Участник:Kisel dv/DNS алгоритм умножения матриц: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нет описания правки
 
(не показано 26 промежуточных версий этого же участника)
Строка 4: Строка 4:
== Общее описание алгоритма ==
== Общее описание алгоритма ==
Алгоритм DNS(Dekel, Nassimi, Sahni - назван по фамилиям создателей) является одним из блочных алгоритмов решения задачи <math>C = AB</math>&nbsp; перемножения двух матриц. Для данного алгоритма мы не используем какие-либо свойства матриц <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp;.
Алгоритм DNS(Dekel, Nassimi, Sahni - назван по фамилиям создателей) является одним из блочных алгоритмов решения задачи <math>C = AB</math>&nbsp; перемножения двух матриц. Для данного алгоритма мы не используем какие-либо свойства матриц <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp;.
DNS основан на разделении промежуточных данных, его преимуществом является временная сложность <math>O(log(n))</math>&nbsp; при вычислительной сложности <math>O(\frac{n^3}{log(n)})</math>&nbsp;. Достигается это за счет 3d-секционирования(англ. partitioning), в отличие от альтернатив, использующих 2d-секционирование(например, алгоритм Кэннона). Тем самым, алгоритм DNS представим в виде куба, где матрицы <math>A</math>&nbsp;, <math>B</math>&nbsp; и матрица <math>C</math>&nbsp; ортогональны друг другу<ref>E. Dekel, D. Nassimi, and S. Sahni, “Parallel Matrix and Graph Algorithms,” SIAM, Journal on Computing, vol. 10, no. 4, Nov. 1981, pp. 657-675.</ref>. Далее данное описание будет рассмотрено подробнее.
DNS основан на блочном разделении данных, его преимуществом является временная сложность <math>O(log(n))</math>&nbsp; при вычислительной сложности <math>O(\frac{n^3}{log(n)})</math>&nbsp;. Достигается это за счет 3d-секционирования(англ. partitioning), в отличие от альтернатив, использующих 2d-секционирование(например, алгоритм Кэннона). Тем самым, алгоритм DNS представим в виде куба, где матрицы <math>A</math>&nbsp;, <math>B</math>&nbsp; и матрица <math>C</math>&nbsp; ортогональны друг другу<ref>E. Dekel, D. Nassimi, and S. Sahni, “Parallel Matrix and Graph Algorithms,” SIAM, Journal on Computing, vol. 10, no. 4, Nov. 1981, pp. 657-675.</ref>. [[#Ресурс параллелизма алгоритма|Далее]] данное описание будет рассмотрено подробнее.


== Математическое описание алгоритма ==
== Математическое описание алгоритма ==


Исходные данные: матрицы <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp; с элементами <math>a_{ij}</math>&nbsp; и <math>b_{ij}</math>&nbsp;, соответственно.
Исходные данные: матрицы <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp; с блоками <math>A_{ij}</math>&nbsp; и <math>B_{ij}</math>&nbsp;, соответственно.


Вычисляемые данные: матрица <math>C</math>&nbsp; с блоками <math>C_{ij}</math>&nbsp;
Вычисляемые данные: матрица <math>C</math>&nbsp; с блоками <math>C_{ij}</math>&nbsp;
Строка 14: Строка 14:
Используемые формулы:
Используемые формулы:


<math>\sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1]  </math>&nbsp;,
<math>C_{ij} = \sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1]  </math>&nbsp;,
где  <math> m \times m </math>&nbsp; - количество блоков матрицы.
где  <math> m \times m </math>&nbsp; - количество блоков матрицы.


Строка 36: Строка 36:
  C_{ij}</math>&nbsp;. В цикле выполним последовательное умножение блоков матриц операндов и суммирование результатов.
  C_{ij}</math>&nbsp;. В цикле выполним последовательное умножение блоков матриц операндов и суммирование результатов.


<math>C_{ij} = \sum_{m=0}^{n-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1]  </math>&nbsp;
<math>C_{ij} = \sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1]  </math>&nbsp;


В результате получаем матрицу <math>C</math>&nbsp;, равную произведению матриц <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp;.
В результате получаем матрицу <math>C</math>&nbsp;, равную произведению матриц <math>A</math>&nbsp; и <math>B</math>&nbsp;.
Строка 42: Строка 42:
== Последовательная сложность алгоритма ==
== Последовательная сложность алгоритма ==


Рассматриваем матрицы размером <math>n \times n</math>&nbsp;, разбитые на <math>m \times m</math>&nbsp; блоков размера <math>\frac{n}{m}</math>&nbsp;.
Для умножение данных матриц в последовательном варианте требуется по <math> n^3 </math>&nbsp; умножений и сложений.
При классификации по последовательной сложности, таким образом, алгоритм умножения матриц относится к алгоритмам ''с кубической сложностью''.


== Информационный граф ==
== Информационный граф ==


[[File:InfographDNS.png|thumb|center|500px|]]
Серым на графе помечен этап, в котором происходит считывание матриц <math>A</math> и <math>B</math> и их запись в "смежные грани куба".
Далее как бы проецируем каждый блок матрицы на каждую плоскость куба из процессов(на каждую плоскость, параллельную рассматриваемой матрице, см.рисунок выше), таким образом в каждом из них будет выполняться свое умножение уникальной комбинации блоков("синий" этап).
Зеленым обозначен этап суммирования и вывода результата - матрицы <math>C</math>.


== Ресурс параллелизма алгоритма ==
== Ресурс параллелизма алгоритма ==


<math> \cdot </math>&nbsp; Рассмотрим <math>n^3</math>&nbsp; процессов, доступных для умножения двух матриц размером <math>n \times n</math>&nbsp;. Представим их в виде трехмерного массива  
<math> \cdot </math>&nbsp; Рассмотрим <math>m^3</math>&nbsp; процессов, доступных для умножения двух матриц размером <math>n \times n</math>&nbsp;, разбитых на <math>m \times m</math>&nbsp; блоков. Представим их в виде трехмерного массива  
<math> n \times n \times n</math>&nbsp;.
<math> m \times m \times m</math>&nbsp;.
 
<math> \cdot </math>&nbsp; Процессы именованы согласно их расположению в массиве, соответственно, вычисление произведения <math> A_{ik}B_{kj} </math>&nbsp; присвоено процессу с координатами <math> [i, j, k] (0 \leq i,j,k < m) </math>&nbsp;.
 
<math> \cdot </math>&nbsp; После того, как каждый процесс завершил умножение, результаты процессов <math> [i, j, 0], [i, j, 1], ..., [i, j, m-1] </math>&nbsp; суммируются в <math> C_{ij} </math>&nbsp;. Суммирование всех <math> C_{ij} </math>&nbsp; может выполняться одновременно за <math> log(m) </math>&nbsp; шагов. <ref>http://parallelcomp.uw.hu/ch08lev1sec2.html</ref>


<math> \cdot </math>&nbsp; Процессы именованы согласно их расположению в массиве, соответственно, вычисление произведения <math> a_{ik}b_{kj} </math>&nbsp; присвоено процессу с координатами <math> [i, j, k] (0 \leq i,j,k < n) </math>&nbsp;.


<math> \cdot </math>&nbsp; После того, как каждый процесс завершил умножение, результаты процессов <math> [i, j, 0], [i, j, 1], ..., [i, j, n-1] </math>&nbsp; суммируются в <math> c_{ij} </math>&nbsp;. Суммирование всех <math> c_{ij} </math>&nbsp; может выполняться одновременно за <math> log(n) </math>&nbsp; шагов. <ref>http://parallelcomp.uw.hu/ch08lev1sec2.html</ref>
[[File:DNS1.PNG|thumb|center|500px|]]


[[File:DNS2.PNG|thumb|center|500px|]]


== Входные и выходные данные алгоритма ==
== Входные и выходные данные алгоритма ==


'''Входные данные''': матрица <math>A</math> (элементы <math>a_{ij}</math>), матрица <math>B</math> (элементы <math>b_{ij}</math>)).
'''Объём входных данных''': <math>2n^2</math>
'''Выходные данные''': матрица <math>C</math> (элементы <math>c_{ij}</math>).
'''Объём выходных данных''': <math>n^2</math>


== Свойства алгоритма ==
== Свойства алгоритма ==


= Программная реализация алгоритма =
= Программная реализация алгоритма =
Строка 66: Строка 89:
== Особенности реализации последовательного алгоритма ==
== Особенности реализации последовательного алгоритма ==


== Локальность данных и вычислений ==


== Локальность данных и вычислений ==
== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
 
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
 
=== Масштабируемость алгоритма ===
 
Рассматривались квадратные матрицы размерностью  <math>N</math>, где  <math>500\leqslant N \leqslant 2000</math>, а число процессов изменялось от  <math>2</math> до <math>128</math>. Для примера посмотрим как изменялось время выполнения программы в зависимости от числа процессов (здесь берутся матрицы размера <math>N = 2000</math>)
 
Размер блоков, на которые разбивается матрица, выбирается по оптимальному принципу: целая часть от <math>\frac{N}{q^{\frac{1}{3}}}</math>, где <math>N, q</math>, соответственно, размер матрицы и количество процессов.
 
{| class="wikitable"
|-
! Число процессов
! Время (с)
|-
|128
|0.976
|-
|64
|2.245
|-
|32
|6.012
|-
|16
|18.012
|-
|8
|18.153
|-
|4
|162.214
|-
|}
 
Приблизительно одинаковые результаты по времени на количестве процессов, равном 8 и 16, обусловлены равным числом по факту используемых процессов в программе, поскольку деление в данных двух случаях будет происходить на равные блоки(выше указана оптимальная формула для количества блоков).
 
Проиллюстрируем данные графиком:
 
[[File: DNS_graph2.jpg|thumb|center|500px|]]
 
 
А теперь посмотрим на зависимость времени выполнения программы от размера матриц. Число процессов зафиксируем равным <math>64</math>.
 
 
{| class="wikitable"
|-
! Размер матриц
! Время (с)
|-
|2000
|2.245
|-
|1500
|0.814
|-
|1000
|0.232
|-
|750
|0.094
|-
|500
|0.027
|-
|}
 
Проиллюстрируем данные графиком:
 
[[File: DNS_graph1.jpg|thumb|center|500px|]]
 
3d-график:
 
[[File: DNS_graph3.jpg|thumb|center|500px|]]


Очевидно, что система хорошо масштабируема.


== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
=== Характеристики программно-аппаратной среды ===


Все вычисления были произведены на суперкомпьютере "Ломоносов".


== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
Для компиляции был использован компилятор языка C++ GNU 4.4.6, реализация MPI: Intel MPI 4.0.3.
При компиляции использована опция -lm (подключение библиотеки math).


Вычисления производились в очереди test. Ограничений на лимит времени на узел наложено не было.


== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==
== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==


== Выводы для классов архитектур ==
== Выводы для классов архитектур ==
Строка 83: Строка 183:
== Существующие реализации алгоритма ==
== Существующие реализации алгоритма ==


DNS алгоритм не очень распространен в Интернете, сравнительно просто отыскать лишь текстовое описание данного способа умножения матриц. Чуть более трудной, однако выполнимой задачей будет нахождение его реализации, например, на [https://github.com/ github].


= Литература =
= Литература =

Текущая версия от 22:42, 16 ноября 2017

Автор: Д.В.Кисель

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Алгоритм DNS(Dekel, Nassimi, Sahni - назван по фамилиям создателей) является одним из блочных алгоритмов решения задачи [math]\displaystyle{ C = AB }[/math]  перемножения двух матриц. Для данного алгоритма мы не используем какие-либо свойства матриц [math]\displaystyle{ A }[/math]  и [math]\displaystyle{ B }[/math] . DNS основан на блочном разделении данных, его преимуществом является временная сложность [math]\displaystyle{ O(log(n)) }[/math]  при вычислительной сложности [math]\displaystyle{ O(\frac{n^3}{log(n)}) }[/math] . Достигается это за счет 3d-секционирования(англ. partitioning), в отличие от альтернатив, использующих 2d-секционирование(например, алгоритм Кэннона). Тем самым, алгоритм DNS представим в виде куба, где матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math] , [math]\displaystyle{ B }[/math]  и матрица [math]\displaystyle{ C }[/math]  ортогональны друг другу[1]. Далее данное описание будет рассмотрено подробнее.

Математическое описание алгоритма

Исходные данные: матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math]  и [math]\displaystyle{ B }[/math]  с блоками [math]\displaystyle{ A_{ij} }[/math]  и [math]\displaystyle{ B_{ij} }[/math] , соответственно.

Вычисляемые данные: матрица [math]\displaystyle{ C }[/math]  с блоками [math]\displaystyle{ C_{ij} }[/math] 

Используемые формулы:

[math]\displaystyle{ C_{ij} = \sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1] }[/math] , где [math]\displaystyle{ m \times m }[/math]  - количество блоков матрицы.

Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро перемножения матриц методом DNS состоит из вычислений всех элементов блоков матрицы-результата: процедур вычислений умножения блоков матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math]  на блоки матрицы [math]\displaystyle{ B }[/math] 

[math]\displaystyle{ \sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad i \in [0, m-1] }[/math] 


Макроструктура алгоритма

В алгоритме используется:

[math]\displaystyle{ \cdot }[/math]  произведение блоков матриц [math]\displaystyle{ A }[/math]  и [math]\displaystyle{ B }[/math] 

[math]\displaystyle{ \sum_{k=1}^{n} a_{ik} b_{kj} }[/math] 

Схема реализации последовательного алгоритма

Обнулим матрицу [math]\displaystyle{ C }[/math] , предназначенную для записи полученного результата произведения [math]\displaystyle{ C = AB }[/math] . Рассмотрим блоки матриц: [math]\displaystyle{ A_{ij}, B_{ij}, C_{ij} }[/math] . В цикле выполним последовательное умножение блоков матриц операндов и суммирование результатов.

[math]\displaystyle{ C_{ij} = \sum_{k=0}^{m-1} A_{ik} B_{kj} \quad i \in [0, m-1], \quad j \in [0, m-1] }[/math] 

В результате получаем матрицу [math]\displaystyle{ C }[/math] , равную произведению матриц [math]\displaystyle{ A }[/math]  и [math]\displaystyle{ B }[/math] .

Последовательная сложность алгоритма

Рассматриваем матрицы размером [math]\displaystyle{ n \times n }[/math] , разбитые на [math]\displaystyle{ m \times m }[/math]  блоков размера [math]\displaystyle{ \frac{n}{m} }[/math] .

Для умножение данных матриц в последовательном варианте требуется по [math]\displaystyle{ n^3 }[/math]  умножений и сложений.

При классификации по последовательной сложности, таким образом, алгоритм умножения матриц относится к алгоритмам с кубической сложностью.

Информационный граф

Серым на графе помечен этап, в котором происходит считывание матриц [math]\displaystyle{ A }[/math] и [math]\displaystyle{ B }[/math] и их запись в "смежные грани куба".

Далее как бы проецируем каждый блок матрицы на каждую плоскость куба из процессов(на каждую плоскость, параллельную рассматриваемой матрице, см.рисунок выше), таким образом в каждом из них будет выполняться свое умножение уникальной комбинации блоков("синий" этап).

Зеленым обозначен этап суммирования и вывода результата - матрицы [math]\displaystyle{ C }[/math].

Ресурс параллелизма алгоритма

[math]\displaystyle{ \cdot }[/math]  Рассмотрим [math]\displaystyle{ m^3 }[/math]  процессов, доступных для умножения двух матриц размером [math]\displaystyle{ n \times n }[/math] , разбитых на [math]\displaystyle{ m \times m }[/math]  блоков. Представим их в виде трехмерного массива [math]\displaystyle{ m \times m \times m }[/math] .

[math]\displaystyle{ \cdot }[/math]  Процессы именованы согласно их расположению в массиве, соответственно, вычисление произведения [math]\displaystyle{ A_{ik}B_{kj} }[/math]  присвоено процессу с координатами [math]\displaystyle{ [i, j, k] (0 \leq i,j,k \lt m) }[/math] .

[math]\displaystyle{ \cdot }[/math]  После того, как каждый процесс завершил умножение, результаты процессов [math]\displaystyle{ [i, j, 0], [i, j, 1], ..., [i, j, m-1] }[/math]  суммируются в [math]\displaystyle{ C_{ij} }[/math] . Суммирование всех [math]\displaystyle{ C_{ij} }[/math]  может выполняться одновременно за [math]\displaystyle{ log(m) }[/math]  шагов. [2]


Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: матрица [math]\displaystyle{ A }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ a_{ij} }[/math]), матрица [math]\displaystyle{ B }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ b_{ij} }[/math])).

Объём входных данных: [math]\displaystyle{ 2n^2 }[/math]

Выходные данные: матрица [math]\displaystyle{ C }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ c_{ij} }[/math]).

Объём выходных данных: [math]\displaystyle{ n^2 }[/math]

Свойства алгоритма

Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

Локальность данных и вычислений

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Масштабируемость алгоритма и его реализации

Масштабируемость алгоритма

Рассматривались квадратные матрицы размерностью [math]\displaystyle{ N }[/math], где [math]\displaystyle{ 500\leqslant N \leqslant 2000 }[/math], а число процессов изменялось от [math]\displaystyle{ 2 }[/math] до [math]\displaystyle{ 128 }[/math]. Для примера посмотрим как изменялось время выполнения программы в зависимости от числа процессов (здесь берутся матрицы размера [math]\displaystyle{ N = 2000 }[/math])

Размер блоков, на которые разбивается матрица, выбирается по оптимальному принципу: целая часть от [math]\displaystyle{ \frac{N}{q^{\frac{1}{3}}} }[/math], где [math]\displaystyle{ N, q }[/math], соответственно, размер матрицы и количество процессов.

Число процессов Время (с)
128 0.976
64 2.245
32 6.012
16 18.012
8 18.153
4 162.214

Приблизительно одинаковые результаты по времени на количестве процессов, равном 8 и 16, обусловлены равным числом по факту используемых процессов в программе, поскольку деление в данных двух случаях будет происходить на равные блоки(выше указана оптимальная формула для количества блоков).

Проиллюстрируем данные графиком:


А теперь посмотрим на зависимость времени выполнения программы от размера матриц. Число процессов зафиксируем равным [math]\displaystyle{ 64 }[/math].


Размер матриц Время (с)
2000 2.245
1500 0.814
1000 0.232
750 0.094
500 0.027

Проиллюстрируем данные графиком:

3d-график:

Очевидно, что система хорошо масштабируема.

Характеристики программно-аппаратной среды

Все вычисления были произведены на суперкомпьютере "Ломоносов".

Для компиляции был использован компилятор языка C++ GNU 4.4.6, реализация MPI: Intel MPI 4.0.3. При компиляции использована опция -lm (подключение библиотеки math).

Вычисления производились в очереди test. Ограничений на лимит времени на узел наложено не было.

Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

Выводы для классов архитектур

Существующие реализации алгоритма

DNS алгоритм не очень распространен в Интернете, сравнительно просто отыскать лишь текстовое описание данного способа умножения матриц. Чуть более трудной, однако выполнимой задачей будет нахождение его реализации, например, на github.

Литература

  1. ↑ E. Dekel, D. Nassimi, and S. Sahni, “Parallel Matrix and Graph Algorithms,” SIAM, Journal on Computing, vol. 10, no. 4, Nov. 1981, pp. 657-675.
  2. ↑ http://parallelcomp.uw.hu/ch08lev1sec2.html