并行算法的一般设计策略
并行计算的优化策略
并行计算的优化策略随着计算机技术的不断发展，计算任务的规模和复杂度也在不断增加。
为了提高计算效率，人们开始采用并行计算的方式来进行任务处理。
然而，并行计算面临着一些挑战，如负载平衡、数据通信及同步等问题。
为了克服这些挑战，我们需要采取一系列的优化策略。
本文将介绍几种常见的并行计算优化策略。
1. 任务划分策略在并行计算中，任务的划分是决定计算负载平衡的关键。
较好的任务划分能够均衡地分配计算资源，并利用多核处理器的潜力。
首先，通过任务的分析和测量，了解任务的特点和数据依赖关系。
然后，可以采用静态划分或动态划分的方式来将任务划分为合适的粒度。
静态划分适用于计算量较大且结构稳定的任务，而动态划分适用于计算量不确定或者结构变化较大的任务。
2. 数据通信和同步策略在并行计算中，数据的通信和同步对于任务的执行效率至关重要。
高效的数据通信和同步策略可以减少通信的开销，提高并行计算的性能。
一种常见的策略是采用消息传递接口（MPI）来进行进程间的通信。
MPI提供了一系列的通信操作，如发送、接收和广播等，可以根据实际需求选择合适的通信操作。
此外，还可以利用局部数据、全局数据和共享数据的概念来进行数据通信和同步操作，以减少通信的开销。
3. 负载平衡策略负载平衡是指在并行计算中，合理地分配计算任务和数据，以充分利用计算资源，提高计算效率。
负载不平衡会导致一些处理器的利用率较高，而另一些处理器的利用率较低，降低了并行计算的整体性能。
为了实现负载平衡，可以采用动态负载平衡策略，如任务窃取和任务迁移等。
任务窃取将负载较轻的处理器从负载较重的处理器处获取任务，以保持负载平衡。
任务迁移则是将正在执行的任务迁移到负载较轻的处理器上，以实现负载均衡。
4. 数据局部性优化数据局部性是指在并行计算中，尽量使处理器访问的数据在缓存中可用，减少对主存的访问次数，提高数据的访问效率。
数据局部性优化可以通过调整数据结构和算法来实现。
一种常见的优化策略是将数据重新排列存储，使得在并行计算过程中，处理器可以访问连续的内存块，从而提高数据的局部性。
并行算法的一般设计策略总结
12
Alternative Message Passing Method
Version 2
For P1 to send A to P2 and P2 to send B to P1. Then both processes perform compare operations. P1 keeps the larger of A and B and P2 keeps the smaller of A and B:
8
并行排序的几个关键问题
串行排序算法的并行化需要把待排序的元素分布到各 个处理器上，在这过程中有几个问题需要解决。
1. 数 据 如 何 分 配 到 不 同 的 处 理 器 上 2. 不 同 处 理 器 上 的 元 素 如 何 进 行 大 小 比 较
9
问题1: 数据如何分配到不同的处理器
(1)可以把所有数据放在一个结点上，其它结点从此结点取数据并把处理 结果再回送给此结点。
11
Message-Passing Compare and Exchange
Version 1
P1 sends A to P2, which compares A and B and sends back B to P1 if A is larger than B (otherwise it sends back A to P1):
第四章 并行算法的一般设计策略
1
设计并行算法一般有3种策略：
（1）检查和开拓现有串行算法中固有的并行性，直接 将其并行化，该方法并不是对所有问题总是可行的，但对很 多应用问题仍不失为一种有效的方法； （2）从问题本身的描述出发，根据问题的固有属性， 从头设计一个全新的并行算法，这种方法有一定难度，但所 设计的并行算法通常是高效的； （3）借助已有的并行算法求解新问题。3积分算法的直接并行化 Nhomakorabea-π的计算
并行计算第七章并行算法常用设计技术
并行计算第七章并行算法常用设计技术在并行计算中，算法的设计是非常重要的，旨在提高计算速度和效率。
本章将介绍几种常用的并行算法设计技术，包括任务划分、任务调度和数据划分等。
这些技术可以帮助程序员实现高性能的并行计算。
一、任务划分任务划分是指将一个大型计算任务拆分成多个小任务，并分配给多个处理单元并行执行。
常见的任务划分策略有以下几种：1.分治法：将大问题划分成多个子问题，并分别解决。
该方法适用于问题可以被分解成一系列独立的子问题的情况。
例如，计算斐波那契数列可以使用分治法将其拆分成多个子问题，并分配给多个处理单元计算。
2.流水线：将一个长任务划分成多个子任务，并按照流水线的方式依次执行。
每个处理单元处理一个子任务，并将结果传递给下一个处理单元。
流水线技术适用于具有顺序执行步骤的应用，例如图像处理和视频编码。
3.数据并行：将输入数据划分成多个子数据集，并分配给多个处理单元并行处理。
每个处理单元只操作自己分配的子数据集，然后将结果合并。
数据并行可以提高计算速度和处理能力，适用于数据密集型应用，例如矩阵运算和图像处理。
二、任务调度任务调度是指为每个任务分配合适的处理单元，并按照一定的策略进行调度和管理。
常见的任务调度策略有以下几种：1.静态调度：在程序开始执行之前，根据预先设定的规则将任务分配给处理单元。
静态调度可以提高计算效率，但不适用于动态变化的任务。
2.动态调度：根据运行时的情况动态地调整任务的分配和调度。
动态调度可以根据负载情况来实时调整任务的分配，提高系统的整体性能。
3.动态负载平衡：将任务合理地分配给多个处理单元，使得每个处理单元的负载尽可能均衡。
动态负载平衡可以避免单个处理单元负载过重或过轻的情况，提高计算效率。
三、数据划分数据划分是指将输入数据划分成多个部分，并分配给多个处理单元。
常见的数据划分策略有以下几种：1.均匀划分：将输入数据均匀地划分成多个部分，并分配给多个处理单元。
均匀划分可以实现负载均衡，但可能导致通信开销增加。
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。
并行算法的一般设计策略
并行算法的一般设计策略并行算法是一种针对多核、多处理器系统设计的算法，通过并行执行多个任务来提高计算速度和效率。
在设计并行算法时，需要考虑一些一般设计策略，以确保算法的正确性和高效性。
1.分解任务：一般来说，并行算法的核心是将问题分解成多个小任务，并使得这些任务可以并行执行。
任务的分解可以基于问题的结构特点和任务之间的关系来确定，常见的分解方法包括分治法、任务队列等。
2.并行任务调度：在并行执行任务时，需要设计一种合适的任务调度策略，以确保任务的合理调度和均衡负载。
常见的任务调度策略包括静态调度和动态调度。
静态调度指在编译或运行前确定每个任务在哪个处理器上执行；动态调度则是在运行时根据任务的负载情况动态地调度任务。
3.数据通信和同步：并行算法中的任务可能需要在执行过程中相互通信和同步，以便共享数据和协调计算。
设计合适的数据通信和同步机制是并行算法的一个重要方面。
常用的数据通信和同步机制包括消息传递、锁、信号量等。
4.数据分布和负载均衡：在并行算法中，数据的分布对算法的性能有很大的影响。
合理地划分数据，并使得数据分布均衡，可以提高并行算法的效率。
负载均衡是指在多个处理器上分配任务，使得每个处理器的负载尽量均衡，避免出现一些处理器负载过重，造成资源浪费的情况。
5.并行算法正确性验证：设计并行算法需要考虑算法的正确性验证。
并行算法的正确性验证包括对算法的时间复杂性和空间复杂性的分析，确保算法在并行执行时结果的正确性。
常用的验证方法包括数学证明、模型检测、代码验证等。
6.优化和调优：并行算法的优化和调优是提高算法性能的一个重要环节。
通过合理设计数据结构、算法流程和通信机制，以及对硬件和软件环境的优化，可以大幅度提高并行算法的效率和吞吐量。
7.测试和调试：设计并行算法后，需要对算法进行全面的测试和调试。
并行算法的测试和调试需要考虑并行计算环境的特点和约束，涉及到并行程序的正确性验证、性能分析、可扩展性测试等。
并行算法综述
并行算法综述摘要：本文主要对并行算法的概念、设计等进行综述。
首先概要的介绍有关并行算法的相关概念，接着详细的介绍并行算法的设计策略、设计方法等，最后对并行算法的前景做简单的分析讨论，并做总结。
关键词：并行算法；算法设计；设计策略；设计方法中图分类号：tp393随着计算机时代的到来，计算机的应用和开发主要延伸到社会的各个领域，无论是国家的经济科技还是生活教育等，都能看到计算机的身影。
而高性能计算机的研究和开发更能直接体现出一个国家的经济科技水平，同时由于信息化国防建设也使得高性能计算机成为国防安全的宠儿。
世界各国都在努力争夺高性能计算机的战略制高点，这也充分说明高性能计算机对于一个国家科技实力的重要性。
计算机的发展迅速，从最初的电子管到现在大规模继承电路技术的应用，计算机的运算速度更快，功能也更加强大。
当然，其关键因素就是并行算法，并行算法直接决定着计算机性能的高低，同时并行算法的发展程度也相当明显的显示出国家计算机科技水平的发达程度，是国家综合国力的一个体现。
1 并行算法1.1 国内外研究现状并行算法研究的高峰期在70、80年代。
这一时期，涌现除了很多优秀的非数值并行算法，它们在整个并行算法研究历史上占据着非常辉煌的一页。
90年代中期以后，并行算法的研究渐渐面向实际，内容也有所扩展。
近年来，并行算法的研究更是趋于实际应用中。
比如：一种基于局部小型分布式存储架构的大规模fock矩阵建设的新的并行算法：rt并行算法；基于共享内存架构的节能性能权衡分析并行算法；在多核心cpu与gpu中基于块三角矩阵求解线性系统的并行算法；同构新的并行划分方法和巨人矩阵转置并行算法，等等。
图像匹配的并行算法；面向异构体系结构的粒子输运并行算法；海量数据拟合并行算法；基于gpu的高性能并行算法；遥感数字影像中提取植被指数的并行算法；fermi架构下超声成像组织运动可视化并行算法；分布式水文模型的并行计算；声纳图像对比度增强的并行算法；大规模稀疏矩阵特征问题求解的并行算法；分布动载荷识别的并行算法，等等。
并行计算的算法设计与优化
并行计算的算法设计与优化在计算机科学领域，随着计算机性能的提升和大规模数据处理的需求增加，并行计算逐渐成为一种重要的解决方案。
并行计算旨在通过同时执行多个计算任务来提高计算效率和性能。
本文将探讨并行计算的算法设计与优化。
一、并行计算的基本概念并行计算指的是将计算任务分解为多个独立的子任务，并在多个处理单元上同时执行这些子任务的过程。
通过并行计算，可以显著缩短计算任务的执行时间，提高计算系统的吞吐量和响应速度。
二、并行计算的算法设计原则1. 任务划分：将计算任务分解为多个互相独立的子任务，确保每个子任务间的计算关系尽可能少。
2. 数据划分：将输入数据分割为多个适当大小的块，以便每个处理单元可以独立地操作这些数据块。
3. 通信与同步：处理单元之间需要进行通信和同步操作，以便完成数据交换和协调计算任务的进度。
4. 负载均衡：分配任务给每个处理单元时，需要确保每个处理单元的负载相对均衡，避免出现某个处理单元繁忙而其他处理单元空闲的情况。
5. 数据局部性：合理利用数据局部性原则，减少处理单元之间的数据传输，以提高整体计算效率。
三、并行计算的算法优化技术1. 并行算法设计：根据具体的计算问题，设计高效的并行算法，使得各个子任务能够充分利用处理单元的计算能力。
2. 并行性分析：对计算任务之间的依赖关系进行分析，确定哪些计算任务可以并行执行，以及在并行执行时能否通过调整计算顺序来减少通信开销。
3. 算法细节优化：在编写并行算法时，注意细节上的优化，如减少数据冲突、合并通信操作、使用局部缓存等。
4. 并行化策略选择：根据具体应用场景和硬件平台的特点，选择合适的并行化策略，如任务并行、数据并行、管道并行等。
四、并行计算的实际应用1. 大规模数据处理：并行计算在大数据处理、数据挖掘和机器学习等领域具有广泛的应用，可以加速数据处理和分析过程。
2. 科学计算：并行计算广泛应用于科学计算领域，如天气预测、流体力学模拟和量子化学计算等，可以加快计算过程，提高计算精度。
并行计算 第二篇 并行算法的设计
– 并发写指令:使用三元组<地址,处理器号,待写数据>
推论: TEREW =O(TPCRCW logp )
PRAM-CRCW之间的模拟
CPRAM_CRCW上算法可在APRAM_CRCW上正确执行 APRAM_CRCW上算法可在PPRAM_CRCW上正确执行 似乎计算能力是按CPRAM_CRCW,APRAM_CRCW, PPRAM_CRCW依次增强的.在对处理器数目或对共享存 储的容量不加限制时,三个模型是等效的. 最左俘获问题:p个处理器,"活跃"或者"非活跃". 每个活跃的处理器有标记,值为0或1. 当且仅当处理器是编号最小的活跃处理器,标记为1.
(2)PRAM-CREW并发读互斥写 (3)PRAM-EREW互斥读互斥写
计算能力比较
– PRAM-CRCW是最强的计算模型,PRAM-EREW可logp倍模拟 PRAM-CREW和PRAM-CRCW TEREW ≥ TCREW ≥ TCRCW
TEREW = O (TCREW log p ) = O (TCRCW log p)
同步概念 – 同步是在时间上强使各执行进程在某一点必须 互相等待; – 可用软件,硬件和固件的办法来实现. 同步语句示例 – 算法4.1 共享存储多处理器上求和算法 输入:A=(a0,…,an-1),处理器数p 输出:S=∑ai
Begin (1)S=0 (2)for all Pi where 0≤i≤p-1 do (2.1) L=0 (2.2) for j=i to n step p do L=L+aj end for end for (2.3) lock(S) S=S+L (2.4) unlock(S) end for End
Begin (1) Compute z=Bw (2) if i=1 then yi=0 else receive(y,left) endif (3) y=y+z (4) send(y,right) (5) if i=1 then receive(y,left) End
并行计算中的程序设计策略
并行计算中的程序设计策略在计算机科学领域中，随着计算机技术的发展，对于大规模数据处理和高性能计算的需求越来越强烈。
并行计算作为一种能够提高计算机系统整体性能的方法，不仅能够高效地处理大规模数据，还可以加速计算过程，提高计算机系统的效率。
在并行计算中，程序设计策略起着至关重要的作用，决定着并行计算的性能和可扩展性。
本文将介绍一些并行计算中常用的程序设计策略，以帮助开发者优化并行计算程序的性能。
1. 任务并行任务并行是一种常见的并行计算策略，它将计算任务划分为多个独立的子任务，分配给不同的处理器同时执行。
每个子任务之间相互独立，可以并行执行，从而提高计算效率。
任务并行的关键在于任务的划分和调度。
合理地划分任务，使得每个子任务的计算量相对均匀，并且任务之间的依赖关系较小，可以最大程度地发挥并行计算的效果。
2. 数据并行数据并行是另一种常用的并行计算策略，它将数据划分为多个子数据集，分配给不同的处理器并行处理。
每个处理器上运行相同的程序，但操作的数据不同。
数据并行适用于数据量较大且相互独立的计算任务，通过并行计算加速处理过程。
在数据并行中，需要考虑数据的划分和通信问题，以确保各处理器之间能够有效地共享数据。
3. 流水线并行流水线并行是一种将计算任务划分为多个阶段，并通过多个处理器按照阶段顺序依次处理的并行计算策略。
每个处理器负责一个阶段的计算任务，通过流水线的方式将任务按照阶段顺序传递。
流水线并行适用于任务之间有明显的阶段性特征的计算任务，通过并行执行不同阶段的任务，可以提高计算效率。
4. 任务分窃并行任务分窃并行（Task Stealing）是一种常用的并行计算策略，适用于任务之间存在较大的计算量差异的情况。
在任务分窃并行中，计算任务被分配给不同的处理器，当某个处理器完成自己的任务后，可以主动从其他处理器中窃取一部分任务进行并行计算。
任务分窃并行可以实现负载平衡和任务调度的优化，提高并行计算的效率。
5. 数据流并行数据流并行是一种通过数据流的方式进行并行计算的策略。
高性能计算机系统中的并行算法设计
高性能计算机系统中的并行算法设计一、引言随着科学技术的进步，高性能计算机系统在科学研究、工程设计和商业决策等领域扮演着越来越重要的角色。
在面对日益增长的大规模数据和复杂计算问题时，有效地利用并行算法设计可以显著提高计算机系统的性能。
本文将重点讨论高性能计算机系统中的并行算法设计的原则和方法。
二、并行算法基础并行算法指的是将一个大计算任务分解为多个子任务，并通过多个处理单元同时执行这些子任务，从而实现计算任务的加速。
在设计并行算法时，我们需要考虑以下几个基本概念。
1. 独立性：在任务分解中，每个子任务都应该是独立的，即子任务之间没有数据依赖或者执行顺序的限制。
这样才能保证并行算法的正确性和可行性。
2. 并行度：并行度指的是同时执行的子任务的数量。
高并行度可以充分利用计算机系统的硬件资源，提高计算效率。
同时，设计并行算法时需要考虑系统资源的限制，以避免过高的并行度导致系统性能的下降。
3. 负载均衡：负载均衡是指将计算任务平均分配给各个处理单元，以实现最大程度的并行效率。
在实际应用中，不同子任务的执行时间可能存在差异，因此需要采用调度算法来动态调整任务的分配，以避免某个处理单元一直处于空闲状态。
三、并行算法设计方法在高性能计算机系统中，存在多种并行算法的设计方法。
下面将分析并介绍其中的几种常见方法。
1. 分而治之：这是一种基本的并行算法设计思想，将大问题分解为多个小问题，并对各个小问题进行独立求解。
这些独立求解的结果再进行合并，得到最终的解答。
例如，快速排序算法就是一种经典的分而治之的并行算法。
2. 数据并行：在数据并行算法中，将大规模的数据集划分为多个小数据集，分别由不同的处理单元进行处理。
各个处理单元之间通过通信来共享数据和计算结果。
这种算法设计方法非常适合处理大规模数据的并行计算问题，例如矩阵乘法和图像处理等。
3. 任务并行：在任务并行算法中，将大计算任务分解为多个子任务，每个子任务由不同的处理单元独立执行。
高性能计算中的并行算法设计与优化策略
高性能计算中的并行算法设计与优化策略高性能计算（High-Performance Computing, HPC）是一种通过利用并行计算能力来解决复杂问题的计算方法。
在高性能计算中，选择并设计适当的并行算法是至关重要的。
本文将探讨高性能计算中的并行算法设计与优化策略，帮助读者理解并利用并行计算的潜力。
一、并行算法设计并行算法是指将计算任务划分为多个子任务，分配给多个处理器同时运行，以达到加速计算的目的。
以下是几种常见的并行算法设计方法：1. 分治法（Divide and Conquer）：将问题分解为多个相互独立的子问题并分配到多个处理器上进行计算，然后将子问题的结果组合起来得到最终结果。
这种方法适用于能够将问题划分为多个子问题的情况。
2. 流水线算法（Pipeline）：将计算任务分为多个阶段，并将每个阶段的计算交给不同的处理器并行处理。
每个处理器只需关注当前阶段的计算，而无需等待整个任务完成。
这种方法适用于任务中存在多个相互独立的计算阶段的情况。
3. 数据并行算法（Data Parallelism）：将大规模数据划分为多个子集，分配给多个处理器同时进行处理。
每个处理器使用相同的程序，但操作的数据不同。
这种方法适用于需要对大量数据进行相同的操作的情况，如矩阵乘法等。
4. 任务并行算法（Task Parallelism）：将计算任务划分为多个独立的子任务，分配给多个处理器同时进行处理。
每个处理器负责一个或多个子任务，子任务之间相互独立。
这种方法适用于任务中存在多个相互独立的计算任务的情况。
二、并行算法优化策略设计好并行算法只是第一步，优化算法以充分利用并行计算资源才能发挥高性能计算的优势。
以下是一些常用的并行算法优化策略：1. 线程/进程管理：在并行计算中，正确管理线程或进程的创建、销毁、同步等操作是至关重要的。
避免过多的线程/进程创建和同步操作可以减少性能开销。
2. 数据局部性优化：优化数据在多核心或分布式系统中的访问模式，使得每个处理器都可以高效地访问到所需数据。
面向多核计算的并行算法设计及实现
面向多核计算的并行算法设计及实现随着科技的不断进步和计算机技术的不断发展，计算机系统的内核数还在不断增加，如何利用多核并行计算，提升计算效率均成为计算机科学领域一个重要的研究方向。
在面向多核计算的并行算法设计及实现方面，也正是众多学者和研究人员不断努力工作的方向之一。
本文将从并行计算的概念、并行算法的设计思路与策略、并行算法的实现方法以及面向多核计算的并行算法设计与实现实例等四个方面进行探讨和分析。
一、并行计算的概念并行计算是指将一个大的问题分解成许多小问题分别解决，使得多个处理器能够同时进行计算，最终得出问题的答案。
在并行计算过程中，涉及到任务划分、任务调度、数据传输等多个问题。
在实际应用中，需要根据计算问题的特性来选择合适的并行计算策略和算法设计方案。
二、并行算法的设计思路与策略1.任务划分任务划分是将一个大的问题划分成多个小问题，以便多个处理器分别进行计算。
在任务划分过程中，需要注意任务的划分方式和划分粒度。
划分方式可以分为水平划分和垂直划分两种方式，划分粒度要适中，尽量避免过大或者过小的划分。
2.任务调度任务调度是指将划分好的任务分别映射到多个处理器上，合理安排任务的执行顺序和各个处理器之间的交互。
任务调度是并行算法设计中的一个非常重要的环节，因为合理的任务调度可以充分发挥多核并行计算的优势，从而提高算法的效率。
3.数据传输在并行算法中，由于存在多个处理器和分布式计算的特点，因此数据传输也是一个比较关键的问题。
数据传输的效率和数据传输的方式密切相关，可以采用点对点传输、广播传输、全局共享内存等多种方式来进行优化。
三、并行算法的实现方法1.消息传递接口(MPICH)MPICH是一个开源的、高效的消息传递接口库，用于在分布式环境下支持高效率的多进程间通信。
MPICH利用MPI标准提供了快速、可靠的端到端通信服务，支持多种操作系统，具有诸如内存映射、消息的排队等功能，可以很好地适应不同的并行计算场景。
分布式计算系统中的并行算法设计
分布式计算系统中的并行算法设计随着互联网的普及，人们对于数据的处理需求越来越高，如何有效地利用多台计算机进行数据处理成为了一项热门的研究领域。
分布式计算系统（Distributed Computing System）因此应运而生。
分布式计算系统是由多个计算机组成的计算集群，这些计算机协同工作，共同完成运算任务。
而在分布式计算系统中，算法设计就显得格外重要，因为只有优秀的算法才能够合理地利用计算机资源完成计算任务。
本文将介绍分布式计算系统中的并行算法设计，探究优秀算法背后的设计思路。
一、并行算法设计的基本思路并行算法是指通过分割计算任务，让多台计算机同时执行不同的计算任务，以提高计算速度的一种算法，在分布式计算系统中广泛应用。
在设计并行算法时，需要考虑以下几个方面：1.分解任务：将大型任务分解为若干小型任务，以便各台计算机分别执行。
2.确定任务执行时间：根据不同的任务特点和计算机性能等因素，对任务进行评估，确定各个任务需要执行的时间。
3.任务分配：根据各台计算机的性能、负荷等因素，将任务分配至合适的计算机上执行。
4.任务调度：协调各个计算机的任务进度，避免重复计算和数据竞争等问题。
二、并行算法设计的常见方法在实际运用中，有多种方法可供选择，常见的并行算法设计方法有以下几种：1.分治法：将大问题拆分成若干小问题，分配给多个计算机分别处理，最终将结果汇总得到解决方案。
例如，在搜索引擎中，将任务分解为若干个关键词的搜索，每个计算机处理自己负责的关键词，最后将结果合并。
2.流水线法：将大型任务划分成若干阶段，各个计算机处理不同的阶段，对于同一阶段的数据，多个计算机同时处理。
例如，在图像处理中，可以将图像处理分成几个阶段，交给多个计算机依次处理，以提高处理速度。
3.蒙特卡罗方法：通过统计随机事件的数量来估计概率和结果。
这种方法适合于处理难以精确计算的问题，例如在金融领域中的股票交易预测。
4.并行搜索法：在算法搜索中，将搜索任务分为若干部分，交由多个计算机分别搜索，最终将结果合并。
《并行程序设计导论》第四章
并行程序设计导论第四章：并行算法的设计与分析并行算法是并行程序设计的核心，它直接影响着程序的性能和效率。
本章将介绍并行算法的设计方法，分析并行算法的性能，并探讨如何评估并行算法的效率。
一、并行算法的设计方法1.分治法分治法是一种常见的并行算法设计方法，它将问题分解成若干个子问题，分别解决后再合并结果。
分治法的关键在于子问题的划分和结果的合并。
在并行计算中，分治法可以充分利用多核处理器的并行性，提高程序的执行效率。
2.流水线法流水线法是一种将计算过程分解成多个阶段，每个阶段由不同的处理器并行执行的算法设计方法。
在流水线法中，数据在各个阶段之间流动，每个阶段只处理部分数据。
这种方法可以充分利用处理器的计算能力，提高程序的执行效率。
3.数据并行法数据并行法是一种将数据分解成多个部分，每个部分由不同的处理器并行处理的算法设计方法。
在数据并行法中，每个处理器处理相同的数据结构，执行相同的操作。
这种方法可以充分利用处理器的计算能力，提高程序的执行效率。
二、并行算法的性能分析1.时间复杂度时间复杂度是衡量算法性能的一个重要指标，它表示算法执行时间与输入规模之间的关系。
在并行算法中，时间复杂度通常表示为多个处理器执行时间的总和。
对于一个并行算法，我们希望其时间复杂度尽可能低，以提高程序的执行效率。
2.加速比加速比是衡量并行算法性能的另一个重要指标，它表示并行算法执行时间与最优串行算法执行时间的比值。
加速比越高，说明并行算法的性能越好。
在实际应用中，我们希望并行算法的加速比尽可能接近处理器的核心数量。
3.可扩展性可扩展性是衡量并行算法性能的另一个重要指标，它表示算法在增加处理器数量时的性能变化。
对于一个好的并行算法，我们希望其在增加处理器数量时，性能能够得到有效提升。
三、并行算法的效率评估1.性能模型性能模型是一种用于评估并行算法效率的工具，它将算法的性能与处理器数量、数据规模等因素联系起来。
通过性能模型，我们可以预测并行算法在不同条件下的性能表现，为算法设计和优化提供依据。
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。
编写高效的并行算法的技巧与实践
编写高效的并行算法的技巧与实践随着计算机处理能力的不断提高，利用并行算法来解决计算密集型问题已经成为一种趋势。
并行算法是指将一个问题划分成多个子问题，然后并发地解决这些子问题，最后将结果合并得到最终的解。
本文将探讨编写高效的并行算法的一些技巧与实践，以帮助读者更好地理解并行算法的原理和实施方法。
一、问题分解与任务调度1.1 问题分解在设计并行算法之前，首先要对问题进行合理的分解。
通常，可以将一个大问题划分成多个小问题，并通过并行地解决这些小问题来得到最终的解。
问题的分解方法可以根据实际情况选择，如数据分解、任务分解或者功能分解等。
根据问题的特点选择最合适的分解方法是编写高效并行算法的第一步。
1.2 任务调度在并行算法中，任务调度决定了并行执行的顺序和方式。
任务调度的目标是保证任务之间的负载均衡，最大程度地利用计算资源，提高并行算法的效率。
常见的任务调度策略包括静态调度和动态调度。
静态调度在程序开始之前就确定任务的分配和执行顺序，而动态调度根据实时的执行情况动态地决定任务的分配和执行顺序。
二、数据共享与同步机制2.1 数据共享在并行算法中，不同的任务之间需要共享数据才能完成任务。
数据共享是指将数据在不同的任务之间传递和交换，以保证任务的协同工作。
然而，过度的数据共享可能会导致数据竞争和性能下降。
因此，合理地设计数据共享方式是编写高效并行算法的关键之一。
2.2 同步机制同步机制是解决并行算法中的数据访问冲突和协作问题的重要手段。
通过合理地使用同步机制，可以确保多个任务按一定的顺序执行，并且在必要的时刻进行数据的同步和协调。
常见的同步机制包括互斥锁、信号量、条件变量等。
选择适当的同步机制可以提高并行算法的效率和可靠性。
三、并行算法的优化技巧3.1 数据局部性数据局部性指的是在时间上和空间上相关的数据很可能在将来的某个时刻被使用。
通过合理地利用数据局部性，可以减少数据的访问次数和访问延迟，提高并行算法的效率。
高性能计算中的并行算法设计与优化方法
高性能计算中的并行算法设计与优化方法在高性能计算领域中，并行算法的设计与优化是至关重要的。
并行算法的目标是通过同时运行多个计算单元来加速计算过程，从而提高计算性能。
本文将介绍高性能计算中的并行算法设计与优化方法，并提供一些实用的技巧和策略。
一、并行算法设计1. 任务分解与任务调度在并行计算中，任务分解是将一个大型问题拆分成多个小问题的过程。
每个小问题可以独立执行，从而实现并行计算。
任务调度则是将这些小问题分配到不同的计算单元上执行，保证任务的负载均衡和数据的一致性。
在任务分解和调度过程中，需要考虑任务的粒度和依赖关系，以及计算单元之间的通信开销。
2. 数据分布与通信在并行计算中，数据的分布和通信模式对算法性能有重要影响。
合理地将数据分布到各个计算单元上可以减少通信开销，提高并行效率。
一般来说，最好将数据局部化，使得每个计算单元只需访问本地数据，尽量避免远程通信。
同时，需要设计高效的通信模式，减少通信次数和数据传输量，例如采用一对一通信、广播、归约等方式。
3. 并行算法的正确性并行算法的正确性是设计过程中需要考虑的重要问题。
并行算法的设计需要保证与串行算法相同的计算结果。
为了确保并行算法的正确性，可以采用工作量分析、任务依赖分析、数据流分析等技术来进行验证和测试。
二、并行算法优化方法1. 合理利用硬件资源在高性能计算中，合理利用硬件资源可以最大程度地提高算法性能。
例如，可以通过充分利用计算节点上的多核处理器、多层内存和高带宽网络等硬件资源，来提高并行计算效率。
此外，还可以采用硬件加速器（如GPU）等特殊硬件设备来加速计算过程。
2. 优化计算过程优化计算过程是提高并行算法性能的重要措施。
通过合理选择算法和数据结构，减少计算量和内存占用，可以提高并行算法的效率。
此外，还可以采用循环展开、向量化、并行化等技术来优化计算过程，并充分发挥硬件资源的威力。
3. 降低通信开销通信开销是并行算法性能的一个重要限制因素。
6 并行算法基本设计策略
第二篇并行算法的设计第五章并行算法与并行计算模型第六章并行算法基本设计策略第七章并行算法常用设计技术第八章并行算法一般设计过程第六章并行算法基本设计策略6.1 串行算法的直接并行化6.1.1设计方法描述6.1.2快排序算法的并行化6.2 从问题描述开始设计并行算法6.3借用已有算法求解新问题设计方法的描述方法描述发掘和利用现有串行算法中的并行性，直接将串行算法改造为并行算法。
评注由串行算法直接并行化的方法是并行算法设计的最常用方法之一；不是所有的串行算法都可以直接并行化的；一个好的串行算法并不能并行化为一个好的并行算法；许多数值串行算法可以并行化为有效的数值并行算法。
第六章并行算法基本设计策略6.1 串行算法的直接并行化6.1.1设计方法描述6.1.2快排序算法的并行化6.2 从问题描述开始设计并行算法6.3借用已有算法求解新问题快排序算法的并行化（1） SISD上的快排序算法6.1输入：无序序列（Aq……Ar）输出：有序序列（Aq……Ar）Procedure Quicrsort(A，q，r);Beginif q<r then(1) x=Aq(2) s=q(3) for i=q+1 to r doif Ai≤x thens=s+1swap(As ,Ai)end ifendfor（4）swap(A q，A s)（5）Quicksort(A，q，s)（6）Quicksort(A，s+1，r)end ifend对于长度为n的序列，在最坏情况下的划分的两个子序别为n-1及1的长度、相应的运行时间为t(n)=t(n-1)+Θ(n)，其解为t(n) =Θ(n2).理想的情况是所划分的两个子序列等长，相应的运行时间为t(n)=2t(n/2)+Θ(n),其解为t(n)=Θ(n log n).快排序算法的并行化（2）快排序的并行化 一种自然的并行化方法是并行地调用快排序对两个所划分的子序列进行快排序。
这种方法并不改变串行算法本身的属性，很容易改成并行形式。
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13
再来看每个处理器上存储多个待排序元素的情况。设 处理器个数为p，待排序元素数目为n，则每个处理器 上平均有n/p个元素。
以下是串行冒泡排序算法： void BUBBLE_SORT(n) { for i:=n-1 downto 1 do for j:=1 to i do compare-exchange (aj,aj+1); }
21
冒泡排序的步骤
22
可以通过一些手段来提高其性能，比如当没有发现交 换时便结束循环等，不过这并不改变算法运行的时间 复杂度O(n2)。
步骤⑵的时间复杂度为O（n）；步骤⑶中主进 程完成的数组元素重定位操作的时间复杂度为O
（n），通信复杂度分别为O（n）；同时⑴中的
通信复杂度为O（n2）；所以总的计算复杂度为
Begin
O（n），总的通信复杂度为O（n2）。
(1)
P0播送a[1]…a[n]给所有Pi
(2) for all Pi where 1≤i≤n para-do
第四章 并行算法的一般设计策略
1
设计并行算法一般有3种策略： （1）检查和开拓现有串行算法中固有的并行性，直接
将其并行化，该方法并不是对所有问题总是可行的，但对很 多应用问题仍不失为一种有效的方法；
（2）从问题本身的描述出发，根据问题的固有属性， 从头设计一个全新的并行算法，这种方法有一定难度，但所 设计的并行算法通常是高效的；
定义每个处理器上的所有元素为一个超元素，定义超 元素之间的大小关系。当一个超元素E1中的所有元素 都 不 大 于 另 一 个 超 元 素 E2 中 的 任 何 元 素 时 ， 定 义 为 E1≤E2。同理定义等于（=）、小于等于（≥）等关系。 与普通元素不同的是，两个超元素之间可能不是≥、＝、 ≤中的任何一个。容易验证，超元素之间的≤关系满足 传递性。
9
问题1: 数据如何分配到不同的处理器
(1)可以把所有数据放在一个结点上，其它结点从此结点取数据并把处理 结果再回送给此结点。
很多情况下要求源数据和处理结果数据都分布在不同的结点上，这就 要考虑数据的分布问题。 （2)、一个直观的办法是把所有参与排序的处理器和数据编号，源数据按 照其编号取模分布到相应的处理器上。
18
枚举排序的并行算法
对该算法的并行化是很简单的，假设对一个长为n的 输入序列使用n个处理器进行排序，只需每个处理器负责完 成对其中一个元素的定位，然后将所有的定位信息集中到主 进程中，由主进程负责完成所有元素的最终排位。
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枚举排序并行算法
输入：无序数组a[1]…a[n] 输出：有序数组b[1]…b[n]
0
1
4
计算π的串行C代码
#define N 1000000 main() {
double local, pi = 0.0, w; long i; w=1.0/N; for (i = 0; i<N; i ++) {
local = (i + 0.5)*w; pi = pi + 4.0/(1.0+local * local); } printf(“pi is %f \n”, pi *w); }
考虑一种极端的情况，待排序的元素与处理器的个数一样 多，这样每个处理器上存储一个待排序元素。假定在算法 执行过程中，两个处理器Pi和Pj要比较它们的元素ai和aj， 比较结束后，Pi上要存储两个元素中较小的一个，而Pj则 存储较大的一个。
如何完成比较呢？
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Message-Passing Compare and Exchange
}
27
串行奇偶置换冒泡排序的并行化
void ODD-EVEN_PAR(n) {
id=processor’s label for( i=1,i<= n,i++)
{ if i is odd then if id is odd then compare-exchange_min(id+1); else compare-exchange_max(id-1);
if i is even then if id is even then compare-exchange_min(id+1); else compare-exchange_max(id-1);
} }
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（归并排序）Mergesort
A classical sequential sorting algorithm using divideand-conquer approach. Unsorted list first divided into half. Each half is again divided into two. Continued until individual numbers are obtained.
Version 1
P1 sends A to P2, which compares A and B and sends back B to P1 if A is larger than B (otherwise it Байду номын сангаасends back A to P1):
12
Alternative Message Passing Method
（3）借助已有的并行算法求解新问题。
2
4.1 串行算法的直接并行化
方法描述
• 发掘和利用现有串行算法中的并行性，直接将串行算法改 造为并行算法。
评注
• 由串行算法直接并行化的方法是并行算法设计的最常用方 法之一；
• 并非所有的串行算法都可以并行化； • 一个好的串行算法并不能并行化为一个好的并行算法，相
经过n个阶段进行这样的操作后，整个序列便处于有序状 态。
25
对8个数进行奇偶互换排序
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串行奇偶置换冒泡排序程序
void ODD-EVEN(n) {
for( i=1 ,i<= n ,i++) { if i is odd then for(j=0,j<= n/2-1,j++) compare-exchange(a2j+1,a2j+2); if i is even then for( j=1 ,j<= n/2-1 ,j++) compare-exchange(a2j,a2j+1); }
设待排序的元素数目为n，以n为偶数来说明奇偶置换排 序。奇偶置换排序用n个阶段完成对n个元素的排序，每 一个阶段需要n/2个比较+交换操作。这n个阶段分成两类， 分别称为奇操作阶段和偶操作阶段。
设 a1, a2,...,K,...,an 是待排序的序列，在每个奇操作阶段， 奇数索引的元素与自己的右邻居进行比较并在必要时交换， 同样，在每个偶操作阶段，偶数索引的元素与自己的右邻 居进行比较和交换。
Version 2
For P1 to send A to P2 and P2 to send B to P1. Then both processes perform compare operations. P1 keeps the larger of A and B and P2 keeps the smaller of A and B:
来看两个编号相邻的处理器之间如何进行元素比较。 与每个处理器上一个元素的情形类似，每个处理器把 超元素发给对应的处理器，每个处理器在接受到对方 的超元素后，合并两个超元素并排序（归并排序）， 然后Pi取值较小的一半，而Pj则取值较大的一半。整个 过程分四步：通信-比较-合并-拆分
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Merging Two Sublists — Version 1
Then pairs of numbers combined (merged) into sorted list of two numbers. Pairs of these lists of four numbers are merged into sorted lists of eight numbers. This is continued until the one fully sorted list is obtained.
冒泡排序顺次比较相邻的元素，这在本质上是一个串 行的过程，很难并行化。将顺次的比较过程并行化将 导致算法错误，得不到预想的结果。
考虑到内循环的下一次迭代的“冒泡”动作可以在前 一次迭代完成之前开始，只要下一次“冒泡”动作不 影响前一次迭代，所以可以开发流水线并行算法。
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流水线并行
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一维线性网络中的奇偶置换冒泡排序
(2.1)k=1
(2.2)for j = 1 to n do
if (a[i] > a[j]) or (a[i] = a[j] and i>j) then
k = k+1
end if
end for
(3) P0收集k并按序定位 End
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冒泡排序串行算法
串行冒泡排序算法包括两个循环，每次操作比较两个相邻 的元素，然后通过交换使之符合指定的排序。
反一个不好的串行算法则有可能产生很优秀的并行算法， 例如枚举排序不是一种好的串行算法。但是将其直接并行 化后可以得到比较好的并行算法 ； • 显著优点：无需考虑算法的稳定性、收敛性等复杂问题。
3
积分算法的直接并行化--π的计算
14 0 1 x2
dx
0i N
1
i