并行算法第二章 并行计算性能测评..
算法使用的性能测试与优化方法
算法使用的性能测试与优化方法在计算机科学领域中，算法的性能测试和优化是一个非常重要的课题。
一个高效的算法可以大大提高计算速度和资源利用率，而性能测试和优化则是评估和改进算法效率的关键步骤。
本文将探讨算法使用的性能测试与优化方法，帮助读者更好地理解和应用这些技术。
一、性能测试的重要性性能测试是评估算法效率的关键步骤，它可以帮助我们了解算法在不同输入规模下的表现，找出算法的瓶颈和优化空间。
通过性能测试，我们可以确定算法的时间复杂度和空间复杂度，从而选择合适的算法来解决问题。
同时，性能测试还可以帮助我们比较不同算法的性能差异，选择最佳的解决方案。
二、性能测试的方法1. 基准测试基准测试是一种常用的性能测试方法，它通过运行算法在一组预定义的输入上，收集运行时间、内存占用等性能指标。
基准测试可以提供算法在不同输入规模下的性能数据，帮助我们分析算法的时间复杂度和空间复杂度。
同时，基准测试还可以用于比较不同算法的性能差异，选择最优的解决方案。
2. 随机测试随机测试是一种通过随机生成输入数据来测试算法性能的方法。
通过随机测试，我们可以验证算法的鲁棒性和稳定性，检测算法在不同输入数据分布下的性能表现。
随机测试可以帮助我们发现算法在特定情况下的性能问题，并针对性地进行优化。
3. 边界测试边界测试是一种通过测试算法在边界条件下的性能的方法。
边界测试可以帮助我们发现算法在极端情况下的性能问题，例如输入数据为空、输入规模非常大或非常小等情况。
通过边界测试，我们可以针对性地优化算法，在特殊情况下提高算法的性能。
三、性能优化的方法1. 算法优化算法优化是提高算法性能的关键方法之一。
通过改进算法的设计和实现，我们可以减少算法的时间复杂度和空间复杂度，提高算法的效率。
例如，可以使用更高效的数据结构、采用更优的算法思想等来改进算法。
同时，还可以通过优化算法的细节和边界条件，减少不必要的计算和内存开销。
2. 并行计算并行计算是一种通过同时使用多个计算资源来加速算法执行的方法。
并行计算--第2章-并行计算性能评价
加速比的几个问题
绝对加速
对于给定的问题，最佳串行算法能使用的时间除以 同一问题的并行算法所使用的时间
相对加速
同一问题的求解算法在单处理机上运行的时间除以 在多个处理机上的运行时间
超线性加速
一般的讲，线性加速已很难达到，超线性加速则是 难上加难。但在某些算法中，可能出现超线性加速 现象。
概念
可扩放性包括哪些方面?
机器规模的可扩放性
系统性能是如何随着处理机数目的增加而改善的
问题规模的可扩放性
系统的性能是如何随着数据规模和负载规模的增 加而改善
技术的可扩放性
系统的性能上如何随着技术的改变而改善
概念
可扩放性研究的目的是什么？
确定解决某类问题时何种并行算法与何种并 行体系结构的组合，可以有效的利用大量的 处理器；
等效率度量标准（ISO-efficiency）
优点
等效率函数是一种用分析方法处理工作负载 增长率与处理机增长率之间关系的有用的工 具，可用简单的、可定量计算的、少量的参 数就能计算出等效率函数，并由其复杂性可 指出算法的可扩放程度
如果W与p呈线性关系，则系统是可扩放的 如果W与p呈指数关系，则系统是不可扩放的
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理几何意义
处理能力随处理器 数目的增加而增加
处理器的增加，执 行时间随之增加
2.1 加速比性能定律
2.1.1 Amdahl定律 2.1.2 Gustafson’s定理 2.1.3 Sun and Ni’s 定理 2.1.4 加速比的几个问题 小结
小结
影响加速比的因素：
高性能计算中的并行算法设计与性能评测研究
高性能计算中的并行算法设计与性能评测研究在高性能计算领域，并行算法的设计和性能评测研究一直是研究者们关注的焦点。
并行算法的设计旨在通过将计算任务分解为多个子任务并同时进行处理，以提高计算效率；而性能评测则是为了衡量并行算法的优越性和可行性。
一、并行算法设计1.1. 分治法分治法是一种常用的并行算法设计方法。
它将一个大问题划分为多个相互独立的小问题，每个小问题都由一个子任务来解决。
接着，将子问题的解合并起来，得到原问题的解。
通过将原问题划分为多个相互独立的子问题，可以提高并行处理的效率。
1.2. 动态规划动态规划是另一种常用的并行算法设计方法。
它通过将大问题分解为多个子问题，并记录子问题的解，然后通过这些子问题的解来构建原问题的解。
在并行计算中，可以将不同的子问题分配给不同的处理单元并行求解，最后再将子问题的解合并得到原问题的解。
二、性能评测研究2.1. 算法复杂度分析在进行性能评测时，首先需要对并行算法的复杂度进行分析。
算法的复杂度可以通过计算算法执行过程中的时间复杂度、空间复杂度等指标来衡量。
在设计并行算法时，需要尽量选择复杂度较低的算法，以提高并行计算的效率。
2.2. 通信开销评估并行计算中，各个处理单元之间需要进行通信，通信开销直接影响到并行计算的效率。
因此，在进行性能评测时，需要评估通信开销的大小。
通信开销的评估可以通过测量数据传输的时间、带宽等指标来进行。
2.3. 加速比和效率评价为了评估并行算法的性能，常常使用加速比和效率这两个指标。
加速比指的是使用并行算法后执行时间的减少倍数，加速比越高表示并行算法的效果越好。
而效率则是由加速比除以运行算法所使用的处理器数量而得到。
2.4. 数据并行性评估在进行性能评测时，还需要评估并行算法是否具有良好的数据并行性。
数据并行性指的是问题的数据集能够被分解为不同的子问题，并且这些子问题能够独立地进行处理。
具有良好的数据并行性的算法可以更好地利用并行计算资源，提高计算效率。
高性能计算导论：并行计算性能评价
如流水线技术、分治算法等，通过将任务划分为多个子任 务，分配给不同的处理单元并行执行，从而实现任务的快 速完成。
消息传递并行算法
如MPI（Message Passing Interface）算法，通过进程 间通信来协调不同处理单元上的任务执行，适用于分布式 内存系统。
算法优化策略与方法探讨
结果分析和改进建议
结果分析
对实验结果进行深入分析，找出性能 瓶颈和影响性能的关键因素。
改进建议
根据分析结果提出针对性的改进建议，如优 化算法、改进系统结构、提高硬件性能等。 同时，也可以对实验方法和流程进行反思和 改进，以提高评估的准确性和有效性。
05 案例分析：并行计算性能 评价实践
案例背景和目标设定
加速比
并行算法相对于串行算法 的执行速度提升倍数。
效率
用于衡量并行系统中处理 器利用率的指标，通常表 示为加速比与处理器数量 的比值。
可扩展性与规模性指标
1 2
等效性
在增加处理器数量时，保持问题规模和计算复杂 度不变的情况下，系统性能的提升能力。
弱可扩展性
在增加处理器数量的同时，增加问题规模，保持 每个处理器的负载不变，系统性能的提升能力。
功耗与能效比指标
功耗
01
并行计算系统在运行过程中的总功率消耗。
能效比
02
用于衡量并行计算系统每消耗一单位能量所能完成的计算量或
任务量的指标。
节能技术
03
采用低功耗处理器、动态电压频率调整、节能算法等技术降低
并行计算系统的功耗。
03 并行算法设计与优化策略
典型并行算法介绍及原理剖析
数据并行算法
如数组运算、矩阵乘法等，通过将数据划分为多个部分， 在多个处理单元上并行执行相同的操作来提高性能。
高性能计算中并行计算技术的使用技巧与性能评估
高性能计算中并行计算技术的使用技巧与性能评估随着科学技术的发展，计算机的计算能力需求也越来越高，尤其是在大规模数据处理和复杂模型求解的情况下。
为了满足这些需求，高性能计算（HPC）应运而生。
并行计算技术作为高性能计算的核心，在提高计算效率和加速求解过程上起到关键作用。
本文将介绍高性能计算中并行计算技术的使用技巧与性能评估。
首先，我们来了解并行计算技术的基本概念和原理。
并行计算是指将计算问题分解为多个独立的子问题，并同时在多个处理器上进行计算，从而实现更快速、更高效的计算。
并行计算的实现依赖于并行算法、并行编程模型和并行计算平台。
并行算法是指将计算问题分解为独立的子问题，并编写能够在多个处理器上并行执行的算法。
并行编程模型是指用于编写并行程序的编程模型，常见的有MPI、OpenMP、CUDA等。
并行计算平台是指提供多个处理器或计算节点的硬件平台，如多核CPU、GPU、分布式计算集群等。
在使用并行计算技术解决实际问题时，我们需要考虑以下几个方面的使用技巧。
首先，合理的并行算法设计是实现高性能计算的基础。
在分解计算问题的过程中，应尽量保持子问题之间的负载均衡，避免单个处理器的闲置时间。
对于一些适合并行计算的问题，如矩阵运算、排序和图算法等，可以选择已有的高效并行算法进行实施。
同时，还可以根据实际问题的特点进行算法创新，提出更适合并行计算的算法。
合理设计的并行算法能够充分发挥计算资源的潜力，提高计算效率。
其次，选择合适的并行编程模型也至关重要。
MPI是一种常用的消息传递接口，适用于分布式内存计算环境，可以实现多个处理器之间的通信和同步。
OpenMP是一种共享内存并行编程模型，适用于多核CPU和共享内存计算环境，可以将计算任务并行化到多个线程上。
CUDA是一种面向GPU的并行编程模型，适用于大规模数据并行计算。
根据计算平台和需求特点，选择合适的并行编程模型有助于提高计算效率和简化编程工作。
另外，需要注意并行计算中的数据分布和数据通信问题。
并行计算(中科大讲义)
▪ n,节点规模 w，数据宽度
国家高性能计算中心（合肥）
2021/4/12
22
标准互联网络（1）
▪ Myrinet:
▪ Myrinet是由Myricom公司设计的千兆位包交换网络，其目的 是为了构筑计算机机群，使系统互连成为一种商业产品。
▪ Myrinet是基于加州理工学院开发的多计算机和VLSI技术以及 在南加州大学开发的ATOMIC/LAN技术。Myrinet能假设任 意拓扑结构，不必限定为开关网孔或任何规则的结构。
▪ 多处理机总线系统的主要问题包括总线仲裁、中断处理、协议转换、 快速同步、高速缓存一致性协议、分事务、总线桥和层次总线扩展等
CPU板
LM
CPU
本地外围设备 (SCSI总线)
IOC
存储器板 存储器单元
本地总线
存储器总线
高速缓存
IF
IF
MC
系统总线
I/O板
IOP
IF
数据总线
缓冲
IF
(底板上)
通信板
IF
开关，在Ilinois大学的
Cedar[2]多处理机系统中采用了Ω网络
▪ Cray Y/MP多级网络，该网络用来支持8个向量处理器和256 个存储器模块之间的数据传输。网络能够避免8个处理器同时 进行存储器存取时的冲突。
国家高性能计算中心（合肥）
2021/4/12
21
动态互连网络比较
动态互连网络的复杂度和带宽性能一览表
▪ 一个交换开关模块有n个输入和n个输出，每个输入可连接到任 意输出端口，但只允许一对一或一对多的映射，不允许多对一 的映射，因为这将发生输出冲突
▪ 级间互连（Interstage Connection ）：
2024年《并行程序设计导论》第二章
针对特定问题，设计高效的并行算法，减 少计算复杂度和通信开销。
2024/2/29
数据局部性优化
通过改善数据访问的局部性，减少处理器 访问内存的延迟，提高缓存命中率。
使用并行库和框架
利用现有的并行库和框架，如OpenMP、 CUDA等，简化并行程序的开发，提高开 发效率。
19
性能分析工具介绍及使用
32
THANKS
感谢观看
2024/2/29
33
同步与互斥
为确保数据一致性和避免竞态条件，需采用同步 机制（如锁、信号量等）实现互斥访问。
2024/2/29
27
OpenMP编程接口及使用方法
2024/2/29
OpenMP简介
OpenMP是一种支持多平台共享内存并行编程的API，适 用于C/C和Fortran等语言。
编程接口
提供一组编译器指令、库函数和环境变量，用于实现并行 化、同步、数据共享等功能。
2024/2/29
7
02
并行程序设计语言
2024/2/29
8
常见并行程序设计语言
MPI（Message Passing Interf…
一种基于消息传递的并行程序设计语言，广泛应用于科学计算和工程领域。
OpenMP
一种支持共享内存并行编程的API，适用于多线程并行计算。
2024/2/29
CUDA（Compute Unified Devic…
确保编译器支持OpenMP，设置编 译器选项以启用OpenMP，测试 OpenMP程序运行。
2024/2/29
CUDA环境配置
安装CUDA Toolkit，配置GPU驱动 ，设置环境变量，测试CUDA程序运 行。
并行算法课件第二章
S' WS pW p WS pW p WS p W p/ p WS WP
• 并行开销W o ：
S' f p (1-f) p f (1-p) p-f (p-1)
S' WS pWP f p1 f
WS WP WO 1 WO /W
工作负载W 执行时间T
2.2.4 Sun 和 Ni定律
• 基本思想：
– 只要存储空间许可，应尽量增大问题规模以产生更好和更精确的解 （此时可能使执行时间略有增加）。
– 假定在单节点上使用了全部存储容量M并在相应于W的时间内求解之， 此时工作负载W= fW + （1-f）W。
– 在p 个节点的并行系统上，能够求解较大规模的问题是因为存储容量 可增加到pM。令因子G（p）反应存储容量增加到p倍时并行工作负 载的增加量，所以扩大后的工作负载W = fW + （1-f）G（p）W。
并行度：算法的并行度是指该算法中能用一个计算步(并行)完成的运算或 操作的个数。在并行机上即为可同时运算的处理机的数目，而在向量 机上则为向量操作的长度。
平均并行度：算法的平均并行度为该算法总的操作数除以计算步数。在向 量机上则是平均向量长度。
算法的相容性：如果当问题的规模 n 时，并行（向量）算法和
• 存储受限的加速公式 ：
S''
fW 1 f GpW fW 1 f GpW / p
f
f 1 1 f
f Gp Gp/ p
• 并行开销W o:
S'
fW 1 f W Gp fW 1 f GpW / p WO
f
f
1
1 f Gp f Gp/ p WO /W
高性能计算中的并行算法设计与性能评估
高性能计算中的并行算法设计与性能评估高性能计算（High Performance Computing，HPC）是利用并行化处理来解决复杂大规模计算问题的一种计算方法。
在高性能计算中，频繁使用并行算法来实现计算任务的加速。
本文将探讨高性能计算中的并行算法设计与性能评估。
并行算法设计是指将计算任务拆分成多个子任务，分别在多个处理器上并行执行，以提高计算速度和效率。
在设计并行算法时，需要考虑以下几个方面。
首先，需要对计算任务进行合理的分解。
拆分成的子任务应该尽可能均匀地分布在各个处理器上，以充分利用多个处理器的计算能力。
此外，应尽量避免子任务之间的依赖关系，以充分发挥并行计算的优势。
其次，需要选择合适的并行算法。
不同的问题具有不同的特点，对应的并行算法也会有所差异。
一般来说，常用的并行算法包括任务并行、数据并行和功能并行。
任务并行是将整体任务拆分成多个子任务并行执行；数据并行是将数据分割成多个部分，分配给不同的处理器并行处理；功能并行是将同一任务拆分为多个子任务，每个子任务负责一个特定的功能。
根据问题的特点选择合适的并行算法可以有效提高计算效率。
另外，还应考虑并行算法的通信开销。
在并行计算中，各个处理器之间需要通过消息传递等方式进行通信和数据交换。
通信开销是指在执行并行计算过程中，由于通信操作所消耗的时间和资源。
良好的并行算法应该尽量减少通信开销，有效地利用通信资源。
针对并行算法设计的性能评估是很重要的一步，它可以帮助我们了解并行算法在不同条件下的表现，并选择最优的算法。
在进行性能评估时，需要考虑以下几个方面。
首先，需要定义合适的性能指标。
常用的性能指标包括加速比、效率和扩展性。
加速比是指使用并行算法相对于串行算法，计算速度的提升倍数；效率是指并行算法的实际计算效果与理论加速比之间的比例关系；扩展性是指并行算法在不同规模问题上的执行效果。
通过定义合适的性能指标，可以更好地评估并行算法的性能表现。
其次，需要选择合适的测试环境和数据集。
高性能计算环境下的并行算法优化与性能评估
高性能计算环境下的并行算法优化与性能评估在当今信息时代，计算和数据处理变得越来越复杂和庞大。
为了有效地处理这些庞大的计算和数据任务，高性能计算环境成为必不可少的工具。
并行算法的优化和性能评估在高性能计算环境中起着关键作用，可以提高计算速度和效率，从而加速科学和工程领域的发展。
并行算法是指将一个计算任务分解成多个子任务，然后在多个处理器或计算单元上同时执行，以提高计算速度。
在高性能计算环境下，选择合适的并行算法并进行优化，对有效利用计算资源和提高计算性能至关重要。
首先，为了优化并行算法，在选择合适的并行算法之前，我们需要对问题的特点、计算任务的性质和数据的特征有一个充分的了解。
只有了解了这些背景信息，我们才能选择最适合的并行算法。
例如，在处理大规模矩阵乘法时，可以选择分块矩阵乘法算法，将乘法操作分解成多个子任务，并在多个处理器上同时执行。
这种算法可以减少通信开销和数据传输时间，从而提高计算性能。
其次，选择合适的并行环境也是优化并行算法的关键。
高性能计算环境通常由多个计算节点和相应的通信网络组成。
在选择合适的并行环境时，我们需要考虑计算节点的数量、通信带宽和延迟等因素。
不同的并行环境可能有不同的限制和特点，我们需要根据具体的应用需求进行选择。
例如，在处理大规模并行计算任务时，可以选择具有高带宽和低延迟的高性能计算集群，以提供更好的计算性能和通信效率。
一旦选择了合适的并行算法和并行环境，接下来就是进行性能评估。
性能评估可以帮助我们了解算法的效率和计算性能，从而识别优化的潜力和瓶颈。
常用的性能评估指标包括计算时间、通信时间、计算资源利用率和并行扩展性等。
通过性能评估，我们可以确定并行算法在不同规模和负载下的性能表现，为后续的优化工作提供指导。
优化并行算法的方法有很多。
一种常见的方法是通过减少通信开销和数据传输时间来优化算法性能。
例如，可以通过增加计算节点数量、减少通信量或采用高效的通信算法来提高并行算法的性能。
并行计算的性能评估与调优
并行计算的性能评估与调优并行计算是一种重要的计算模式，通过同时执行多个计算任务，可以显著提高计算效率和性能。
然而，并行计算的性能评估与调优是一个复杂而关键的任务，它涉及到多个因素，包括任务划分、通信开销、负载均衡和并行度等。
本文将探讨并行计算的性能评估与调优方法，并分析其在实际应用中的效果。
一、并行计算模型在进行性能评估与调优之前，我们首先需要了解并行计算模型。
常见的并行计算模型包括共享内存模型和分布式内存模型。
共享内存模型是指多个处理器共享同一个物理内存空间，在这种模型中，各个处理器可以通过读写共享内存来进行通信和同步。
这种模型具有编程简单、通信效率高等优点，但也存在着负载均衡困难和竞争访问冲突等问题。
分布式内存模型是指每个处理器拥有自己独立的物理内存空间，在这种模型中，各个处理器通过消息传递来进行通信和同步。
这种模型具有负载均衡容易和数据共享困难等特点，但也存在着通信开销大和编程复杂等问题。
二、性能评估方法1. 任务划分任务划分是并行计算中的关键问题，它决定了计算任务如何被划分成多个子任务，并决定了子任务之间的依赖关系。
合理的任务划分可以最大程度地发挥并行计算的性能优势，提高计算效率。
常见的任务划分方法包括静态划分和动态划分。
静态划分是指在程序运行之前就确定好每个子任务的执行顺序和依赖关系，这种方法适用于计算量较大、依赖关系较固定的应用。
动态划分是指在程序运行过程中根据实际情况动态地调整子任务的执行顺序和依赖关系，这种方法适用于计算量较小、依赖关系较复杂的应用。
2. 通信开销通信开销是指在并行计算过程中由于数据交换而引起的时间和资源消耗。
通信开销对并行计算性能影响巨大，因此需要对其进行评估和调优。
常见的通信开销评估方法包括带宽和延迟。
带宽是指单位时间内可以传输的数据量，延迟是指数据传输的时间延迟。
通过评估带宽和延迟，可以确定通信开销的大小，并采取相应的优化措施，如增加带宽、减少延迟等。
3. 负载均衡负载均衡是指在并行计算过程中，将计算任务合理地分配给各个处理器，使得各个处理器的负载尽量均衡。
并行计算中的任务调度算法性能评估
并行计算中的任务调度算法性能评估在大规模并行计算系统中，任务调度算法起着至关重要的作用，它能够决定任务执行的顺序和并行计算系统的运行效率。
因此，对于任务调度算法的性能评估显得尤为重要。
本文将对并行计算中的任务调度算法性能评估进行探讨。
首先，任务调度算法的性能评估需要考虑以下几个关键指标：1. 任务完成时间：任务完成时间是衡量任务调度算法性能的重要指标之一。
一个好的任务调度算法应该能够将任务快速地分配给空闲的处理单元，最大限度地减少任务的等待时间，从而缩短任务完成时间。
2. 资源利用率：资源利用率是指在任务调度过程中处理单元的利用效率。
一个高效的任务调度算法应该能够有效地利用系统中的处理单元，尽可能地避免资源的浪费。
3. 负载均衡：负载均衡是指将任务合理地分配给处理单元，使得每个处理单元的工作负载尽可能均衡。
一个良好的任务调度算法应该能够实现负载均衡，避免某些处理单元负载过重而导致性能下降。
为了评估任务调度算法的性能，可以采用以下方法：1. 模拟方法：模拟方法是通过建立合适的任务调度模型和资源模型，对任务调度算法进行仿真运行，收集并分析模拟结果以评估算法性能。
通过模拟方法可以控制实验环境，快速获得调度算法的性能指标。
2. 实验方法：实验方法是通过在实际并行计算系统中进行任务调度算法的实际应用，收集并分析实验数据以评估算法性能。
实验方法可以更真实地反映任务调度算法在实际运行环境下的性能表现，但需要考虑到实际系统资源有限和实验操作的复杂性。
在进行任务调度算法性能评估时，还应注意以下几个问题：1. 数据集选择：对于不同类型的并行计算问题，需要选择合适的数据集用于评估任务调度算法的性能。
数据集的大小、数据分布等因素将直接影响任务调度算法的性能。
2. 参数调优：任务调度算法通常存在一些参数需要调整，如任务执行时间估计、负载均衡的阈值等。
在进行性能评估时，需要对这些参数进行合理的调优，以获得最佳的算法表现。
3. 实验可重复性：为了保障任务调度算法性能评估的可信度，需要进行多次重复实验，并对实验数据进行统计分析。
高性能计算中的并行算法设计评估
高性能计算中的并行算法设计评估高性能计算是指利用大规模计算机集群或超级计算机等强大的计算能力，对复杂问题进行有效求解的计算方法。
在高性能计算中，采用并行算法是提高计算效率和性能的关键因素之一。
本文将从并行算法的设计和评估两个方面，对高性能计算中的并行算法进行阐述。
并行算法设计是指将一个大规模计算问题分解成多个小规模子问题，并通过多个计算单元并行执行，从而提高计算速度和效率的方法。
一种常见的并行算法设计方法是任务并行，即将任务划分成多个独立的子任务，由不同的计算单元并行执行。
另一种是数据并行，即将数据划分成多个部分，由不同的计算单元并行处理。
并行算法的设计需要考虑以下几个方面：1. 任务划分和负载平衡：对于任务并行的并行算法，需要合理地将任务划分成多个独立的子任务，并保持各个子任务之间的负载平衡。
负载平衡是指每个计算单元处理的任务量相对均衡，避免出现某个计算单元负载过重而导致整体性能下降。
2. 通信和同步机制：在并行算法中，各个计算单元之间需要进行通信和同步，以确保计算的正确性和一致性。
通信和同步机制的设计需要考虑通信开销和同步开销，以及如何减少或隐藏这些开销。
3. 数据共享和访问模式：并行算法中涉及多个计算单元对共享数据的访问，需要设计合适的数据共享和访问模式，以避免数据冲突和竞争条件，并提高数据访问的效率。
4. 并行算法的可扩展性：随着计算规模的增加，计算单元的数量也会增加，因此并行算法需要具备良好的可扩展性，即能够在大规模计算资源上有效地扩展，并保持较好的性能。
并行算法的评估是为了评估并行算法的性能、可靠性和可扩展性等方面的指标，从而为算法设计者提供改进算法的依据。
下面介绍几种常见的并行算法评估方法：1. 加速比和效率：加速比是衡量并行算法性能提升程度的指标，定义为串行算法执行时间与并行算法执行时间的比值。
效率是指并行算法的加速比与计算单元数量之比。
加速比和效率越高，表示并行算法性能越好。
2. 通信开销和同步开销：通信开销是指并行算法中由于通信而引入的额外开销，包括数据传输、消息传递和网络延迟等。
高性能计算中的并行计算算法
高性能计算中的并行计算算法在当前的互联网时代，计算机已经成为了各种工业领域必不可少的工具，并且保持快速发展。
随着技术的日益进步，计算机在性能上的提高也变得越来越明显。
由于计算机的计算速度是很快的，所以很多人将计算机作为高性能计算的工具来使用。
高性能计算需要使用并行计算算法，来提高计算效率和处理速度，下面就详细介绍一下高性能计算中的并行计算算法。
一、并行计算算法的定义并行计算算法是一种可以自动化地将数据分割成更小的数据集，然后并行处理这些数据集以减少计算时间的技术。
与传统的串行计算相比，使用并行计算算法可以在较短时间内处理大量的数据，提高计算效率和处理速度。
二、并行计算算法的分类并行计算算法通常分为两大类：共享内存算法和分布式算法。
1. 共享内存算法：共享内存算法是一种在计算机的内存中共享数据的算法。
在这种算法中，多个处理器可以同时访问相同的内存地址，并且通过使用锁等同步机制，在应用程序中共享这些数据。
这种算法非常适合多处理器计算机和大规模服务器系统，因为它可以在这些系统中高效地共享数据。
2. 分布式算法：分布式算法是一种在多个计算机上分发任务并协同工作的算法。
在分布式算法中，每个计算机上的处理器可以在本地处理数据，然后将处理后的结果传送到其他计算机上进行计算。
这种算法被广泛应用于基于云的计算系统、分布式数据库和搜索引擎等大规模分布式系统。
三、并行计算算法的应用并行计算算法已经广泛应用于各种领域，包括自然科学、工程、医学和金融等。
其中一些著名的应用包括：1. 分子动力学模拟：在分子动力学模拟中使用了一些并行计算算法。
这些算法可以在不存在中央服务器的环境中对分子进行分析和仿真，并可以在较短时间内提供更准确的模拟结果。
2. 气象预报：气象预报要求对庞大的数据集进行处理，并在最短时间内提供准确的天气预报。
对于这种任务，使用并行计算算法可以加速数据处理过程，减少计算时间。
3. 数值模拟：数值模拟需要处理复杂数学模型并生成结果数据。
高性能计算中的并行算法设计与性能评估方法
高性能计算中的并行算法设计与性能评估方法高性能计算是指使用一系列先进的计算技术和算法，旨在解决复杂问题和大规模计算任务的计算领域。
在这个领域中，并行算法的设计和性能评估方法至关重要。
本文将介绍高性能计算中的并行算法设计原则和一些常用的性能评估方法。
一、并行算法设计原则1. 任务划分与负载均衡：在并行计算中，最重要的是将问题划分成多个独立的子任务，并确保每个子任务的计算量相近，以实现负载均衡。
任务划分应当考虑到数据依赖性、通信开销和计算复杂度等因素。
2. 通信与同步：并行计算涉及到不同处理单元之间的通信和同步操作。
设计并行算法时，需要合理选择通信策略和同步机制，以最小化通信开销和同步延迟。
3. 数据局部性：高效的并行算法应当充分利用数据局部性。
通过将相关数据分配给同一个处理单元，可以减少数据通信和同步开销，提高性能。
4. 易于实现与可扩展性：并行算法应当具有易于实现的特点，这意味着算法的并行部分应当尽可能简单。
此外，算法还应具备良好的可扩展性，即随着处理单元的增加，性能能够线性或接近线性地提升。
二、性能评估方法1. 平衡性评估：平衡性是指多处理器系统中各个处理器的利用率是否相等。
通过测量处理器的利用率和任务完成时间，可以评估算法的平衡性。
平衡性不佳可能导致某些处理器的负载过重，影响整个计算的性能。
2. 通信开销评估：通信开销是指在并行计算过程中，处理器之间进行数据传输所需要的时间和带宽。
通过测量并分析通信时间和带宽的使用情况，可以评估算法的通信开销，并进行优化。
3. 加速比和效率评估：加速比是指在采用并行算法后，相对于串行算法，计算速度的提升倍数。
而效率则指并行算法中实际的并行计算时间与理论最低并行计算时间之比。
通过计算加速比和效率，可以评估并行算法的性能。
4. 强扩展性评估：强扩展性是指在问题规模不变的情况下，随着处理器数量的增加，计算时间是否能够线性或接近线性地减少。
通过测量算法的强扩展性，可以评估其在大规模并行计算中的可行性和性能。
并行计算模型在科学计算中的性能评估
并行计算模型在科学计算中的性能评估科学计算在各个领域中扮演着重要的角色，如物理学、生物学、化学、天文学等。
随着计算问题的复杂性增加，串行计算模型已经无法满足科学计算的需求。
并行计算模型的引入使得科学计算可以更高效地进行。
本文将探讨并行计算模型在科学计算中的性能评估。
并行计算模型是指将大问题分解成多个子问题，利用多个计算资源同时进行处理，最后将计算结果进行合并得到最终结果。
常见的并行计算模型包括并行算法、并行计算机体系结构和并行程序设计等。
在科学计算中，性能评估是非常重要的环节。
性能评估能够帮助科学家们了解并行计算模型在不同条件下的表现，为优化和改进提供重要依据。
下面将介绍几种常用的性能评估方法。
首先是加速比和效率的评估。
加速比是衡量并行计算模型相对于串行计算模型的性能提升程度的指标，定义为串行计算模型的运行时间除以并行计算模型的运行时间。
效率则是衡量并行计算模型的利用率的指标，定义为加速比除以并行计算模型使用的处理器数量。
较高的加速比和效率意味着并行计算模型在提升性能方面表现出色。
其次是负载平衡的评估。
负载平衡是指在并行计算模型中，各个计算资源之间的负载是否均衡。
如果出现计算资源利用不均衡的情况，一些计算节点的负载将过重，而其他计算节点的负载过轻，导致性能下降。
评估负载平衡的方法包括负载曲线的分析和任务分配策略的优化，通过合理的任务分配和负载均衡算法可以提高整体的计算性能。
再次是通信开销的评估。
并行计算模型中的通信是不可避免的，然而过多的通信操作会增加计算的开销，从而影响性能。
评估通信开销的方法包括分析通信模式和通信量，通过减少通信操作的次数和数据传输量，可以降低通信开销，提高性能。
最后是可扩展性的评估。
可扩展性是指并行计算模型在规模扩大时是否能够保持较好的性能。
评估可扩展性的方法主要包括研究问题规模变化对性能的影响、分析计算资源增加时性能的提升是否与资源规模成正比等。
一个可扩展的并行计算模型在增加计算资源的情况下能够保持较好的性能表现。
高性能计算中的并行算法设计与系统性能评估
高性能计算中的并行算法设计与系统性能评估在高性能计算中，设计并行算法并评估系统性能是至关重要的。
并行算法能够有效利用多核处理器和并行计算资源，从而提高计算任务的速度和效率。
本文将介绍高性能计算中的并行算法设计和系统性能评估的相关内容。
首先，我们来讨论并行算法的设计。
在设计并行算法时，首要考虑的是如何将计算任务划分为多个子任务，并确定合适的任务调度策略。
任务划分的目的是将计算任务分解为小块，在多个处理器上并行执行，通过充分利用计算资源来提高计算效率。
任务调度的目标是尽量均衡地分配子任务给各个处理器，避免出现负载不均衡的情况。
这需要考虑任务的大小、计算和通信开销等因素。
在并行算法设计中，通信模式的选择也是至关重要的。
通信模式直接影响了算法的性能。
常见的通信模式包括点对点通信、全局通信和集合通信等。
选择适当的通信模式可以减小通信开销，提高算法的并行性能。
并行算法的设计还需要充分利用并行计算的特点，采用合适的数据结构和算法策略。
例如，使用适当的数据并行模型可以将大规模的数据集划分为多个子集，分布式地处理并合并结果。
算法策略的选择应该基于问题的特点和计算资源的限制，以达到最佳的计算性能。
在并行算法设计完成后，需要对系统性能进行评估。
系统性能评估可以提供有关并行算法在实际计算环境中的性能数据。
评估的主要指标包括计算时间、并行加速比、并行效率和资源利用率等。
计算时间是指并行算法完成计算任务所需的时间，可以通过实际运行并行算法来测量。
并行加速比是指并行算法相对于串行算法的性能提升程度，可以通过计算时间的比值来得到。
并行效率是指并行算法的实际加速比与理论加速比之间的比值，可以反映并行算法的效率。
资源利用率是指并行算法在执行过程中所使用的计算资源的利用率，可以通过监测计算节点的利用率来评估。
为了准确评估系统性能，需要考虑并行算法在不同输入规模和计算资源配置下的表现。
可以针对不同的测试样例进行性能测试，并对测试结果进行统计和分析。
高性能计算平台的并行算法设计与性能评估
高性能计算平台的并行算法设计与性能评估在计算科学和工程领域中，高性能计算（High-Performance Computing，HPC）平台扮演着重要的角色。
为了提高计算机的计算能力和效率，研究人员一直在致力于设计和优化并行算法。
并行算法利用多个处理器或计算节点同时进行计算，使得计算任务能够更快速地完成。
本文将探讨高性能计算平台的并行算法设计与性能评估方法。
首先，设计高效的并行算法是高性能计算平台的关键。
并行算法将计算任务分解为多个子任务，并且这些子任务可以并行执行。
在设计并行算法时，需要考虑以下几个方面。
首先，需要合理划分任务和数据。
并行算法的成功与否很大程度上取决于任务和数据的划分。
划分任务的目标是将计算任务划分为多个可并行执行的子任务，而划分数据的目标是将数据划分为多个适合并行计算的子数据集。
合理的任务和数据划分可以减少通信开销和负载不均衡的情况，从而提高计算性能。
其次，要选择合适的并行模式。
常见的并行模式包括共享内存并行和分布式并行。
共享内存并行是在单个计算机系统中使用多个处理器或核心，并利用共享内存空间进行计算。
分布式并行是在多台计算机系统之间进行计算，并利用消息传递机制进行通信。
选择合适的并行模式取决于计算任务的规模和硬件资源的限制。
此外，还需考虑并行算法的通信和同步开销。
并行算法中的通信和同步操作是必不可少的。
通信是为了在不同的处理器或计算节点之间传递数据，而同步是为了保证子任务的执行顺序和结果的一致性。
减少通信和同步开销可以提高并行算法的效率。
常用的方法包括减少数据传输量、优化通信模式和采用非阻塞通信等。
针对高性能计算平台的并行算法设计，我们还需要进行性能评估。
性能评估的目标是确定并行算法运行的时间、资源使用和可扩展性。
以下是常用的性能评估方法。
首先，可以使用问题规模和加速比来评估性能。
问题规模是指计算任务的规模或数据的大小，而加速比是指并行算法与串行算法相比的运行时间比例。
通过绘制问题规模和加速比的关系曲线，可以判断并行算法的可扩展性和效率。
并行计算的性能分析
并行计算的性能分析随着计算机技术的发展，以及数据量的不断增大，计算机科学领域的一个热门话题就是并行计算。
并行计算是指将一个计算任务拆分成多个子任务，在多个处理器或多个 core 上同时运算，从而加快整个计算过程的速度。
并行计算的发展有着广泛的应用范围，包括高性能计算、数据挖掘、机器学习、图像处理等等。
并行计算之所以能够提高计算效率，是因为可以将一个大的任务并行拆分成多个小的子任务，在不同的 CPU 或 core 上同时运算，从而在一段时间内完成任务量的增加。
这种方式可以大大加快计算的速度，提高计算效率，减少执行时间。
在进行并行计算时，如何进行性能分析是很重要的一个问题。
性能分析是指对系统的性能进行监测和分析，如 CPU 利用率、内存使用率等等，从而可以定位问题所在，进行调整和优化。
而并行计算的性能分析相对来说要更加复杂，因为涉及多个处理器和任务之间的协作和同步。
并行计算的性能分析可以从多个层面进行，包括计算机硬件、操作系统和应用程序等方面。
下面分别介绍这三个方面的性能分析方法。
计算机硬件层面的性能分析主要包括 CPU 使用率、缓存命中率、I/O 等方面。
对于 CPU 使用率，可以通过 top 命令来查看系统的总体 CPU 使用情况，以及各个进程的 CPU 使用情况。
通过对 CPU 使用率的分析，可以发现哪些进程对系统的负载较大，从而可以进行优化。
而对于缓存命中率来说，缓存是计算机中的一个重要组成部分，其作用是加速数据访问，提高计算效率。
当 CPU 发现需要的数据不在缓存中时，就需要从内存中读取，这个过程称为缓存不命中。
缓存命中率越高，缓存不命中率就越低，计算效率越高。
可以通过工具如 dmidecode、lshw 等来查看系统硬件的缓存组成，以及缓存的命中率等信息。
在操作系统层面，性能分析可以从进程调度、内存管理、I/O 等方面入手。
Linux 提供了一些工具如 top、htop、vmstat 等用来对进程周期性的执行打印性能数据，可以通过这些工具来查看系统中各个进程的占用情况，并进行调整。
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E
说明： 如果问题规模W 保持不变，处理器数 p增加，开 W随P按什么比例 增加 销T 增大，效率E下降。
o
为了维持一定的效率（介于0与1之间），当处理 数p增大时，需要相应地增大问题规模W的值。
39
等效率度量标准
曲线 3 曲线 2
第二章 并行计算性能测评
1
Questions
机器 性能
2
1
对自己的计算机(手机)有 没有不满意的地方？
有没有升过级？
3
有没有评价是否值得升级？
2
主要内容
1
2 3
什么是并行计算机的基本性能？ 为什么要研究机器的性能测评？ 如何测评计算机的性能？
4
如何提高并行系统的性能？
3
计算机的性能
Performance: 通常是指机器的速度，它是程 序执行时间的倒数 程序执行时间：是指用户的响应时间 (访问磁 盘和访问存储器的时间， CPU时间， I/O时 间以及操作系统的开销) CPU时间：它表示CPU的工作时间，不包括 I/O等待时间和运行其它任务的时间
paro
为并行开销
7
算法级性能评测
1
加速比性能定律
2
可扩放性测评标准
Amdahl定律
Gustafson定律 Sun和Ni定律
等效率测评标准
等速度测评标准 平均延迟度量标准
8
2.1 加速比定律
并行系统的加速比:对于一个给定的应用，并行算
法（或并行程序）的执行速度相对于串行算法（或
串行程序）的执行速度加快了多少倍。
加速比：由3个定律可知，增加PE和求解问题的
规模可以提高加速比
影响加速比的因素：处理器数与问题规模
求解问题中的串行分量 并行处理所引起的额外开销（通信、等待、 竞争、冗余操作和同步等） 加大的处理器数超过了算法中的并发程度
33
一、并行计算的可扩放性
增加规模有利于提高加速比的因素： 较大的问题规模可以提高较高的并发度 额外开销的增加可能慢于有效计算的增加 算法中的串行分量比例不是固定不变的（因 问题规模增加而缩小）
18
1. 加速比公式
Gustafson加速定律 :
WS pWp WS pWp S' WS p Wp / p WS WP
说明：
S' p (1-f) f
当f很小时，S’与P斜率为1-f
当p →∞ 时，S’随着PE的增加而增加，几乎与
处理器数成比例的线性增加，f不再是程序的
25
1. 加速比公式
G（p）：存储容量增加到p倍时并行工作负载的增加 情况
扩大存储容量后的工作负载W =fw+(1-f)G(p)W
fW 1 f G p W f 1 f G p S fW 1 f G p W / p f 1 f G p / p
等速度度量标准
p 表示处理器个数
W表示要求解问题的工作量或称问题规模（在
此可指浮点操作个数）
T为并行执行时间
并行计算的速度V: V=W/T
p个处理器的并行系统的平均速度 V 定义为:
V V W p pT
44
等速度度量标准
W是使用p个处理器时算法的工作量，令W’表示当处理
4
为什么要进行并行机性能评测？
对管理人员来说： 发挥并行机长处，提高并行机的使用效率 对用户来说 减少用户购机盲目性，降低投资风险
对架构师和设计人员来说：
改进系统结构设计，提高机器的性能 促进软/硬件结合，合理功能划分 优化 “结构-算法-应用”的最佳组合 对市场人士来说：
工作负载W
曲线 1
处理器数 P
曲线1表示算法具有很好的扩放性； 曲线2表示算法是可扩放的； 曲线 3表示算法是不可扩放的。
40
等效率度量标准
优点：通过少量的参数可计算出等效率函数 缺点：如果To无法计算出（在共享存储并行机中）
41
2.2.2 等速度度量标准
等效率度量标准的缺点：T0不能方便地计算出来 1994年两位学者提出试验测试为主要手段的两种 标准：等速度、平均延迟
p→∞时，上式极限为
1 S f w0 / w
串行分量和并行额外开销的比例越大，则加速比越小。
16
例题
在不考虑通信开销的情况下，若达到（不小于） 50%的加速效率（加速比与p的比值），串行 计算部分f和所使用的处理器数目p之间应该存 在怎么样的不等式关系？ 若 f=0.5,则p只能取多少？
W：串行算法所完成的计算量
Te
i t e i 0 p 1
To
i t o i 0
p 1
对于任意i，显然有T
p
= tie + t io ，且 T e+ T o=所完成的计算量W=Te
等效率度量标准
S Te Te p p Te To T T Tp 1 o 1 o p Te W
基本思想： 只要存储空间许可，应尽量增大问题规模以产生更好和 更精确的解（此时可能使执行时间略有增加）。 假定在单节点上使用了全部存储容量M并在相应于W的 时间内求解之，此时工作负载W= fW + （1-f）W。 在p 个节点的并行系统上，能够求解较大规模的问题是 因为存储容量可增加到pM。令因子G（p）反应存储容 量增加到p倍时并行工作负载的增加量，所以扩大后的 工作负载W = fW +（1-f）G（p）W。
和 N i 加速均比 Amdahl 加速和 Gustafson 加速为高。
27
Sun 和 Ni定律
28
Sun 和 Ni定律
29
修改后的加速比
并行开销W o:
fW 1 f WG p f 1 f G p S fW 1 f G p W / p WO f 1 f G p / p WO /W
42
为什么用等速度度量标准
速度是一个重要的参数，一般可以明确指出，单位 Mflops，因此用速度来度量可扩放性，应更加方便。 在并行系统中，增加P可以提高速度，如果速度能随着 P的增加而增加，即意味着平均速度不变 p个处理器的并行系统的平均速度定义为并行速度V除 以处理器个数 p：
43
两者可按不同比例进行调整，此比例关系
（可能是线性的，多项式的或指数的等）就
反映了可扩放的程度
36
可扩放性评测标准
可扩放性研究的主要目的： 确定解决某类问题用何种并行算法与何种并行体系 结构的组合，可以有效地利用大量的处理器； 对于运行于某种体系结构的并行机上的某种算法当 移植到大规模处理机上后运行的性能； 对固定的问题规模，确定在某类并行机上最优的处
34
可扩放性评测标准
增加处理器数，会增大额外开销和降低处理器 利用率，所以对于一个特定的并行系统（算法 或程序），它们能否有效利用不断增加的处理 器的能力应是受限的，而度量这种能力就是可 扩放性这一指标。
35
1.可扩放性的内涵
可扩放性:调整什么和按什么比例调整
并行计算要调整的是处理数p和问题规模W
12
3.Amdahl定律的几何意义
不论PE个数有多
少，可并行计算量
是不变的。
13
Amdahl定律的几何意义
随着PE的增大，Tp可能 会越来越小，但T1不会 改变
14
Amdahl定律的几何意义
15
4. 修改后的加速比—考虑额外开销
W o为额外开销
WS WP W p S WP W (1 f ) 1 f ( p 1 ) W p / W 0 WS W0 fW W0 p p
提供客观、公正的评价并行机的标准
5
如何进行并行机性能评测
机器级性 能测评 性能 测评 算法级性 能测评
·CPU与存储器 ·并行和通信开销 ·机器的性价比 ·加速比 ·效率 ·可扩放性
程序级性 能测评
Linpack测试标准
CPU的某些基本性能指标
工作负载 执行时间 浮点运算数 指令数目 并行执行时间 T comput 为计算时间，T 时间，T comm为相互通信时间 T n = T comput + T paro+ T comm
10
1.相关参数
P：处理器数
W：问题规模（计算负载、工作负载，给定问题的总计算量）
Ws：应用程序中的串行分量，f是串行分量比例（f =
Ws/W， Ws=W1） WP：应用程序中可并行化部分，1-f为并行分量比例 Ws+Wp=W Ts=T1 ：串行执行时间，Tp ：并行执行时间； S：加速比，E：效率；
'
30
四、加速比讨论
参考的加速经验公式： p/log p≤S≤P 线性加速比：很少通信开销的矩阵相加、内积运算等 p/log p的加速比：分治类的应用问题 通信密集类的应用问题 ：S = 1 / C （ p ）
超线性加速 ：S>P
绝对加速：最佳并行算法与串行算法
科学研究 者使用
理器数与可获得的最大的加速比；
用于指导改进并行算法和并行机体系结构，以使并 行算法尽可能地充分利用可扩充的大量处理器。
37
2.2.1 等效率度量标准
令tie ：并行系统上第i个处理器的有用计算时间
t io：第i个处理器的额外开销时间（包括通信、同步和空
闲等待时间等） T
p
：p个处理器系统上并行算法的运行时间
11
2.加速比公式
Ws Wp 固定负载的加速公式： S Ws WP / p 并行系统所能达到的