Уровень алгоритма

Последовательно-параллельный метод суммирования: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][досмотренная версия]
Нет описания правки
 
(не показаны 42 промежуточные версии 10 участников)
Строка 1: Строка 1:
== Описание свойств и структуры алгоритма ==
{{level-a}}


=== Словесное описание алгоритма ===
{{algorithm
| name              = Последовательно-параллельный метод суммирования
| serial_complexity = <math>n-1</math>
| pf_height        = <math>O(\sqrt{n})</math>
| pf_width          = <math>O(\sqrt{n})</math>
| input_data        = <math>n</math>
| output_data      = <math>1</math>
}}


'''Последовательно-параллельный метод''' используется в качестве блочной реализации вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового суммирования). Получил распространение благодаря следующим особенностям: а) реализует приём получения двойных циклов из одинарных; б) в последовательной архитектуре компьютеров позволял для ряда операций уменьшать влияние округления на результат. Здесь будем описывать его версию для суммирования чисел.
Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]].


=== Математическое описание ===
== Свойства и структура алгоритма ==
 
=== Общее описание алгоритма ===
 
'''Последовательно-параллельный метод''' используется в качестве эрзаца блочной реализации вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового суммирования). Получил распространение благодаря следующим особенностям: а) реализует приём получения двойных циклов из одинарных; б) в последовательной архитектуре компьютеров позволял для ряда операций уменьшать влияние округления на результат. Здесь будем описывать его версию для суммирования чисел.
 
=== Математическое описание алгоритма ===


Исходные данные: одномерный массив <math>N</math> чисел.
Исходные данные: одномерный массив <math>N</math> чисел.
Строка 36: Строка 49:
:<math>\sum_{i = 1}^p S_i</math>
:<math>\sum_{i = 1}^p S_i</math>


=== Описание схемы реализации последовательного алгоритма ===
=== Схема реализации последовательного алгоритма ===


Формулы метода описаны выше. Последовательность исполнения суммирования может быть разная — как по возрастанию, так и по убыванию индексов. Обычно без особых причин порядок не меняют, используя естественный (возрастание индексов).
Формулы метода описаны выше. Последовательность исполнения суммирования может быть разная — как по возрастанию, так и по убыванию индексов. Обычно без особых причин порядок не меняют, используя естественный (возрастание индексов).
Строка 46: Строка 59:
=== Информационный граф ===
=== Информационный граф ===


Опишем граф алгоритма в виде рисунка. В данном случае выполнено суммирование 30 элементов массива.
На рис.1 изображён граф алгоритма. В данном случае выполнено суммирование 24 элементов массива.
 
[[file:series-parallel summation graph.png|center|thumb|600px|Рисунок 1. Последовательно-параллельный метод суммирования массива]]


[[file:series-parallel summation graph.png|center|thumb|600px]]
<center>
{{#widget:Algoviewer
|url=seq_par/Algo_view_seq_par4.html
|width=1300
|height=800
|border=1
}}
<br/>
Интерактивное изображение графа алгоритма без входных и выходных данных для случая суммирования 20 элементов массива
</center>


=== Описание ресурса параллелизма алгоритма ===
=== Описание ресурса параллелизма алгоритма ===
Строка 60: Строка 84:
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, последовательно-параллельный метод относится к алгоритмам со сложностью ''корень квадратный''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет такой же — ''корень квадратный''.
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, последовательно-параллельный метод относится к алгоритмам со сложностью ''корень квадратный''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет такой же — ''корень квадратный''.


=== Описание входных и выходных данных ===
=== Входные и выходные данные алгоритма ===


Входные данные: массив <math>\vec{x}</math> (элементы <math>x_i</math>).
Входные данные: массив <math>\vec{x}</math> (элементы <math>x_i</math>).
Строка 76: Строка 100:
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является ''корнем квадратным'' (отношение линейной к корню квадратному). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — всего-навсего ''1 (входных и выходных данных столько же, сколько операций)''. При этом алгоритм не вполне полностью детерминирован, суммирование может быть проведено в разном порядке. Использование другого порядка выполнения ассоциативных операций может дать, с учётом особенностей входных данных, уменьшение влияния ошибок округления на результат. Дуги информационного графа локальны.
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является ''корнем квадратным'' (отношение линейной к корню квадратному). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — всего-навсего ''1 (входных и выходных данных столько же, сколько операций)''. При этом алгоритм не вполне полностью детерминирован, суммирование может быть проведено в разном порядке. Использование другого порядка выполнения ассоциативных операций может дать, с учётом особенностей входных данных, уменьшение влияния ошибок округления на результат. Дуги информационного графа локальны.


== Программная реализация ==
== Программная реализация алгоритма ==


=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
Строка 102: Строка 126:
Можно записать и аналогичные схемы, где суммирование будет проводиться в обратном порядке. Подчеркнём, что граф алгоритма обеих схем — [[#Информационный граф|один и тот же]]!
Можно записать и аналогичные схемы, где суммирование будет проводиться в обратном порядке. Подчеркнём, что граф алгоритма обеих схем — [[#Информационный граф|один и тот же]]!


=== Описание локальности данных и вычислений ===
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
==== Описание локальности алгоритма ====
==== Описание локальности реализации алгоритма ====
===== Описание структуры обращений в память и качественная оценка локальности =====


[[file:Seqpar sum 1.PNG|thumb|center|700px|Рисунок 12.1. Суммирование элементов массива. Общий профиль обращений в память]]
В чистом виде алгоритм последовательно-параллельного метода для суммирования массива встречается редко, в основном встречаются его модификации, например для случаев вычисления скалярного произведения (вместо элементов массива будут фигурировать произведения элементов двух массивов), равномерной нормы (вместо элементов массива — их модули) и т. п. В случае вычисления скалярного произведения в одном из частных случаев подобный приём применён в библиотеке BLAS (там одна из размерностей равна 5), но, видимо, не для распараллеливания, а для оптимизации работы с регистрами процессора. Между тем, разбиения массивов на группы для вычислений частных сумм могут быть полезны и для лучшего использования кэша на отдельных узлах.


На рис. 12.1 представлен профиль обращений в память для суммирования элементов массива. Данный профиль состоит из обращений к двум массивам, фрагменты для отдельных массивов выделены на рис. 12.1 зеленым цветом. Поскольку мы рассматриваем последовательную реализацию последовательно-параллельного метода суммирования, строение профиля практически никак не зависит от выбранного количества ветвей – будет меняться только число задействованных элементов во фрагменте 1.
=== Результаты прогонов ===
 
=== Выводы для классов архитектур ===
Фрагмент 2 устроен очень просто и представляет собой последовательный перебор всех элементов массива. Фрагмент 1 состоит из двух одинаковых переборов элементов массива, что хорошо видно из рис. 12.2, где данный фрагмент рассмотрен отдельно.
 
[[file:Seqpar sum 2.jpg|thumb|center|400px|Рисунок 12.2. Фрагмент 1 (профиль обращений к первому массиву)]]
 
Данные фрагмент характеризуются высокой пространственной локальностью и низкой временной, поскольку практически отсутствуют повторные обращения.
 
===== Количественная оценка локальности =====
 
Первая оценка выполняется на основе характеристики daps, которая оценивает число выполненных обращений (чтений и записей) в память в секунду. Данная характеристика является аналогом оценки flops применительно к работе с памятью и является в большей степени оценкой производительности взаимодействия с памятью, чем оценкой локальности. Однако она служит хорошим источником информации, в том числе для сравнения с результатами по следующей характеристике cvg.
 
На рисунке 12.3 приведены значения daps для реализаций распространенных алгоритмов, отсортированные по возрастанию (чем больше daps, тем в общем случае выше производительность). Можно увидеть, что значение данной оценки достаточно высоко и близко к последовательно-параллельному скалярному произведению двух векторов, что является закономерным вследствие однотипности структуры выполняемых операций.
 
[[file:Seqpar sum daps ru.PNG|thumb|center|700px|Рисунок 12.3. Сравнение значений оценки daps]]
 
Вторая характеристика – cvg – предназначена для получения более машинно-независимой оценки локальности. Она определяет, насколько часто в программе необходимо подтягивать данные в кэш-память. Соответственно, чем меньше значение cvg, тем реже это нужно делать, тем лучше локальность.


На рисунке 12.4 приведены значения cvg для того же набора реализаций, отсортированные по убыванию (чем меньше cvg, тем в общем случае выше локальность). Можно увидеть, что, согласно данной оценке, локальность профиля достаточно высока, что коррелирует со значением оценки daps.
== Литература ==


[[file:Seqpar sum cvg.PNG|thumb|center|700px|Рисунок 12.4. Сравнение значений оценки cvg]]
<references />


=== Возможные способы и особенности реализации параллельного алгоритма ===
[[Категория:Законченные статьи]]
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации ===
[[Категория:Последовательно-параллельная группировка операций]]
==== Описание масштабируемости алгоритма ====
[[Категория:Векторные операции]]
==== Описание масштабируемости реализации алгоритма ====
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ===
=== Выводы для классов архитектур ===
=== Существующие реализации алгоритма ===


В чистом виде алгоритм последовательно-параллельного метода для суммирования массива встречается редко, в основном встречаются его модификации, например для случаев вычисления скалярного произведения (вместо элементов массива будут фигурировать произведения элементов двух массивов), равномерной нормы (вместо элементов массива — их модули) и т. п. В случае вычисления скалярного произведения в одном из частных случаев подобный приём применён в библиотеке BLAS (там одна из размерностей равна 5), но, видимо, не для распараллеливания, а для оптимизации работы с регистрами процессора. Между тем, разбиения массивов на группы для вычислений частных сумм могут быть полезны и для лучшего использования кэша на отдельных узлах.
[[En:The serial-parallel summation method]]

Текущая версия от 10:13, 20 февраля 2025




Последовательно-параллельный метод суммирования
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]\displaystyle{ n-1 }[/math]
Объём входных данных [math]\displaystyle{ n }[/math]
Объём выходных данных [math]\displaystyle{ 1 }[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ O(\sqrt{n}) }[/math]
Ширина ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ O(\sqrt{n}) }[/math]


Основные авторы описания: А.В.Фролов.

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Последовательно-параллельный метод используется в качестве эрзаца блочной реализации вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового суммирования). Получил распространение благодаря следующим особенностям: а) реализует приём получения двойных циклов из одинарных; б) в последовательной архитектуре компьютеров позволял для ряда операций уменьшать влияние округления на результат. Здесь будем описывать его версию для суммирования чисел.

Математическое описание алгоритма

Исходные данные: одномерный массив [math]\displaystyle{ N }[/math] чисел.

Вычисляемые данные: сумма элементов массива.

Формулы метода: число [math]\displaystyle{ N }[/math] разлагается в выражение типа [math]\displaystyle{ N = (p - 1) k + q }[/math], где [math]\displaystyle{ p }[/math] — количество процессоров, [math]\displaystyle{ k = \lceil \frac{N}{p} \rceil }[/math], [math]\displaystyle{ q = N - k (p - 1) }[/math].

После этого на [math]\displaystyle{ i }[/math]-м процессоре ([math]\displaystyle{ i \lt p }[/math]) последовательно вычисляется сумма элементов массива, начиная с [math]\displaystyle{ (i - 1) k + 1 }[/math]-го, до [math]\displaystyle{ i k }[/math]-го.

[math]\displaystyle{ S_i = \sum_{j = 1}^k x_{k (i - 1) + j} }[/math]

На [math]\displaystyle{ p }[/math]-м процессоре последовательно вычисляется сумма элементов массива, начиная с [math]\displaystyle{ (p - 1) k + 1 }[/math]-го до [math]\displaystyle{ (p - 1) k + q }[/math]-го.

[math]\displaystyle{ S_p = \sum_{j = 1}^q x_{k (p - 1) + j} }[/math]

По окончании этого процесса процессоры обмениваются данными и на одном из них (либо на всех одновременно, если результат нужен далее на всех процессорах) получившиеся суммы суммируются последовательно друг с другом.

[math]\displaystyle{ \sum_{i = 1}^p S_i }[/math]

Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро последовательно-параллельного метода суммирования можно составить из множественных (всего [math]\displaystyle{ p }[/math]) вычислений сумм элементов массива:

[math]\displaystyle{ S_i = \sum_{j = 1}^k x_{k (i - 1) + j} }[/math]

и ещё одного вычисления суммы элементов частичных сумм

[math]\displaystyle{ \sum_{i = 1}^p S_i }[/math]

Макроструктура алгоритма

Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют множественные (всего [math]\displaystyle{ p + 1 }[/math]) вычисления сумм

[math]\displaystyle{ S_i = \sum_{j = 1}^k x_{k (i - 1) + j} }[/math]
[math]\displaystyle{ \sum_{i = 1}^p S_i }[/math]

Схема реализации последовательного алгоритма

Формулы метода описаны выше. Последовательность исполнения суммирования может быть разная — как по возрастанию, так и по убыванию индексов. Обычно без особых причин порядок не меняют, используя естественный (возрастание индексов).

Последовательная сложность алгоритма

Для вычисления суммы массива, состоящего из [math]\displaystyle{ N }[/math] элементов, при любых разложениях [math]\displaystyle{ N }[/math] суть алгоритма сводится к простому переставлению скобок в формуле суммирования, и количество операций неизменно и равно [math]\displaystyle{ N - 1 }[/math]. Поэтому алгоритм должен быть отнесён к алгоритмам линейной сложности по количеству последовательных операций.

Информационный граф

На рис.1 изображён граф алгоритма. В данном случае выполнено суммирование 24 элементов массива.

Рисунок 1. Последовательно-параллельный метод суммирования массива


Интерактивное изображение графа алгоритма без входных и выходных данных для случая суммирования 20 элементов массива

Описание ресурса параллелизма алгоритма

Для суммирования массива порядка [math]\displaystyle{ n }[/math] последовательно-параллельным методом в параллельном варианте требуется последовательно выполнить следующие ярусы:

  • [math]\displaystyle{ k - 1 }[/math] ярусов суммирования по частям массива ([math]\displaystyle{ p }[/math] ветвей),
  • [math]\displaystyle{ p - 1 }[/math] ярусов суммирования (одна последовательная ветвь).

Таким образом, в параллельном варианте критический путь алгоритма (и соответствующая ему высота ЯПФ) будет зависеть от произведённого разбиения массива на части. В оптимальном случае ([math]\displaystyle{ p = \sqrt{n} }[/math]) высота ЯПФ будет равна [math]\displaystyle{ 2 \sqrt{n} - 2 }[/math].

При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, последовательно-параллельный метод относится к алгоритмам со сложностью корень квадратный. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет такой же — корень квадратный.

Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: массив [math]\displaystyle{ \vec{x} }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ x_i }[/math]).

Дополнительные ограничения: отсутствуют.

Объём входных данных: [math]\displaystyle{ N }[/math].

Выходные данные: сумма элементов массива.

Объём выходных данных: один скаляр.

Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является корнем квадратным (отношение линейной к корню квадратному). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — всего-навсего 1 (входных и выходных данных столько же, сколько операций). При этом алгоритм не вполне полностью детерминирован, суммирование может быть проведено в разном порядке. Использование другого порядка выполнения ассоциативных операций может дать, с учётом особенностей входных данных, уменьшение влияния ошибок округления на результат. Дуги информационного графа локальны.

Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

В простейшем (без перестановок суммирования) варианте на Фортране можно записать так:

	DO  I = 1, P
		S (I) = X(K*(I-1)+1)
		IF (I.LQ.P) THEN
			DO J = 2,K
				S(I)=S(I)+X(K*(I-1)+J)
		             END DO
		ELSE
			DO J = 2,Q
				S(I)=S(I)+X(K*(I-1)+J)
		             END DO
		END IF
	END DO
	SUM = S(1)
	DO I = 2, P
		SUM = SUM + S(I)
	END DO

Можно записать и аналогичные схемы, где суммирование будет проводиться в обратном порядке. Подчеркнём, что граф алгоритма обеих схем — один и тот же!

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

В чистом виде алгоритм последовательно-параллельного метода для суммирования массива встречается редко, в основном встречаются его модификации, например для случаев вычисления скалярного произведения (вместо элементов массива будут фигурировать произведения элементов двух массивов), равномерной нормы (вместо элементов массива — их модули) и т. п. В случае вычисления скалярного произведения в одном из частных случаев подобный приём применён в библиотеке BLAS (там одна из размерностей равна 5), но, видимо, не для распараллеливания, а для оптимизации работы с регистрами процессора. Между тем, разбиения массивов на группы для вычислений частных сумм могут быть полезны и для лучшего использования кэша на отдельных узлах.

Результаты прогонов

Выводы для классов архитектур

Литература