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基于对象技术的软件模式在MPI并行程序设计中的应用研究

2020-11-21阅读(920)

基于对象技术的软件模式在MPI并行程序设计中的应用研究

论文摘要

现代计算机技术极大地促进了计算科学的发展。在实践中,由于受到物理器件极限速度和技术水平的限制,使得单处理机远远满足不了现代许多领域中具有挑战性的大规模计算课题对计算资源的需求,因此并行计算成为研究热点。 设计高效的并行程序是实现并行计算的关键。目前最重要的并行编程工具之一是MPI(Message Passing Interface),然而,MPI 编程和其它并行编程一样,必须处理比串行程序更复杂的情况,比如任务的划分,进程间的通信和同步等烦琐细节。这使得MPI 并行程序设计极其复杂,而且开发出来的程序难以调试、维护和移植。在这样的背景下,本论文将目前在软件工程领域广泛研究和应用的、基于对象技术的模式理论引入 MPI 并行程序设计领域,以改善这种困境。因为,基于对象技术的模式理论可以进一步增强面向对象技术的优势,比如:封装性和复用性等,为并行程序的设计和实现提供了一个更有力的智力工具。 在本论文的研究中,首先对 MPI 的并行程序设计技术进行了研究,初步总结了其中的一些困难和特点;而后,应用基于对象技术的软件模式对 MPI 并行程序设计中的编程元素进行重新整合,并在此基础上,针对 MPI 并行程序设计中某些固有的困难和特性给出了应用软件模式的解决方案。包括对 MPI 中非面向对象接口的面向对象封装、用 Strategy 模式实现 SPMD 和 MPMD 模型,以及用 MVC 模式解决并行程序设计中的交互问题,等等。 在研究的实验中,对几个应用软件模式实现的计算实例在集群系统上进行了测试,并统计了测试数据,其结果证实了软件模式在 MPI 并行程序设计中的可行性和有效性。 另外,本文的研究是建立在自行组建的 PC 集群实验环境之上的。其理论和实践对日后在更大规模、更复杂的集群系统上进行应用研究也具有一定的指导意义。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 引言
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究的背景和意义
  • 1.2 主要研究内容
  • 第二章 并行计算机和并行程序设计概述
  • 2.1 并行计算机
  • 2.1.1 并行计算机的分类
  • 2.1.2 并行计算机体系结构
  • 2.1.3 PC 集群系统
  • 2.2 并行程序设计
  • 2.2.1 并行程序设计模型
  • 2.2.2 并行程序设计语言
  • 2.3 并行程序性能评测简介
  • 第三章 基本的MPI 并行程序设计
  • 3.1 MPI 简介
  • 3.1.1 MPI 的涵义
  • 3.1.2 MPI 的产生
  • 3.1.3 MPI 的优势
  • 3.1.4 MPI 的语言绑定
  • 3.1.5 目前主要的几种MPI 实现
  • 3.2 最常用的MPI 接口子集
  • 3.2.1 MPI 的调用说明
  • 3.2.2 MPI 的初始化和结束
  • 3.2.3 获取当前进程标识
  • 3.2.4 获取通信域中进程个数
  • 3.2.5 发送和接收消息
  • 3.3 MPI 预定义数据类型
  • 3.4 MPI 中消息的组成
  • 3.5 MPI中的通讯
  • 3.5.1 通信域
  • 3.5.2 MPI 中的四种通信模式
  • 3.5.3 阻塞与非阻塞通信
  • 3.5.4 组通信
  • 3.6 MPI 程序设计中的基本问题
  • 3.6.1 MPI 程序设计的基本框架结构
  • 3.6.2 避免死锁
  • 3.6.3 MPI 的两种基本编程模型
  • 第四章 软件模式理论研究
  • 4.1 软件模式理论概述
  • 4.1.1 软件模式理论的起源和发展
  • 4.1.2 模式的定义
  • 4.1.3 模式的描述
  • 4.1.4 模式的作用
  • 4.2 与软件模式相关的几个概念
  • 4.2.1 软件模式与面向对象
  • 4.2.2 软件模式与数据结构和算法
  • 4.2.3 软件模式与类库
  • 4.2.4 软件模式与软件框架
  • 4.3 模式的分类
  • 4.4 模式间的关系
  • 4.5 基于对象技术的软件模式对于并行程序设计的意义
  • 第五章 MPI 并行程序设计中的软件模式解决方案
  • 5.1 概述
  • 5.2 用Wrapper Facade 模式对MPI 接口进行封装和整合
  • 5.3 MPI 环境的初始化和结束－ Singleton 模式的应用
  • 5.4 应用Strategy 模式实现的SPMD 和MPMD 编程模型
  • 5.5 引入线程－用于同步的模式
  • 5.6 基于GUI 的并行程序解决方案－ MVC 模式
  • 5.7 模式对MPI 编程基本形式的改变及其进一步的应用
  • 第六章 并行计算环境的建立和应用实例
  • 6.1 并行计算环境的建立
  • 6.1.1 系统结构的确定
  • 6.1.2 MPI 程序的执行
  • Bellard 算法计算任意精度π值'>6.2 用PlouffeBellard 算法计算任意精度π值
  • 6.3 并行生成Mandelbrot 集
  • 结论
  • 参考文献
  • 后记
  • 在学期间公开发表论文及著作情况

    • 相关论文文献

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