并行计算划分和分治策略.
并行算法设计
并行算法设计一、引言并行算法是指在多核处理器或分布式系统上同时执行多个子任务，以提高计算效率和处理速度的一种计算模式。
随着计算机硬件技术的不断发展，越来越多的问题需要借助并行算法来解决。
本文将介绍并行算法的设计原则和常见的设计模式，以及在实际应用中的一些注意事项。
二、并行算法设计原则1. 任务划分原则：并行算法的基础是将原本串行执行的任务划分成多个独立的子任务，并通过适当的调度算法分配给不同的处理器进行并行执行。
任务划分应尽量保持任务的独立性，避免数据依赖关系过多，以提高并行度和性能。
2. 数据分布原则：在设计并行算法时，应根据不同任务的计算量和数据量合理规划数据分布方式。
对于计算密集型任务，可以将数据均匀划分给多个处理器；对于数据密集型任务，可以采用数据分布策略来平衡负载和减少数据通信的开销。
3. 通信和同步原则：并行算法中，处理器间的通信和同步操作是必不可少的。
在设计并行算法时，应考虑如何减少通信和同步的开销，以提高整体的算法性能。
可以通过减少数据传输量、合理设置同步点等方式来优化并行算法的通信和同步操作。
4. 任务调度原则：任务调度是指将多个子任务合理地分配给不同的处理器进行执行的过程。
合理的任务调度策略可以提高并行算法的负载均衡性和吞吐量，并减少处理器间的竞争情况。
在设计并行算法时，应考虑任务划分和任务调度的关系，选择合适的调度策略来优化算法性能。
三、并行算法设计模式1. 分治法：分治法是指将一个大问题分解成多个相互独立的小问题，并通过递归的方式将小问题的解合并成大问题的解。
在设计并行算法时，可以将原问题划分成多个子问题，分配给不同的处理器并行解决，最后将子问题的解合并得到最终结果。
2. 数据并行：数据并行是指将数据划分成多个子集，分配给不同的处理器并行处理。
对于同一类操作，各处理器可以独立计算自己所负责的数据子集，最后将各处理器计算得到的结果合并得到最终结果。
3. 流水线：流水线是指将一个任务划分成多个子任务，并通过不同的处理器按照一定的顺序依次执行。
算法优化技巧
算法优化技巧在计算机科学中，算法优化是指通过改进算法的设计、实现或应用，以提高算法的效率和性能。
优化算法可以使计算机程序更快、更省内存，从而提高系统的整体性能。
本文将介绍几种常见的算法优化技巧。
一、时间复杂度分析时间复杂度是衡量算法性能的重要指标。
在优化算法之前，我们需要了解算法的时间复杂度，并分析算法中的瓶颈操作。
通过针对瓶颈操作的特点进行优化，可以有效提高算法的运行速度。
二、循环优化循环是程序中常见的结构，而循环次数过多或循环体内部操作复杂会导致程序效率低下。
因此，在循环优化中，我们可以采取以下几种策略：1. 减少循环次数：尽量减少循环执行的次数，可以通过数学推导、剪枝等方式实现。
例如，使用二分查找算法代替线性查找算法，可以大大减少查找次数。
2. 减少循环内部操作：将复杂度较高的操作移出循环体，避免重复计算。
例如，在排序算法中，可以将交换操作放在循环体外进行，避免每次迭代都执行交换操作。
3. 循环展开：将多次重复的循环体代码展开，减少循环判断和循环控制的开销。
三、空间复杂度优化除了时间复杂度优化外，优化算法的空间复杂度也是很重要的。
以下是一些减少内存占用的技巧：1. 使用合适的数据结构：选择合适的数据结构可以减少内存的使用。
例如，当需要查找操作时，可以使用哈希表代替数组，提高查找效率。
2. 资源重用：尽量避免频繁地创建和销毁对象，可以通过对象池、内存池等技术实现资源的重用，减少内存分配和垃圾回收的开销。
四、并行化和并发优化对于一些计算密集型的任务，可以通过并行化和并发优化来提高算法的性能。
以下是一些常用的优化策略：1. 利用多核处理器：将任务划分为多个子任务，并利用多核处理器同时执行这些子任务，提高计算效率。
2. 异步处理：将某些不依赖于前一步结果的操作设计为异步执行，避免等待操作的完成。
五、缓存优化现代计算机的内存层次结构中，访问速度从高到低依次是寄存器、高速缓存、主存、磁盘等。
因此，在算法优化中，合理利用缓存可以提高程序的性能。
并行计算
第一部分：并行计算的概念(1)并行计算:是指在并行计算机上，将一个应用分解成多个任务，分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同，并行地执行子任务，从而达到加快求解速度，或者提高求解应用问题规模的目的。
(2)并行计算的主要研究目的:加快求解问题的速度;提高求解问题的规模(3)并行计算必须具备的基本条件:并行计算机;应用问题必须具有并行度;并行编程(4)并行计算的主要研究内容并行计算机的高性能特征抽取;并行算法的设计与分析;并行实现技术(消息传递平台MPI、共享存储平台OpenMP);并行应用（最终目的）(5)并行计算机的3要素:结点，互联网络，内存(6)并行计算机的访存模式：UMA均匀存储访问：内存模块与结点分离，分别位于互联网络的两侧，所有结点均匀共享，各结点访存机会均等，例如对称多处理共享存储并行机 SMPNUMA非均匀存储访问：内存模块局部在各个结点内部，所有局部内存模块构成并行机的全局内存模块，所有结点任意访问内存模块，但速度和时间不同，例如分布共享存储并行机 DSM分布访存模型：非均匀访存模型不同的是，各个结点的存储模块只能被局部CPU 访问，对其他结点的内存访问只能通过消息传递程序设计来实现混合访存模型COMA(Cache-Only Memory Access)模型是全高速缓存存储访问CC-NUMA（Coherent-Cache Nonuniform Memory Access）是高速缓存一致性非均匀存储访问模型(7)并行计算机的分类：1.根据指令流和数据流个数的不同，通常分为四类：单指令流单数据流（SISD），单指令流多数据流（SIMD），多指令流单数据流（MISD），多指令流多数据流（MIMD）2.按内存访问模型、微处理器和互联网络的不同，又分为：并行向量机（PVP，Parallel Vector Processor）；对称多处理共享存储并行计算机（SMP,Symmetric Multiprocessor）；大规模并行计算机（MPP，Massively Parallel Processor）；机群（Cluster）；分布式共享存储并行计算机（DSM，Distributied Shared Memory）；(8)并行计算机的结构模型：内存模块与结点分离内存模块位于结点内部(9)并行编程环境：消息传递，共享存储，数据并行(10)MPI：MPI是一个库，而不是一门语言，它遵守所有对库函数/过程的调用规则，和一般的函数/过程没有什么区别；它是一种消息传递编程模型，它的最终目的是服务于进程间通信这一目标的(11)并行编程模式:主-从式，单程序多数据流，数据流水线，分治策略(12)并行算法的分类：根据运算基本对象的不同可分为数值并行算法：主要为数值计算方法而设计的并行算法；非数值并行算法，主要为符号运算而设计的并行算法根据并行进程间相互执行顺序关系的不同可分为：同步并行算法：进程间由于运算执行顺序而必须相互等待的并行算法；异步并行算法：进程间执行相对独立，不需要相互等待的一种算法；独立并行算法：进程间执行是完全独立的，计算的整个过程不需要任何通信根据各进程承担的计算任务粒度的不同，可分为：细粒度并行算法，通常指基于向量和循环级并行的算法；中粒度并行算法，通常指基于较大的循环级并行；大粒度并行算法，通常指基于子任务级并行的算法。
并行算法的划分设计技术
并行算法的划分设计技术引言并行算法的划分设计技术是高性能计算中至关重要的一环。
对于大规模计算问题，利用并行算法可以提高计算效率，降低计算时间。
本文将介绍并行算法的划分设计技术，包括任务划分、数据划分和通信划分技术。
任务划分技术任务划分技术是并行算法中的基础，它将大规模计算任务拆分成若干个小任务，使得每个处理器都可以独立执行一个小任务。
常见的任务划分技术包括以下几种：静态划分静态划分是一种最简单的任务划分技术，将计算任务均匀地分配给每个处理器。
这种方法适用于计算任务量相对均匀的情况，但对于计算任务量不均匀的情况，会导致部分处理器的负载过重，从而降低整体计算效率。
动态划分动态划分是一种根据计算任务的负载动态调整任务分配的技术。
它可以根据当前处理器的负载情况，将计算任务划分给空闲的处理器。
这种方法能够充分利用处理器的计算能力，提高计算效率。
但是，动态划分需要额外的通信开销来协调任务分配，可能会降低整体计算速度。
数据划分技术数据划分技术是指将计算所需的数据划分成若干个部分，使得每个处理器只需要访问自己分配到的数据。
常见的数据划分技术包括以下几种：块划分块划分是将数据按照块的大小进行划分，每个处理器分配到一个或多个块。
这种方法可以保证每个处理器只需要访问自己分配到的数据，减少了数据访问冲突。
但是，块划分可能导致数据局部性不好，增加了数据通信开销。
循环划分循环划分是将数据按照循环的方式进行划分，每个处理器分配到一部分迭代次数。
这种方法可以充分利用处理器的计算能力，提高计算效率。
但是，循环划分可能导致数据访问冲突，需要额外的同步操作来保证数据一致性。
通信划分技术通信划分技术是指将计算过程中的通信操作划分成若干个阶段，使得每个处理器只需要与特定的处理器进行通信。
常见的通信划分技术包括以下几种：二维网格通信二维网格通信是将处理器按照二维网格的方式连接起来，每个处理器只需要与其相邻的处理器进行通信。
这种方法可以减少通信路径的长度，降低通信延迟。
并行计算基础知识
并行计算基础知识在计算机科学领域中，随着计算需求的增加和任务的复杂化，人们开始寻找更高效的计算方式。
并行计算作为一种重要的计算模式，在多个处理单元同时进行计算操作，大大提高了计算速度和效率。
本文将介绍并行计算的基础知识，包括并行计算的定义、分类、应用领域以及相关技术等。
一、并行计算的定义和分类并行计算是指通过将一个计算问题划分为多个子问题，并在多个处理单元上同时进行计算操作，从而加快计算速度的一种计算方式。
与之相对的是串行计算，即按照顺序逐一执行计算任务的方式。
根据并行计算的规模和任务划分方式，可以将并行计算分为以下三种分类：1. 指令级并行计算：该种并行计算方式主要是对计算机中的单个指令进行并行处理，即同时执行多个指令操作。
它通过优化处理器的执行流水线、指令突发处理等技术实现加速。
2. 数据级并行计算：该种并行计算方式主要是对大规模的数据集进行划分，将数据分配给多个处理单元同时进行计算操作，最终将各个处理结果进行合并得到最终结果。
这种方式主要用于解决一些数据密集型的计算问题，如图像处理、数据挖掘等。
3. 任务级并行计算：该种并行计算方式是将一个复杂的计算任务划分为多个子任务，并将不同的子任务分配给不同的处理单元进行计算。
各个处理单元之间通过通信来交换计算结果或者协同工作，最终得到整体的计算结果。
这种方式主要用于解决一些计算复杂度高、任务独立的问题，如天气预报、分布式数据库查询等。
二、并行计算的应用领域并行计算广泛应用于各个领域，尤其是那些需要大规模计算和高性能计算的领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 科学计算：并行计算在科学计算领域发挥着重要作用，能够加速复杂的数值计算和模拟实验，例如天气预报、地震模拟、宇宙学研究等。
2. 人工智能：并行计算可以加速机器学习、神经网络训练等人工智能任务，提高算法的训练效率和模型的准确性。
3. 数据分析：对于大规模数据的处理和分析，通过并行计算可以提高数据处理的速度和效率，如数据挖掘、图像处理、自然语言处理等。
大数据处理中的并行计算方法
大数据处理中的并行计算方法随着互联网和信息技术的快速发展，大数据已经成为当代社会中不可忽视的重要资源。
然而，大数据的处理和分析面临着巨大的挑战，主要体现在数据量庞大、复杂度高以及处理速度要求快等方面。
为了应对这些挑战，大数据处理中的并行计算方法被广泛应用。
并行计算是指将一个大任务分解为多个小任务，并在多台计算机上同时进行计算，以提高整体计算效率的一种计算方式。
在大数据处理中，采用并行计算方法可以有效地利用多台计算机的计算能力，加速数据处理的速度和效率。
在大数据处理中应用广泛的并行计算方法有以下几种：1. 数据分片并行：这种方法将原始数据分为多个小于单台计算机内存容量的数据块，每个数据块由一个独立的计算节点处理。
数据分片并行可以在短时间内处理大量数据，并且计算过程中不存在数据依赖关系，可以实现高度并行计算。
2. 数据流并行：数据流并行是将数据按照特定的规则拆分成多个数据流，并通过多个计算节点对数据流进行并行处理。
每个节点负责处理一个或多个数据流，可以同时进行计算和处理不同的数据。
数据流并行可以提高计算效率，降低计算时间。
3. 任务并行：任务并行是将整个数据处理任务拆分为多个子任务，并由不同的计算节点同时执行。
每个子任务可以独立进行计算，并将结果合并以得到最终的处理结果。
任务并行可以充分利用多台计算机的计算能力，加速数据处理的速度。
4. 模型并行：这种方法主要适用于复杂的大数据处理任务，通过将大型模型分解为多个小模型，并在不同的计算节点上并行运算，最后将结果进行整合得到最终的处理结果。
模型并行可以充分利用多台计算机的计算资源，加速模型的训练和推理过程。
5. 任务流并行：任务流并行是将一个大型数据处理任务划分为多个阶段，并在不同的计算节点上并行执行。
每个阶段可以独立进行计算，通过将阶段之间的数据传递和协调进行任务流的并行计算。
任务流并行可以提高数据处理的效率，并减少数据处理过程中的等待时间。
总的来说，大数据处理中的并行计算方法可以通过充分利用多台计算机的计算能力，加速数据处理的速度和效率。
并行计算算法设计与分析
并行计算算法设计与分析一、引言在现代计算机系统中，并行计算已经成为一种重要的技术手段。
并行计算算法的设计与分析是研究并行计算的核心内容之一。
本文将详细介绍并行计算算法的设计与分析方法，并讨论其在实际应用中的意义与挑战。
二、并行计算算法的分类1. 数据并行算法数据并行算法采用将计算任务分割为多个子任务，每个子任务在不同的处理单元上并行执行的方式。
典型的数据并行算法包括矩阵乘法算法、并行排序算法等。
2. 任务并行算法任务并行算法是将计算任务分解为多个相互独立的子任务，并行执行的方式。
各个子任务之间没有数据依赖关系，可以同时进行计算。
典型的任务并行算法包括并行搜索算法、并行图算法等。
3. 流水线并行算法流水线并行算法是将计算任务分解为多个阶段，不同处理单元在不同阶段上并行执行，通过流水线的方式提高计算效率。
典型的流水线并行算法包括多级缓存机制的并行计算算法、指令级并行计算算法等。
三、并行计算算法的设计方法1. 并行分解并行分解是指将原始的计算任务分解为多个子任务的过程。
在并行分解过程中，需要考虑任务的划分方式、任务之间的依赖关系以及负载均衡等问题。
2. 并行通信并行通信是指多个处理单元之间的信息传递与同步。
在并行计算算法的设计中，合理的并行通信方式能够提高计算效率。
常用的并行通信方式包括消息传递接口MPI、共享内存等。
3. 并行合并并行合并是指将多个子任务的计算结果合并为最终的结果的过程。
在并行合并过程中，需要考虑合并方式以及结果的正确性验证等问题。
四、并行计算算法的分析方法1. 速度up与加速比速度up表示并行计算与串行计算相比的计算速度提升程度。
加速比表示并行计算中处理单元数量增加时，计算速度相对于串行计算的提升比例。
通过对速度up与加速比的分析，可以评估并行算法的性能优劣。
2. 并行性的度量与评估并行性是指并行计算中各个子任务可以同时进行的程度。
通过对并行性的度量与评估，可以确定并行计算算法的最佳并行度。
20100428第三章 并行计算模型和任务分解策略
第三章并行计算模型和任务分解策略首先，我们将研究不同类型的并行计算机，为了不严格限定于某个指定机型，我们通过模型把并行计算机抽象为几个特定属性。
为了说明并行程序中处理器之间的通信概念模型我们讨论了不同的程序模型，另外为了分析和评估我们算法的性能，我们讨论了多计算机架构下评估并行算法复杂度的代价模型。
在介绍并分析的各种代价模型的基础上给出了改进型的代价模型。
其次我们定义这样几个指标如负载均衡和网络半径等用来研究图分解问题的主要特性。
并把图分解问题归纳为一般类型和空间映射图类型。
我们重点研究的是后者，因为多尺度配置真实感光照渲染算法可以很方便的描述成空间映射图形式。
3.1 并行计算机模型以下给出并行计算机的模型的概述，根据其结构并行计算机大致可分为以下几类。
多计算机(Multicomputer)：一个von Neumann计算机由一个中央处理器(CPU)和一个存储单元组成。
一个多计算机则由很多von Neumann计算机通过互联网络连接而成的计算机系统。
见图3.1。
每个计算机(节点)执行自己的计算并只能访问本地的存储。
通过消息实现各计算机之间的互相通讯。
在理想的网络中，两个计算节点之间的信息传送代价与本地的计算节点和它的网络阻塞无关，只和消息的长度相关。
以上多计算机和分布式存储的MIMD机器之间的主要区别在于后者的两个节点间的信息传输不依赖于本地计算和其它网络阻塞。
分布式存储的MIMD类型的机器主要有IBM的SP, Intel的Paragon, 曙光4000系列, Cray 的T3E, Meiko的CS-2, NEC的Cenju 3, 和nCUBE等。
通过本地网络的连接的集群系统可以认为是分布式存储的MIMD型计算机。
多处理器(Multiprocessor)：一个多处理器型并行计算机(共享存储的MIMD计算机)由大量处理器组成，所有的处理器都访问一个共同的存储。
理论上理想的模型就是PRAM模型(并行的随机访问系统)，即任何一个处理器访问任一存储单元都是等效的(见图3.2)。
并行计算方法.
2.4并行计算编程环境
1、分布传递并行编程： ❖ 消息传递 MPI ❖ PVM并行虚拟机（Parallel Virtual Machine）
2.4并行计算编程环境
2、共享存储并行编程 ❖ OpenMP 是一种面向共享内存以及分布式共享内存的多处理器多线
程并行编程语言
2.4并行计算实现过程
并行计算实现过程
1.2 并行计算机分类
并行计算机 就是由多个处理单元(处理器或计算机)组成的计算机系统，这些处理单 元相互通信和协作，能快速、高效地求解大型复杂问题。
1、单指令多数据流（SIMD）型并行
2、多指令多数据流（MIMD）型并行机： 并行向量处理机、大规模并行处理机、分存共享存储多处理机、 对称多处理机、、工作站机群
雅可比迭代法 超松弛迭代法 多重网格法
3.3 稀疏矩阵向量乘法算例
1、坐标存储法
Creativity
4 稀疏矩阵向量乘法算例
2、矩阵向量串行算法
Creativity
4 稀疏矩阵向量乘法算例
3、矩阵向量的并行化分析
Creativity
4 稀疏矩阵向量乘法算例
4、矩阵向量并行算法
Creativity
1.3 并行计算机体系结构
并行计算机体系结构是指在所应用的并行 处理系统中各个节点机之间的连接方式。
1、总线结构
2、网格结构
3、超立方体结构
1.4 基本性能指标
1、 CPU和存储器： 工作负载：执行时间、指令数目、浮点运算数。 并行执行时间：计算时间+并行开销时间+相互通信时间 存储器的层次结构：容量、延迟、带宽
3.1矩阵运算
1、矩阵的划分： 带状划分：块带状划分、循环带状划分 棋盘划分：块棋盘划分、循环棋盘划分
分治算法探讨分治策略与应用场景
分治算法探讨分治策略与应用场景随着计算机科学的快速发展，算法成为了解决问题的重要工具。
其中，分治算法在很多场景下展现出强大的能力，被广泛应用于各个领域。
本文将探讨分治策略的原理和常见应用场景。
一、分治策略的基本原理分治策略是一种将大问题划分为细分的子问题，并通过解决子问题来解决原始问题的思想。
其基本思路可以概括为以下三个步骤：1. 分解：将原始问题划分为若干规模较小的子问题。
2. 解决：递归地解决各个子问题。
3. 合并：将各个子问题的解合并为原始问题的解。
通过将大问题递归地划分为越来越小的子问题，最终解决各个子问题，再将子问题的解合并为原始问题的解，分治策略能够高效地解决很多复杂的问题。
二、分治策略的应用场景1. 排序算法排序是计算机科学中一个重要的问题，各种排序算法都可以使用分治策略来实现。
例如，快速排序和归并排序就是使用分治策略的经典排序算法。
在快速排序中，通过选择一个基准元素将问题划分为两个子问题，然后递归地排序子问题。
最后，再将排序好的子数组合并为原始数组的有序序列。
在归并排序中，通过将问题划分为两个子问题，递归地排序子数组。
最后，再将排序好的子数组合并为原始数组的有序序列。
归并排序的特点是稳定性好，适用于大规模数据的排序。
2. 查找问题分治策略也可以应用于查找问题。
例如，在有序数组中查找某个元素可以使用二分查找算法，该算法也采用了分治思想。
二分查找算法通过将问题划分为两个子问题，然后根据子问题的规模逐步缩小查找范围，最终找到目标元素。
这种分治思想使得二分查找具有高效性。
3. 矩阵乘法矩阵乘法是一个常见的数学运算问题。
通过分治策略，可以将矩阵乘法划分为多个小问题，并递归地解决这些小问题。
然后，再将这些小问题的解进行合并，得到原始问题的解。
分治法用于矩阵乘法算法的优化，可以减少运算量，提高计算效率。
4. 搜索问题分治策略也可以应用于搜索问题。
例如，在搜索引擎中，分治策略可以用于并行搜索，从而加快搜索速度。
遗传算法的并行化与分布式计算方法
遗传算法的并行化与分布式计算方法遗传算法是一种模拟进化过程的优化算法，通过模拟自然界中的遗传和进化机制，来求解复杂的优化问题。
然而，随着问题规模的增大和计算复杂度的提高，传统的串行遗传算法已经不能满足实际需求。
因此，研究者们开始探索如何将遗传算法并行化，以提高算法的效率和性能。
并行化是指将一个计算任务划分为多个子任务，并在多个处理器上同时执行这些子任务。
在遗传算法中，可以将种群划分为多个子种群，每个子种群在一个处理器上进行进化计算。
这样一来，不同处理器上的子种群可以并行地进行进化，从而加快算法的收敛速度。
并行化遗传算法的关键在于如何划分种群和如何进行种群间的信息交流。
一种常用的方法是将种群按照某种规则进行分割，每个子种群在一个处理器上进行计算。
每个子种群独立地进行进化，直到达到一定的迭代次数或满足终止条件。
然后，通过一定的信息交流机制，将优秀个体从一个子种群传递给其他子种群，以实现全局搜索和局部搜索的平衡。
并行化遗传算法的另一个关键问题是如何选择合适的并行化策略。
一种常用的策略是静态划分策略，即将种群均匀地划分为若干个子种群，并在每个处理器上独立地进行进化计算。
这种策略简单易实现，但可能导致负载不均衡的问题。
另一种策略是动态划分策略，即根据种群的进化状态动态地调整子种群的大小和划分方式。
这种策略可以根据实际情况动态地调整各个子种群的大小，以提高算法的效率和性能。
除了并行化，分布式计算也是提高遗传算法效率和性能的重要手段。
分布式计算是指将一个计算任务分布到多个计算节点上进行并行计算。
在遗传算法中，可以将种群分布到多个计算节点上进行进化计算。
每个计算节点独立地进行进化计算，然后通过网络进行信息交流和同步。
分布式计算可以充分利用多台计算机的计算资源，提高算法的并行度和计算效率。
分布式计算中的关键问题是如何进行节点间的信息交流和同步。
一种常用的方法是消息传递机制，即通过网络发送和接收消息来进行信息交流和同步。
并行计算第五章并行算法与并行计算模型
并行计算第五章并行算法与并行计算模型在计算机领域中，并行计算是指同时进行多个计算任务的计算模式。
并行计算能够显著提高计算效率，加快计算速度，广泛应用于图像处理、数据挖掘、科学模拟等众多领域。
本文将重点介绍并行计算的背景和相关的并行算法与并行计算模型。
首先，我们来了解并行计算的背景。
随着计算机硬件的不断发展，单个处理器的计算能力已经达到了一个瓶颈，无法满足日益增长的计算需求。
为了充分利用硬件资源，提高计算效率，人们开始将多个处理器同时运行不同的任务，从而引入了并行计算的概念。
并行计算的基本思想是将计算任务分解为多个子任务，并将这些子任务分配给多个处理器并行执行。
在并行计算中，一个重要的问题是如何划分任务和调度子任务，以便充分利用处理器资源并减少通信开销。
为此，人们提出了各种并行算法和并行计算模型。
一种常用的并行算法是分治法，即将一个大问题分解为多个小问题，分别在不同的处理器上并行求解。
分治法通过递归地将子问题划分为更小的子问题，并组合子问题的解来获得原始问题的解。
分治法的优点是简单高效，适用于大规模问题的并行计算。
另一种常用的并行算法是图算法，主要应用于图论和网络分析等领域。
图算法通过将问题建模为图的形式，并用图上的顶点和边表示计算的对象和关系。
图算法的主要挑战是如何将计算任务划分为多个子任务，并通过合理的通信方式在多个处理器之间共享数据。
并行计算模型是指描述并行计算方式和通信机制的抽象模型。
其中，一种常用的并行计算模型是共享内存模型。
在共享内存模型中，所有的处理器共享同一块内存空间，并可以通过读写内存中的共享变量来实现进程间的通信。
共享内存模型的优点是简单易用，但需要额外的同步机制来确保数据的一致性。
另一种常用的并行计算模型是消息传递模型。
在消息传递模型中，各个处理器拥有自己的本地内存，并通过发送和接收消息来进行通信。
消息传递模型的优点是灵活性高，可以充分利用通信资源，但需要额外的编程工作来处理消息的发送和接收。
高性能计算中的数据并行算法设计与优化策略
高性能计算中的数据并行算法设计与优化策略在高性能计算领域，数据并行算法设计与优化是一项重要的任务。
数据并行是指将大规模数据划分为多个小数据块，然后在多个处理元素上并行处理这些小数据块。
本文将讨论数据并行算法的设计原则和优化策略。
1. 数据并行算法设计原则数据并行算法的设计原则可以总结为以下几点：1.1 分解数据首先，需要将计算任务的数据划分为多个小块，以便在多个处理元素上并行处理。
划分数据的方法有多种，包括块划分、循环划分和随机划分等。
在选择划分方法时，需要考虑数据之间的依赖关系、处理元素的数量和存储器的访问模式等因素。
1.2 指定任务根据划分的数据块，为每个处理元素指定相应的任务。
任务的指定可以通过任务分配的方式，将不同的数据块分配给不同的处理元素。
此外，还可以利用任务调度的方式，在运行时动态地指定任务。
1.3 执行并行计算在多个处理元素上执行并行计算。
并行计算可以采用多种方式，如SIMD（单指令流多数据流）、MIMD（多指令流多数据流）和SPMD（单程序多数据流）等。
根据任务的特点和处理元素的架构选择合适的并行计算方式。
1.4 合并结果将各个处理元素的计算结果合并为最终的结果。
合并结果时需要考虑数据之间的依赖关系，以确保最终结果的正确性和完整性。
2. 数据并行算法优化策略在设计数据并行算法时，还需要考虑优化策略以提高算法的性能。
以下是一些常用的优化策略：2.1 数据局部性优化数据局部性优化是指尽可能减少处理元素访问存储器的次数，提高数据访问效率。
可以通过数据重用、数据预取和数据对齐等方式来实现数据局部性优化。
2.2 计算与通信重叠优化计算与通信重叠优化是指在计算任务和通信任务之间进行重叠操作，以减少总体执行时间。
可以采用消息传递、流水线和缓存技术等方法来实现计算与通信的重叠。
2.3 负载均衡优化负载均衡优化是指将计算任务均匀地分配给多个处理元素，以确保各个处理元素的负载相等。
可以采用静态负载均衡和动态负载均衡两种方式来实现负载均衡优化。
多核处理器中的任务调度与优化策略
多核处理器中的任务调度与优化策略随着计算机技术的不断发展，多核处理器已经成为现代计算机系统的标配。
多核处理器内部的任务调度与优化策略对于提高系统性能和资源利用率起着至关重要的作用。
本文将重点探讨多核处理器中的任务调度与优化策略，并分析其实际应用和挑战。
首先，我们需要了解多核处理器的基本原理。
多核处理器是指在一个集成电路芯片上集成多个处理核心，每个处理核心都能够独立地执行程序指令。
多核处理器遵循并行计算的原则，通过同时运行多个任务来提高系统的处理能力。
因此，任务调度和优化的目标是尽可能地实现任务的并行计算，以提高系统的整体性能。
任务调度是指将多个任务分配给多核处理器上的处理核心，以便合理利用系统资源并优化性能。
在任务调度过程中，需要考虑以下几个关键因素：1. 负载均衡：负载均衡是指将任务合理地分配给处理核心，以避免某些核心过载而其他核心处于空闲状态。
负载均衡可以通过静态调度或动态调度来实现。
静态调度是指在程序运行前就确定任务的分配方式，而动态调度是指在运行时根据系统的负载情况进行任务分配。
2. 任务依赖关系：任务之间可能存在依赖关系，即某个任务的执行需要依赖其他任务的结果。
在任务调度中，需要考虑任务之间的依赖关系，确保依赖关系正确处理并合理利用。
一种常见的解决方案是使用依赖图来描述任务之间的关系，并根据依赖关系进行调度。
3. 数据共享与通信开销：在多核处理器中，任务之间可能需要共享数据或进行通信。
数据共享和通信操作会带来额外的开销，影响系统的性能。
因此，在任务调度过程中，需要考虑最小化数据共享和通信的开销，以提高系统的效率。
为了实现任务调度的优化，研究人员提出了多种策略和算法。
以下是一些常见的优化策略：1. 分治策略：分治策略是一种将大任务划分为多个小任务，然后分配给不同的处理核心并行执行的策略。
这种策略能够提高系统的并行度，加速任务的执行速度。
在任务划分过程中，需要考虑任务的负载均衡和依赖关系，确保任务可以有效地并行执行。
常见算法设计策略
常见算法设计策略引言在计算机科学中，算法是解决问题的一系列步骤或指令。
设计一个高效的算法是计算机科学领域的核心问题之一。
常见的算法设计策略可以帮助我们解决各种复杂的问题，并提高算法的效率和性能。
本文将介绍一些常见的算法设计策略，包括分治策略、贪心策略、动态规划和回溯等。
我们将详细讨论每种策略的原理、应用场景以及优缺点。
分治策略分治策略是将一个大问题划分为多个相同或类似的子问题，并逐个解决这些子问题，最后合并得到整体解决方案。
它通常包括三个步骤：分解、求解和合并。
分治策略适用于那些可以被划分为多个独立子问题且子问题具有相同结构的情况。
经典例子包括归并排序和快速排序。
优点： - 可以有效地利用并行计算资源。
- 可以将复杂问题简化为相对简单的子问题。
- 可以提高程序运行效率。
缺点： - 在某些情况下，分解和合并的开销可能会超过问题本身。
- 某些问题不容易划分为子问题。
贪心策略贪心策略是一种通过每一步选择当前最优解来达到全局最优解的算法设计策略。
它通常适用于那些具有贪心选择性质的问题，即通过局部最优解来得到全局最优解。
贪心策略的基本思想是每一步都选择当前状态下的最佳操作，并希望通过这种选择能够得到最终的最优解。
经典例子包括霍夫曼编码和Prim算法。
优点： - 算法简单易实现。
- 可以在某些情况下得到近似最优解。
- 时间复杂度通常较低。
缺点： - 不能保证得到全局最优解。
- 对于某些问题，贪心策略可能不适用。
动态规划动态规划是一种将复杂问题分解成更小的子问题并进行求解的方法。
与分治策略相似，动态规划也是将一个大问题拆分成多个相同或类似的子问题，但与分治策略不同的是，动态规划会保存已经求解过的子问题的解，以避免重复计算。
动态规划通常包括以下步骤：定义状态、确定状态转移方程、初始化边界条件和计算最优解。
经典例子包括背包问题和最长公共子序列。
优点： - 可以避免重复计算，提高算法效率。
- 可以解决一些难以通过分治策略求解的问题。
深度学习算法的并行计算优化策略
深度学习算法的并行计算优化策略随着深度学习技术在各个领域的快速发展，对于深度学习算法的计算效率和性能要求也越来越高。
为了提高深度学习算法的计算速度和效率，研究者们提出了各种并行计算优化策略。
本文将介绍一些常见的深度学习算法并行计算优化策略，包括数据并行、模型并行和任务并行。
1. 数据并行数据并行是最常见也是最直观的并行计算优化策略。
在数据并行中，输入被分为多个小批次，每个小批次分配给不同的处理器进行计算。
数据并行的基本思想是将模型的副本复制到各个处理器上，每个处理器负责处理一个小批次的数据，然后将梯度结果进行聚合。
数据并行可以显著提高深度学习算法的训练速度，尤其是对于大规模的数据集和复杂的网络模型。
2. 模型并行模型并行是一种将模型分解成多个子模型，并将其分配给不同处理器进行并行计算的策略。
在模型并行中，每个处理器负责计算模型的一部分，然后将结果传递给其他处理器进行进一步的计算。
模型并行可以应用于大型深度学习模型，例如深度神经网络中的多层计算操作，将其分解为多个子模型进行并行计算，最后将结果进行聚合。
3. 任务并行任务并行是一种将不同任务分配给不同处理器进行并行计算的策略。
在深度学习中，一个任务通常包括数据预处理、模型训练和模型评估等多个阶段。
任务并行的优化策略是将这些不同的阶段分配给不同的处理器进行并行计算。
例如，可以将数据预处理分配给一个处理器，同时将模型训练和模型评估分配给其他处理器进行并行计算。
任务并行可以有效地提高系统的整体吞吐量和计算效率。
除了以上介绍的数据并行、模型并行和任务并行，还有一些其他的深度学习算法并行计算优化策略，如参数服务器、GPU并行和异步并行等。
不同的优化策略适用于不同的深度学习问题和环境条件。
总结起来，深度学习算法的并行计算优化策略是提高计算效率和性能的重要手段。
数据并行、模型并行和任务并行以及其他优化策略都在不同程度上提高了深度学习算法的计算速度和效率。
随着硬件技术的进步和算法的改进，我们可以期待更多高效的并行计算优化策略在深度学习算法中的应用，进一步推动深度学习技术的发展。
并行计算的参考题目
并行计算的参考题目1、讨论某一种算法的可扩放性时，一般指什么？88答：讨论某一种算法的可扩放性时，实际上是指该算法针对某一特定机器结构的可扩放性2、使用“Do in Parallel”语句时，表示的是什么含义105答：表示算法的若干步要并行执行3、并行计算机的存储访问类型有哪几种？26答：存储访问类型有：UMA（均匀存储访问）、NUMA（非均匀存储访问）、COMA（全高速缓存存储访问）、CC-NUMA（高速缓存一致性非均匀存储访问）、NORMAl（非远程存储访问）4、什么是同步？它有什么作用？如何实现？107答：同步是在时间上强使各执行进程在某一点必须相互等待。
作用：确保个处理器的正确工作顺序以及对共享可写数据的正确访问（互斥访问）。
实现方法：用软件、硬件和固件的方法实现。
5 在并行加速比的计算中，常用的三种加速比定律分别是哪三种？（P83）答：常用的三种加速比定律分别是：适用于固定计算负载的Amdahl定律，适用于可扩放问题的Gustafson定律和受限于存储器的Sun和Ni定律。
6、试比较Amdahl定律、Gustafson定律、Sun和Ni定律三种加速定律的应用场合。
83 答：Amdahl定律适用于固定计算负载的问题Gustafson定律适用于可扩放性问题Sun和Ni定律适用于受限于存储器的问题。
7.并行算法的基本设计技术有哪些？它们的基本思想是什么？139答：(1)基本技术有：划分设计技术(又分为均匀划分技术、方根划分技术、对数划分技术和功能划分技术)、分治设计技术、平衡树设计技术、倍增设计技术、流水线设计技术等。
(2)基本思想分别如下：a.划分设计技术：(P139) 将一原始问题分成若干部分，然后各部分由相应的处理器同时执行。
b.分治设计技术：(P144)将一个大二复杂的问题分解成若干特性相同的子问题分而治之。
若所得的子问题规模仍嫌过大，可反复使用分治策略，直至很容易求解诸子问题为止。
并行计算的优化与并发控制
并行计算的优化与并发控制现代计算机系统中，并行计算是一种重要的技术，它能够提高计算效率和系统吞吐量。
并行计算的优化与并发控制是确保并行计算系统能够有效运行和协调各个计算单元之间的关键问题。
本文将探讨并行计算的优化方法以及并发控制的策略。
一、并行计算的优化方法1. 任务分解在并行计算过程中，任务的分解是关键步骤。
合理划分任务可以充分利用计算资源，提高计算效率。
任务分解的方法有很多种，如数据并行、任务并行、流水线等。
其中，数据并行将数据划分成多个子集，每个计算单元对不同的数据子集进行处理；任务并行将任务分成多个独立的子任务，在不同的计算单元上并行执行；流水线是将任务划分成一系列的阶段，计算单元按照阶段的顺序依次执行任务。
2. 负载均衡负载均衡是保证并行计算系统高效运行的重要原则。
通过合理的任务分配和资源调度，使得各个计算单元的负载均衡，避免出现某个计算单元负载过重而影响整体性能的情况。
负载均衡的策略有很多种，如静态负载均衡、动态负载均衡、任务窃取等。
其中，静态负载均衡是在程序开始执行前根据任务的特性进行负载分配；动态负载均衡是在程序执行过程中根据计算单元的状态和负载情况动态调整任务分配；任务窃取是指当某个计算单元执行完自己的任务后，主动从其他计算单元那里偷取任务继续执行，以保持负载均衡。
3. 数据通信优化在并行计算中，计算单元之间的数据通信是必不可少的。
优化数据通信能够减少通信延迟，提高并行计算效率。
数据通信优化的方法有很多种，如增加带宽、减少通信次数、使用更高效的通信协议等。
此外，还可以通过数据预取、消息合并等技术优化数据通信过程。
二、并发控制的策略1. 互斥访问在并行计算过程中，多个计算单元可能同时访问共享资源，而这样的并发访问可能导致数据一致性问题。
为了解决并发访问引起的问题，采用互斥访问的策略是常见的方法。
互斥访问可以通过使用锁、信号量等机制来实现，确保在任何时刻只有一个计算单元能够访问共享资源，其他计算单元需要等待。
并行计算技术的研究与应用
并行计算技术的研究与应用1.简介并行计算技术作为一种新兴计算方式，因其高效、快速的运行速度而得到广泛应用。
并行计算技术中涉及到的并行算法、并行计算模型、并行性能评价等方面，都是计算机科学和技术领域的重要研究方向。
本文将从以下几个方面进行分析和探讨：并行计算技术的概念与特点、并行计算模型、并行算法的分类、并行计算性能评价、并行计算在实际应用中的应用场景。
2.并行计算技术的概念与特点并行计算技术指的是在多处理器系统中，使用并行执行的方法对一个问题进行计算。
它采用多处理器的计算方式，将一个任务分解成若干个子任务，用多处理器同时处理，以获得更高的计算效率。
并行计算技术有如下特点：(1)高效：并行计算能够大幅提高计算效率，因为它能够同时处理多个子任务，加快任务执行速度。
(2)负载均衡：并行计算技术可以将任务转化为多个子任务，通过动态调整任务量，实现任务的负载均衡。
(3)可扩展性：并行计算系统具有良好的可扩展性，可以通过增加处理器进一步提高计算性能。
(4)可靠性：并行计算技术采用多处理器的方式，相对于单处理器计算，其可靠性更高。
3.并行计算模型并行计算模型是一组可以用来描述并行计算过程的概念和方法。
并行计算模型可以分为如下几类：(1)共享内存模型：多个处理器共享一个物理内存，在内存中存储数据，并行执行操作。
共享内存模型的特点是：访问内存速度快，但需要管理内存的一致性和同步问题。
(2)分布式内存模型：多个处理器互相独立，每个处理器有自己的本地内存。
分布式内存模型的特点是：处理器之间通信需要通过网络，速度相对共享内存较慢。
(3)数据并行模型：并行执行相同的操作，但在不同数据集合上进行。
每个处理器拥有自己的数据集合，但操作是相同的。
这种模型通常应用于科学计算等领域。
(4)任务并行模型：在不同处理器上同时执行不同的任务。
每个任务是独立的，但是可能会存在相互依赖的关系。
4.并行算法的分类并行算法是一种在多处理器系统中并行执行的算法，它将一个任务分解成若干个子任务，由多个处理器同时执行，以提高算法的效率。
云计算性能优化中的并行计算与任务拆分(四)
云计算性能优化中的并行计算与任务拆分随着云计算技术的迅猛发展，人们对计算任务的性能和效率要求也不断提高。
在云计算性能优化中，并行计算和任务拆分成为了关键的技术手段。
本文将探讨并行计算与任务拆分在云计算性能优化中的应用。
一、并行计算的基本概念和原理并行计算是一种利用多个处理单元同时进行计算的方法，可以将一个大型计算任务分解为多个子任务并行执行，从而提高计算效率。
并行计算的原理是将一个大型计算任务划分成多个小任务，分配给多个处理单元并行执行。
这些处理单元可以是CPU、GPU甚至是分布式系统中的多台计算机。
每个处理单元负责执行自己所分配的小任务，最后将计算结果合并得到最终结果。
二、并行计算的应用场景1.科学计算科学计算往往需要处理大量数据，而且计算过程复杂繁琐。
通过并行计算，可以将计算任务拆分为多个子任务，每个处理单元负责计算其中一部分，从而加速计算过程。
2.人工智能和机器学习人工智能和机器学习中的训练模型、图像识别、语音识别等任务都需要大量的计算资源。
借助并行计算，可以将这些任务拆分为多个小任务，并通过多个处理单元同时进行计算，提高计算速度和准确性。
3.大数据处理在大数据处理中，往往需要对海量数据进行分析和计算。
通过并行计算，可以将数据分成多个部分，并行处理，从而加快数据处理的速度和效率。
三、任务拆分的基本原则任务拆分是将一个大型任务分解为多个小任务的过程。
在进行任务拆分时，需要遵循以下原则：1.任务之间应当是相互独立的，互不依赖。
2.拆分后的小任务应当具备相似的计算特性和负载均衡的性质。
3.拆分后的小任务应当能够在不同的处理单元上并行执行，避免出现冗余计算。
四、任务拆分的策略和技术1.数据并行数据并行是一种常用的任务拆分策略，将数据划分为多个部分，每个部分分配给不同的处理单元进行并行计算。
数据并行适用于那些数据量较大、计算过程相对独立的任务。
2.模型并行模型并行是将模型的参数拆分为多个部分，分配给不同的处理单元并行计算。
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s = n / p; for (i =0,x=0; i<p; i++, x=x+s) send(&numbers[x], s, Pi); sum=0; for (i=0; i<p; i++) { recv(&part_sum, Pany);
slave:
recv(&numbers, s, Pmaster);
part_sum = 0; for (i=0; i<s; i++) part_sum += numbers[i]; send(&part_sum, Pmaster);
sum += part_sum;
}
利用send和recv例程进行通信的并行求和算法的执行 时间： 1.主进程将p段数据分别发送给各个从进程的时间： p * (tstart + (n/p) tdata) 2.各从进程计算自己拥有的n/p个数据局部和的时间： n/p – 1 3.主进程从p个从进程接收局部和的时间： p * (tstart + tdata) 4.主进程计算p个局部和的总和的时间： p 整个算法的执行时间为： 2 p tstart + (n+p) tdata + n/p – 1 + p = O(n+p)
A0… An/p-1 An/p… A2n/p-1 A2n/p………… A(p-1)n/p… An-1
+
+
………
+
局部和
+
总和
序列求和方法
主从结构
点到点通信(send&recv) 广播通信(broadcast) 散射通信(scatter)
分治法
主从结构划分求和算法(send&recv)
master:
}
算法的时间分析
假设有p = 2k个处理机，共计算N个数的和 计算时间：N/p+log p 通信时间： Tcomm1 = tstartup+N/2 tdata + tstartup+N/4 tdata +… + tstartup+N/p tdata = k tstartup+(N(p-1)/p) tdata = O(N) Tcomm2 = k(tstartup+tdata) = log p (tstartup+tdata)
第四章 划分和分治策略
划分(partitioning)：将问题分为若干个独立的部分。
分治法(divide and conquer method)：将一个大问 题逐步分割成若干个原问题的子问题，用简单且相同 的方法对这些子问题进行求解，然后将这些子问题的 解组合成原问题的解。
在分治法中分解问题和合并结果常使用递归技术来实
现。递归分治法能使各个子问题并行化执行，即各个
进程用来执行被分解的部分。
通常数据的划分也同时局部化。
划分策略 Partitioning Strategies
数据划分(data partitioning or domain
decomposition)
----数据域并行(SIMD或SPMD)
数据划分是并行计算中的主要策略
功能划分(functional decomposition)
----控制并行(MIMD或MPMD) 正如前面给出的一些例子的并行处理方法所示，我 们总是将问题要处理的数据集尽可能均匀地分配给 各个处理机（或进程），这是因为数据并行往往能 够带来更高的效率。
例：利用数据划分技术对数列求和。
假设有 p 个处理机，数列元素个数为 n。
分治法是将大问题递归地分解为容易处理的小问题， 并且保持解决小问题与解决大问题的方法是一致的。
P0
P0
P4
P0
P3
P4
P5
P6
P7
分治法的并行实现：SPMD并行算法
Divide_conquer(T, pro_id, &k) //假设有n=2k个处理器
{
if |T|>given_limit /* |T|表示任务T的规模 */ { divide(T, T1,T2); k--; 除pro_id进程，再激活一个编号为pro_id ^ 2k的进程; Divide_conquer(T1, pro_id, &k); // ^为异或操作 Divide_conquer(T2, pro_id ^ 2k, &k); 组合 T1 和 T2 的结果作为 T 的结果，返回； } else 处理T，并将T的结果返回；
群体操作要 求参与操作 的所有进程 必须都执行 相同的例程
分治法
用数列求和来说明分治法的基本思想：
int add (int s[ ]) //顺序算法 { if (number(s)<=2) return (n1+n2); else { Divide(s, s1,s2); part_sum1= add (s1); part_sum2= add (s2); return (part_sum1+ part_sum2); } }
start = slave_number * s; end = start + s;
{
recv(&part_sum, Pany); sum += part_sum;
part_sum = 0;
for (i=start; i<end; i++) part_sum += numbers[i]; send(&part_sum, Pmaster);
}
主从结构划分求和算法(scatter)
master:
s = n / p; root = Pmaster; scatter(numbers, &s, Pgroup, root ); reduce(&sum, &s, ADD, Pgroup, root);
slave:
scatter(numbers, &s, Pgroup, root); part_sum = 0; for (i=0; i<s; i++) part_sum += numbers[i]; reduce(&part_sum, &s, ADD, Pgroup, root);
主从结构划分求和算法(broadcast)
master:
s = n / p;
slave:
bcast (numbers, s, Pmaster);
bcast (numbers, s, Pslave_group);
sum = 0; for (i=0; i<p; i++)
/* slave_number : 0..m-1 */