Hagyományos elemekbôl épített gép, ahol a több mint 9000 Pentium Pro processzort alapvetôen 2 dimenziós hálókba szervezik, amelyek között nagy sebességû utakat építenek ki.
Parsytec PowerXplorer, 4-tôl 512 darab PowerPC processzorból felépített gép. A processzorokat 2 dimenziós hálóba rendezik, amelyben T800-as transputerek biztosítják a kommunikációs kapcsolatokat.

1.2.4.3 SPP (Scalable parallel processing)

Ábra 4. SPP számítógép

MPP rendszer amelyben a processzorok közötti kommunikációs eszköz szimulálni tudja, az egyetlen osztott memóriát. A processzorok számára nem saját memóriájuk elérése csak idôbeni különbséget jelent. Lényegében ötvözik az SMP és MPP rendszerek elônyeit, viszont ehhez sokkal bonyolultabb hardware megoldásokra van szükség.

Példák:

Convex Exemplar, amely maximum 128 PA RISC 7200-as processzorig bôvíthetô. Itt 8-8 processzor egy kockában van összefogva. Ezeket az egységeket egy irányú üzenettovábbításra alkalmas tóruszokba fogják össze.
Cray Research T3D, T3E, amely maximum 1024 darab Alpha processzort tartalmazhat. A gyors kommunikáció érdekében ezeket 3 dimenzióban két irányú kommunikációra alkalmas tóruszok kapcsolják össze. Jellemzôje, hogy a nem saját memória elérésének ideje maximum hatszorosa a saját memória elérésének.

A fennmaradó két problémakör megoldására is sok megoldás született, amely kapcsolatba hozható a párhuzamossággal. Ilyen lehet egy egyszerû PC I/O processzorra, amely a CPU-tól függetlenül tud mûködni, vagy a repülôgépek többszörözött számítógépes rendszere a megbízhatóság növelésére.

1.3 Operációs rendszerek lehetôségei

Operációs rendszerek szintjén nyújtott támogatás a párhuzamos programok támogatására nehezen választható el a programozási nyelvektôl és a bennük használható rutinkönyvtáraktól.

A határ a megoldható feladatok fajtája alapján húzható meg. Egy operációs rendszernek, illetve az általa nyújtott eszköznek biztonságosan kell mûködnie a feladatok széles skáláján. Ezt a biztonságot csak úgy lehet elérni ,ha az operációs rendszer által nyújtott eszközöket nem lehet megkerülni.

A feladatok széles skálája miatt az operációs rendszer által nyújtott szolgáltatások nagyon egyszerûek lehetnek, tehát ezekre épülô eszközök használata szükséges lehet a problémák egyszerû megoldása érdekében.

A megbízhatóság természetes igény bármely probléma megoldása során, a biztonság viszont inkább napjainkban került elôtérbe a sokfelhasználós rendszerek megjelenésével. A biztonságot biztosító eszközöket csak az operációs rendszer szintjén lehet hatékonyan megvalósítani, tehát egy eszköz osztályozásakor ez a szempont irányadó lehet.

Operációs rendszerek általában a következô feladatokat oldják meg:

folyamatok indítása, leállítása, ütemezése
I/O igények kielégítése
egyszerû eszközök a folyamatok közötti kommunikációra

Párhuzamosan dolgozó, illetve osztott operációs rendszerek ezen feladatok megoldására a következô lehetôségeket biztosítják:

UNIX fork(): új folyamat indítása. Operációs rendszertôl függ, hogy ez valóban párhuzamos módon, azaz egy másik processzoron indul-e el.
System V. IPC: programok közti kommunikáció, szinkronizációra szolgáló megoldások: szemaforok, osztott memóriakezelés, üzenetküldés támogatása. Hátránya az, hogy csak osztott memóriát használó gépeken mûködik, és elég nehezen kezelhetô lehetôségeket biztosít.
Hálózati protokollok: TCP/IP, SPX/IPX és DECnet protokollok önálló gépek közötti kapcsolatok megteremtésére.
thread-ek, Light Weight Process-ek: osztott memóriával kommunikáló folyamatok kezelésének eszköze
Távoli eljáráshívás: A legtöbb osztott operációs rendszer illetve osztott programozási környezet a távoli eljáráshívás módszerét veszi alapvetô eszköznek a különbözô feladatok megoldásában. Az egyszerûség érdekében ehhez nagyon hatékony implementációkat, és nagyon egyszerû felületet biztosítanak, hogy ne legyen látszólag különbség egy gépen belüli, illetve azok közötti eljáráshívásoknál. Ilyen eszközök vannak a Choros, illetve Mach alapú mikrokerneles rendszerekben, valamint az Amoeba osztott operációs rendszerben is. Ezt az eszközt a SUN is elkészítette, erre épül sok gépek közötti szolgáltatása (pl.: NFS, NIS+, Kerberos).

A fejezet elején szereplô feladat osztályozási szempontok szerint:

futásidô csökkentése: több processzorra készített, vagy osztott operációs rendszerek képesek a feladatokat a processzorok között terheltségüktôl függôen elosztani. Az adott problémáról nem rendelkezhetnek több információval, ezért más megoldást csak magasabb szinten lehet keresni.
funkcionális elosztás: rendszerfüggô. Itt az operációs rendszernek valamilyen módon plusz információkat kell adni a problémáról.
megbízhatóság: megbízhatóságot egy operációs rendszer az alatta lévô hardware hibáinak elfedésével biztosíthat. Ha erre nem képes (például egy programot futtató processzor elromlik), akkor ezt jelenti az alkalmazónak.
biztonság: Biztonsági kérdésekben az operációs rendszeré a fô felelôsség. Ez védi egymástól a rosszul viselkedô programokat, esetleg felhasználókat. Biztonsági szempontból lényeges lehet, hogy egy eszköz - mely biztonsági szabályok betartására kényszeríti a programot - megkerülhetõ-e.

Párhuzamos modellek szempontjából egy operációs rendszer nagy mértékben az alatta lévô hardware-tôl függ. Néhány esetben az operációs rendszer a hardware néhány jellemzôjét módosíthatja, például az IBM SP1 és SP2-es MPP rendszerén az operációs rendszer egy SPP architektúrát is szimulálhat.

1.4 Nyelvek, eszközök

A világon nagyon sok olyan programozási nyelv, illetve eszköz van, amely valamilyen fokon támogatja a párhuzamosságot. Ezek közül található itt néhány. Ezek osztályozási szempontjai, illetve egy-egy eszköz részletesebb elemzése a következô fejezetben található.

Algol 68 szemaforai
Concurrent Pascal monitorjai
Occam, tarnsputerek assembly nyelve
Linda osztott memóriája, szemaforjai és a tupple nevû egyedi eszköze
Ada, Ada95 nyelvek
Objective C distributed class nevû eszköze, mint az objektumok párhuzamosításának egy példája
TCL/Tk distributed modulja
P4, PVM és MPI üzenetköldõ könyvtárak
C*, CC++, pC++, HPC++, uC++ a C és C++ nyelvek párhuzamosított változatai
FORTRAN 90 variánsok: CMF (Connection Machine Fortran), Fortran M, HPF (High Performance Fortran). Ezek párhuzamosító fordítók.
Java nyelv thread-jei, illetve egyes operációs rendszerek által biztosított thread könyvtárak

1.5 Egyéb lehetôségek

Egyes eszközökre építve sok kényelmes felületet, programozási környezetet fejlesztettek ki, ezek fõbb fajtái a következõk:

vizuális elemekkel segített programtervezés, készítés (pl. adtfolyamok meghatározására)
interaktív futtató rendszer a processzorok terhelésének figyelésére, illetve hibák esetén az elromlott, vagy leállt részek újraindítására
futás közbeni, vagy futás utáni elemzõ rendszer, a folyamatok közötti kommunikációk vizsgálatára, illetve a program hatékonyságának tesztelésére
nyomkövetõ rendszerek hibák felfedezésére (párhuzamos programoknál egyszerre több folyamatot kell nyomkövetni)

Egy ilyen eszköz specifikálását tartalmazza a 3. fejezet.

P�rhuzamos Programoz�si Eszközök, Frohner Ákos

Hosted by www.Geocities.ws

1. Áttekintés

1.1 Párhuzamos modellek, osztályozási szempontok