Аспектно-ориентированный подход к архитектурно-независимому программированию вычислительных систем - язык [email protected]

Проблемы программирования параллельных ВС
Объединение процессоров с вычислительными устройствами других типов ‒ одно из перспективных архитектурных решений, позволяющих повысить производительность современных вычислительных систем (ВС).
Программное обеспечение для гибридных ВС должно сочетать описания параллельных, конвейерных и процедурных фрагментов вычислений, что приводит к усложнению его разработки и повышению затрат временных и материальных ресурсов.
В настоящее время в области программирования высокопроизводительных ВС не существует эффективных методов и средств описания архитектурно-независимых программ.
В традиционных языках программирования математическая сущность решения прикладной задачи и его декомпозиция описываются неделимыми фрагментами кода. Поэтому изменение каких-либо особенностей распараллеливания, связанное с реализацией алгоритма на ВС с другой архитектурой, фактически требует разработки новой программы.
2

3
Современные средства программирования высокопроизводительных ВС
Традиционные подходы к решению проблемы архитектурной специализации
Использование специализированных алгоритмов трансляции
Фиксация конкретной модели распараллеливания
Язык «Пифагор»
Стандарт OpenCL
Большинство проблем, связанных с программированием реконфигурируемых ВС на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), решено в высокоуровневом языке программирования COLAMO.
В COLAMO распараллеливание описывается в неявной форме путем объявления типов доступа к массивам и индексации их элементов.
Язык COLAMO ориентирован на структурно-процедурную организацию вычислений, что не позволяет переносить описанные на нем параллельные программы между ВС с различными архитектурами.

4
Язык архитектурно-независимого программирования ВС Set@l
Дальнейшим развитием идей COLAMO является язык архитектурно-независимого программирования ВС Set@l.
Set@l
Теоретико-множественное представление кода
Механизмы разбиения и типизации совокупностей
Парадигма аспектно-ориентированного программирования (АОП)
SETL (SET Language), Jacob T. Schwartz, 1960-е гг.
Set@l позволяет свести портацию ПО к формированию соответствующих аспектов архитектуры и конфигурации ВС, в которых описываются разбиение и типизация ключевых совокупностей алгоритма. При этом исходный код, определяющий математическую сущность решения прикладной задачи, остается неизменным.
Gregor Kiczales, 1997 г.

5
Аспектно-ориентированный подход к программированию ВС
В существующих языках программирования ВС архитектурная специализация ПО обусловлена тем, что алгоритм решения прикладной задачи и конкретный вариант его распараллеливания описываются неделимым кодом (что приводит к спутыванию в терминах АОП) и рассредоточены по тексту программы (что приводит к разбрасыванию в терминах АОП).
Фрагменты программы, задающие распараллеливание и другие особенности реализации, выделяются в отдельные модули – аспекты, что позволяет описывать алгоритм решения прикладной задачи независимо от архитектурных особенностей вычислительной системы, на которой будет осуществляться ее решение.
В таком случае исходный код программы является архитектурно-независимым, а код аспектов определяет декомпозицию прикладной задачи для реализации ее решения на ВС с определенными архитектурой и конфигурацией.
Анализируя созданную пользователем разметку, транслятор-препроцессор будет формировать виртуальную программу, в которой особенности операционной и итерационной декомпозиции будут вплетены в код, делая его пригодным для исполнения на определенной ВС.

6
Принципы программирования на языке Set@l
Исходный код описывает решение прикладной задачи в виде информационного графа на языке теории множеств и реляционного исчисления, формируя универсальное архитектурно-независимое представление алгоритма.
Аспекты, направленные на адаптацию алгоритма к архитектуре и конфигурации конкретной ВС, разделяют исходные множества вершин обработки и данных итераций на особые совокупности, для каждой из которых задаются тип обработки и разбиение.
Аспект метода обработки определяет логику различных вариантов разбиения матрицы (например, по строкам, столбцам, клеткам или итерациям) путем задания обобщенных совокупностей неопределенного типа и размерности.
Архитектурный аспект, используя данные о размерности задачи из исходного кода и конкретные числовые параметры конфигурации ВС из аспекта конфигурации, преобразует или задает тип совокупностей в соответствии с особенностями архитектуры ВС для эффективной параллельно-конвейерной обработки.

10
Классификация совокупностей по определенности, используемая в языке программирования Set@l
По умолчанию все совокупности в языке Set@l считаются четко выделенными множествами, однако существуют некоторые задачи, решение которых не может быть описано в архитектурно-независимой форме без привлечения совокупностей других типов.
В языке Set@l используется типизация совокупностей, предложенная П. Вопенка в рамках альтернативной теории множеств.
Примером задачи, в которой используются объекты альтернативной теории множеств, является решение СЛАУ итерационным методом Якоби, в рамках которого совокупность итераций определяется как класс и может представлять собой полумножество или множество в зависимости от выбранного варианта реализации алгоритма.

Типы совокупностей по параллелизму
8
В отличие от других языков программирования на основе теории множеств (например, языка SETL), в Set@l вводится классификация совокупностей по различным критериям.
С точки зрения архитектурной независимости, основополагающим критерием типизации множеств является характер параллелизма их элементов при обработке.
Конструкция type:
type(<имя совокупности>)=’<тип параллелизма>’;

Прямой ход метода Гаусса. Исходный код
program (Gauss_forward):
interface :: // интерфейсный раздел;
I, J, K : input (architecture); // входные параметры ‒ строки, столбцы, итерации;
n, m, p : output (architecture); // выходные параметры – размерность задачи (арх. аспект);
end (interface);
data preparation :: // раздел подготовки исходных данных;
n=<размерность матрицы по строкам>;
m=n+1; // размерность матрицы по столбцам;
p=n; // количество итераций обработки матрицы в прямом ходе;
a(1,*,*)=<ввод элементов исходной матрицы>;
end (data preparation);
computing :: // вычислительный раздел;
( forall k in K) :
( forall seq(i,j) in prod(I,J) | i>=(k+1) ):
a(k+1,i,j)=a(k,i,j)-a(k,k,j)*a(k,i,k)/a(k,k,k); // пересчет;
end (forall);
( forall seq(i,j) in prod(I,J) | i<(k+1) ):
a(k+1,i,j)=a(k,i,j); // сохранение;
end (forall);
end (forall);
end (computing);
end (Gauss_forward);
11

Прямой ход метода Гаусса
Аспект метода обработки
aspect (processing):
interface :: // интерфейсный раздел;
s, N, c, M, ni, T : input (architecture); // входные параметры;
I, J, K : output (architecture); // выходные параметры;
end (interface);
1. Метод обработки по строкам
12

Прямой ход метода Гаусса
Аспект метода обработки
2. Метод обработки по столбцам
13

Прямой ход метода Гаусса
Аспект метода обработки
3. Метод обработки по итерациям
14

Прямой ход метода Гаусса
Аспект метода обработки
4. Метод обработки по клеткам
15

Прямой ход метода Гаусса
Архитектурный аспект
aspect (architecture):
interface :: // интерфейс архитектурного аспекта;
I, J, K : input (processing); // входные параметры;
R, R0, K_krp, q1, q2, architecture_type : input (configuration); // входные параметры;
n, m, p : input (Gauss_forward); // входные параметры;
I, J, K: output (Gauss_forward); // выходные параметры;
end (interface);
16

Прямой ход метода Гаусса. Архитектурный аспект
1. Архитектура с независимым полем ПЛИС (РВС НИЦ СЭ и НК)
// Cтроки (I):
s=K_krp; // число параллельно обрабатываемых строк
//ограничено кол-вом КРП;
N=n/s; // число блоков строк в обрабатываемой матрице;
//n – число строк в матр.;
type(I)=’pipe’; // блоки строк обрабатываются конвейерно;
type(BL(i))=’par’; // строки в блоке обрабатываются параллельно;
// Cтолбцы (J):
J=pipe(1…m); // столбцы обрабатываются конвейерно;
// Итераци (K);
ni=min( p, floor(R/s/R0) ); // число итераций в блоке; R – доступный // выч. ресурс; R0 – ресурс, необходимый для реализации
// минимального базового подграфа;
T=p/ni; // количество блоков итераций; p – число итераций;
type(K)=’pipe’; // блоки итераций обрабатываются конвейерно;
type(BI(k))=‘conc’; // итерации в кадре реализуются параллельно-зависимо;
17

Прямой ход метода Гаусса. Архитектурный аспект
2. Мультипроцессорная архитектура
// Cтроки (I):
s=q1; // число строк в клетке; q1 – размерность матрицы проц. по
// строкам;
N=n/s; // число клеток по строкам; n – количество строк;
type(BL(i))=’par’; // строки в клетке обрабатываются параллельно;
type(I)=’seq’; // клетки обрабатываются последовательно;
// Cтолбцы (J):
c=q2; // число строк в клетке; q2 – размерность матрицы процессоров
// по столбцам;
M=m/c; // число клеток по строкам; m – количество столбцов;
type(BC(j))=’par’; // столбцы в клетке обрабатываются параллельно;
type(J)=’seq’; // клетки обрабатываются последовательно;
// Итерации (K):
K=seq(1…p); // кортеж итераций; p – количество итераций;
18

Прямой ход метода Гаусса
Аспект конфигурации ВС
aspect (configuration):
interface :: // интерфейс аспекта конфигурации ВС;
R, R0, K_krp, q1, q2, architecture_type : output (architecture);
end (interface);
architecture_type=<ввод типа архитектуры>;
case (architecture_type=‘RCS’) : // архитектура с независимым полем ПЛИС (РВС НИЦ СЭ и НК);
R=<доступный вычислительный ресурс>;
R0=<вычислительный ресурс, необходимый для реализации мин. базового подграфа>;
K_krp=<количество каналов КРП в ВС>;
end (case);
case (architecture_type=‘MP’) : // мультипроцессорная архитектура;
q1=<размерность матрицы процессоров по строкам>;
q2=<размерность матрицы процессоров по столбцам>;
end (multiprocessor);
end (configuration);
19

Заключение
В отличие от других средств программирования высокопроизводительных ВС, в языке Set@l решаемая вычислительная задача представляется не в виде жестко определенных с точки зрения параллелизма массивов данных и команд, а в виде множеств, их признаков и отображений.
Задавая различные варианты разбиения множеств и классифицируя их по различным признакам, можно описать алгоритм решения задачи в архитектурно-независимой форме и адаптировать его к любой архитектуре и конфигурации ВС с использованием системы аспектов.
С целью снятия архитектурных ограничений, характерных для традиционных языков программирования ВС, в языке Set@l введен механизм типизации множеств. Описание отдельных аспектов распараллеливания в виде независимых программных модулей обеспечивается формированием совокупностей с неопределенным типом, который уточняется в других компонентах программы.
Использование языка Set@l открывает принципиально новые возможности для оперативной портации сложных программных комплексов на различные архитектуры ВС, в том числе гибридные и реконфигурируемые.
24