Нахождение частных сумм элементов массива сдваиванием: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][досмотренная версия]
ещё категория
Нет описания правки
Строка 1: Строка 1:
Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]]
Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]]


== Описание свойств и структуры алгоритма ==
== Свойства и структура алгоритма ==


=== Общее описание алгоритма ===
=== Общее описание алгоритма ===
Строка 7: Строка 7:
'''Метод сдваивания''' используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма.
'''Метод сдваивания''' используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма.


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


Исходные данные: одномерный массив <math>n</math> чисел.
Исходные данные: одномерный массив <math>n</math> чисел.
Строка 26: Строка 26:
Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего <math>\frac{n}{2} log_2 n</math>) вычисления сумм.
Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего <math>\frac{n}{2} log_2 n</math>) вычисления сумм.


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


В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство [[%D0%93%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9#.D0.98.D0.B7.D0.B1.D1.8B.D1.82.D0.BE.D1.87.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.B2.D1.8B.D1.87.D0.B8.D1.81.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F|избыточных вычислений]]: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в <math>\frac{1}{2} log_2 n</math> раз.
В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство [[%D0%93%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9#.D0.98.D0.B7.D0.B1.D1.8B.D1.82.D0.BE.D1.87.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.B2.D1.8B.D1.87.D0.B8.D1.81.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F|избыточных вычислений]]: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в <math>\frac{1}{2} log_2 n</math> раз.
Строка 36: Строка 36:
=== Информационный граф ===
=== Информационный граф ===


=== Описание ресурса параллелизма алгоритма ===
=== Ресурс параллелизма алгоритма ===


Для вычисления частичных сумм массива порядка <math>n</math> методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить <math>\lceil \log_2 n \rceil</math> ярусов с одинаковым (<math>\frac{n}{2}</math>) количеством операций суммирования.
Для вычисления частичных сумм массива порядка <math>n</math> методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить <math>\lceil \log_2 n \rceil</math> ярусов с одинаковым (<math>\frac{n}{2}</math>) количеством операций суммирования.
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с ''логарифмической сложностью''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет ''линейной''.
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с ''логарифмической сложностью''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет ''линейной''.


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


Входные данные: массив <math>x</math> (элементы <math>x_i</math>).
Входные данные: массив <math>x</math> (элементы <math>x_i</math>).
Строка 57: Строка 57:
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является <math>\frac{n}{2}</math> (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :<math>\frac{1}{2} log_2 n</math>. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа.
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является <math>\frac{n}{2}</math> (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :<math>\frac{1}{2} log_2 n</math>. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа.


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


=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Описание локальности данных и вычислений ===
=== Локальность данных и вычислений ===
==== Описание локальности реализации алгоритма ====
==== Локальность реализации алгоритма ====
===== Описание структуры обращений в память и качественная оценка локальности =====
===== Структура обращений в память и качественная оценка локальности =====
===== Количественная оценка локальности =====
===== Количественная оценка локальности =====
=== Возможные способы и особенности реализации параллельного алгоритма ===
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации ===
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации ===
==== Описание масштабируемости алгоритма ====
==== Масштабируемость алгоритма ====
==== Описание масштабируемости реализации алгоритма ====
==== Масштабируемость реализации алгоритма ====
 
 
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ===
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ===
=== Выводы для классов архитектур ===
=== Выводы для классов архитектур ===
=== Существующие реализации алгоритма ===
=== Существующие реализации алгоритма ===


[[Категория:Статьи в работе]]
[[Категория:Статьи в работе]]
[[Категория:Метод сдваивания]]
[[Категория:Метод сдваивания]]
[[Категория:Алгоритмы с избыточными вычислениями]]
[[Категория:Алгоритмы с избыточными вычислениями]]

Версия от 14:39, 28 июля 2015

Основные авторы описания: А.В.Фролов

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Метод сдваивания используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма.

Математическое описание алгоритма

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

Вычисляемые данные: частичные суммы первых [math]\displaystyle{ i }[/math] элементов массива, где [math]\displaystyle{ i }[/math] принимает все значения от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math].

Формулы метода: элементы на первом этапе алгоритма разбиваются на пары. В каждой из пар находится сумма составляющих её соседних элементов. На следующем этапе на пары разбиваются уже эти суммы (и те элементы, которые не вошли в уже вычисленные суммы), и т. д. По нахождению тех частных сумм, где [math]\displaystyle{ i }[/math] является степенью двойки, формулы повторяют Нахождение суммы элементов массива сдваиванием. Однако, кроме этого, для каждой пары (например, для нахождения суммы [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+k} }[/math] и [math]\displaystyle{ x_{i+k+1} +...+ x_{i+2k} }[/math])дополнительно вычисляются все частные суммы от [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+k+1} }[/math] до [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+2k-1} }[/math].

Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро последовательно-параллельного метода суммирования можно составить из элементарных бинарных (всего [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]) вычислений сумм.

Макроструктура алгоритма

Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]) вычисления сумм.

Схема реализации последовательного алгоритма

В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство избыточных вычислений: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в [math]\displaystyle{ \frac{1}{2} log_2 n }[/math] раз.

Последовательная сложность алгоритма

Для вычисления суммы массива, состоящего из [math]\displaystyle{ n }[/math] элементов, количество операций равно [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]. Поэтому алгоритм должен быть отнесён к алгоритмам линейно-логарифмической сложности по количеству последовательных операций.

Информационный граф

Ресурс параллелизма алгоритма

Для вычисления частичных сумм массива порядка [math]\displaystyle{ n }[/math] методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить [math]\displaystyle{ \lceil \log_2 n \rceil }[/math] ярусов с одинаковым ([math]\displaystyle{ \frac{n}{2} }[/math]) количеством операций суммирования. При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с логарифмической сложностью. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет линейной.

Входные и выходные данные алгоритма

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

Дополнительные ограничения: отсутствуют.

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

Выходные данные: все частичные суммы первых [math]\displaystyle{ i }[/math] элементов массива, где [math]\displaystyle{ i }[/math] принимает все значения от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math].

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

Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} }[/math] (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :[math]\displaystyle{ \frac{1}{2} log_2 n }[/math]. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа.

Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

Локальность данных и вычислений

Локальность реализации алгоритма

Структура обращений в память и качественная оценка локальности
Количественная оценка локальности

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Масштабируемость алгоритма и его реализации

Масштабируемость алгоритма

Масштабируемость реализации алгоритма

Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

Выводы для классов архитектур

Существующие реализации алгоритма