2 Характеристики производительности

Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша
Российская Академия наук
Отладка эффективности DVM-программ
Руководство пользователя
Октябрь 30, 1999
2
Оглавление
1
Введение ......................................................................................................... 3
2
Характеристики производительности ....................................................... 3
2.1
2.2
2.3
3
Основные характеристики производительности .............................................. 3
Компоненты основных характеристик .............................................................. 6
Характеристики выполнения программы на каждом процессоре .................. 6
Методология отладки эффективности ...................................................... 7
3.1
3.2
Представление программы в виде иерархии интервалов ................................ 7
Рекомендации по анализу характеристик ......................................................... 8
4
Запуск на выполнение со сбором статистики ........................................ 11
5
Запуск анализатора производительности .............................................. 12
6
Форма выдачи характеристик ................................................................... 12
Приложение. Перечень выдаваемых характеристик .................................. 16
3
1 Введение
Эффективность выполнения параллельных программ на многопроцессорных
ЭВМ с распределенной памятью определяется следующими основными факторами:
 степенью распараллеливания программы - долей параллельных вычислений в
общем объеме вычислений;
 равномерностью загрузки процессоров во время выполнения параллельных
вычислений;
 временем, необходимым для выполнения межпроцессорных обменов;
 степенью совмещения межпроцессорных обменов с вычислениями.
Методы и средства отладки производительности параллельной программы
существенно зависят от той модели, в рамках которой разрабатывается параллельная
программа.
Существенным достоинством DVM-модели является то, что в любой момент
выполнения программы на любом процессоре всегда известно, какой участок
программы выполняется - последовательный или параллельный. Кроме того,
известны все точки программы, в которых выполняются операции, требующие
синхронизации процессоров. Поэтому имеется возможность количественно оценить
влияние на эффективность выполнения программы каждого из четырех
перечисленных выше факторов, определяющих эффективность выполнения
параллельной программы.
Для анализа и отладки эффективности выполнения DVM-программ созданы
инструментальные средства, функционирующие следующим образом. Система
поддержки выполнения DVM-программ во время выполнения программы на
многопроцессорной ЭВМ (или однородной сети ЭВМ) накапливает информацию с
временными характеристиками в оперативной памяти процессоров, а при
завершении выполнения программы записывает эту информацию в файл, который
затем обрабатывается на рабочих станциях в среде Windows 95/NT или UNIX
специальным инструментом - визуализатором производительности.
С помощью визуализатора производительности пользователь имеет
возможность получить временные характеристики выполнения его программы с
различной степенью подробности.
2 Характеристики производительности
2.1
Основные характеристики производительности
Возможность различать последовательные и параллельные участки
программы позволяет при ее выполнении на многопроцессорной ЭВМ
спрогнозировать время, которое потребуется для выполнения этой программы на
однопроцессорной ЭВМ. Это время называется полезным временем. Тем самым
появляется возможность вычислить главную характеристику эффективности
параллельного выполнения - коэффициент эффективности, равный отношению
4
полезного времени к общему времени использования процессоров, которое в свою
очередь
равно
произведению
времени
выполнения
программы
на
многопроцессорной ЭВМ (максимальное значение среди времен выполнения
программы на всех используемых ею процессорах) на число используемых
процессоров. Разница между общим временем использования процессоров и
полезным временем представляет собой потерянное время. Если программист не
удовлетворен коэффициентом эффективности выполнения своей программы, то он
должен проанализировать составляющие части потерянного времени и причины их
возникновения.



Существуют следующие составляющие потерянного времени:
потери из-за недостатка параллелизма, приводящего к дублированию вычислений
на нескольких процессорах (недостаточный параллелизм). Дублирование
вычислений осуществляется в двух случаях. Во-первых, последовательные
участки программы выполняются всеми процессорами. Во-вторых, витки
некоторых параллельных циклов могут быть по указанию программиста
полностью или частично размножены.
потери из-за выполнения межпроцессорных обменов (коммуникации).
потери из-за простоев тех процессоров, на которых выполнение программы
завершилось раньше, чем на остальных (простои).
Время выполнения межпроцессорных обменов, помимо времени пересылки
данных с одного процессора на другой, может включать в себя и время (потери из-за
рассинхронизации), которое тратится из-за того, что операция приема сообщения на
одном процессоре выдана раньше соответствующей операции посылки сообщения на
другом процессоре. Поскольку разработчик DVM-программы не оперирует такими
низкоуровневыми понятиями, как передача сообщений, то ему должна быть
предоставлена информация о рассинхронизации и в других, понятных ему терминах.
При выполнении DVM-программы обмен сообщениями между процессорами
производится для осуществления следующих коллективных операций:
 глобальная редукция (редукционная операция над локальными значениями
редукционных переменных, вычисленными на разных процессорах);
 обновление теневых элементов;
 загрузка буферов для доступа к удаленным данным;
 перераспределение данных;
 операции ввода-вывода (осуществляются через один специально выделенный
процессор, который принимает данные от других процессоров или рассылает им
данные).
Коллективные операции могут выполняться в двух режимах - синхронном и
асинхронном. Для выполнения коллективных операций в асинхронном режиме, при
котором обеспечивается совмещение межпроцессорных обменов с вычислениями,
служат функции запуска операции и ожидания ее завершения. Если коллективная
операция запущена (в синхронном или асинхронном режимах) разными
процессорами не одновременно, то при ее выполнении могут возникнуть потери изза рассинхронизации процессоров. Для оценки величины таких потерь для каждой
коллективной операции вычисляются потенциальные потери из-за ее
неодновременного запуска - время, которое было бы потрачено всеми процессорами
5
на синхронизацию, если бы выполнение любой коллективной операции начиналось
бы с синхронизации процессоров (накладные расходы на пересылку
синхронизационных сообщений при этом игнорируются).
Для оценки суммарных потенциальных потерь, которые могут возникнуть изза неодновременного запуска коллективных операций на разных процессорах,
служит специальная характеристика – синхронизация.
Основная причина потерь из-за рассинхронизации, на устранение которой
должен быть нацелен программист – разбалансировка загрузки процессоров.
Разбалансировка может возникать из-за того, что выполняющиеся в параллельном
цикле вычисления распределены между процессорами неравномерно.
Если бы при входе в каждый параллельный цикл и при выходе из него
производилась бы синхронизация процессоров (межпроцессорный обмен), то
разбалансировка загрузки процессоров обязательно приводила бы к потерям из-за
рассинхронизации. Однако, поскольку такая синхронизация осуществляется не для
всех циклов, то разбалансировка на разных участках программы может
компенсироваться и реальные потери могут быть незначительными или вообще
отсутствовать. Для оценки возможных потерь из-за разбалансировки программисту
выдается некоторая обобщенная характеристика - разбалансировка. С целью
снижения накладных расходов при вычислении этой характеристики делается
предположение, что синхронизация процессоров будет производиться только один
раз - при завершении выполнении программы. Поэтому сначала для каждого
процессора определяется его суммарная вычислительная загрузка, а затем
прогнозируется
вызываемая
разбалансировкой
величина
потерь
из-за
рассинхронизации. Однако, поскольку в реальной программе синхронизация
процессоров осуществляется не только при завершении программы, а гораздо чаще,
то реальные потери будут превосходить эту величину. Реальные потери из-за
рассинхронизации будут еще более превосходить величину разбалансировки в том
случае, когда вычислительная загрузка процессоров сильно изменяется при
многократном выполнении одного и того же параллельного цикла.
Рассинхронизация может возникать не только из-за разбалансировки, но также
из-за различий во временах завершения выполнения на разных процессорах одной и
той же коллективной операции, вызванных особенностями ее реализации на
конкретной параллельной ЭВМ. Для оценки величины такой потенциальной
рассинхронизации программисту выдается специальная характеристика – разброс
времен завершения коллективных операций. Как и время разбалансировки, эта
характеристика является интегральной. Она достаточно точно отражает возможные
потери из-за рассинхронизации в том случае, когда различия времен выполнения
коллективных операций не являются случайными, а определяются, например,
топологией коммуникационной сети или функциональной специализацией
процессоров (процессор ввода-вывода, процессор-исполнитель редукционных
операций, и т.п.).
Важной
характеристикой, отражающей
потенциальное сокращение
коммуникационных расходов за счет совмещения межпроцессорных обменов с
вычислениями, является время перекрытия обменов вычислениями.
6
Основные характеристики эффективности являются интегральными
характеристиками, позволяющими оценить степень распараллеливания программы и
основные резервы ее повышения. Однако для исследования эффективности сложных
программ одних интегральных характеристик может оказаться недостаточно. В
таком случае программист может получить более подробную информацию о
выполнении своей программы и ее отдельных частей.
2.2
Компоненты основных характеристик
Некоторые из описанных выше основных характеристик состоят из
нескольких компонент, значения которых могут быть выданы программисту.
Полезное время состоит из полезного процессорного времени, системного
процессорного времени и времени выполнения операций ввода-вывода (без учета
обменов сообщениями в них).
Потери из-за недостаточного параллелизма состоят из двух компонент,
позволяющих различать потери в программе пользователя и соответствующие
системные расходы.
Время коммуникаций включает в себя время потерь из-за рассинхронизации и
время, которое тратится на запуск коллективных операций в асинхронном режиме и
которое при нормальном функционировании коммуникационных библиотек (MPI,
PVM) должно быть пренебрежимо мало по сравнению с временем коммуникаций.
Для уточнения времени коммуникаций оно разлагается на следующие
составляющие:
 время операций редукции;
 время операций обновления теневых элементов;
 время загрузки буферов для доступа к удаленным данным;
 время перераспределения данных;
 время обмена сообщениями при выполнении операций ввода-вывода.
Реальные и потенциальные потери из-за рассинхронизации, а также
потенциальные потери из-за разброса времен завершения выполнения коллективных
операций, разлагаются на компоненты аналогичным образом.
Время перекрытия обменов вычислениями вычисляется
коллективных операций, выполняемых в асинхронном режиме.
2.3
для
всех
Характеристики выполнения программы на каждом процессоре
Основой для расчета описанных выше основных характеристик и их
компонент являются характеристики выполнения программы на каждом процессоре.
Эти характеристики могут быть полезны для более глубокого анализа эффективности
выполнения параллельной программы. Помимо значений этих характеристик
выдаются также их средние значения, а также максимальные и минимальные
значения с указанием соответствующего номера процессора.
7
3 Методология отладки эффективности
Для анализа эффективности выполнения сложных параллельных программ
недостаточно иметь характеристики выполнения всей программы целиком, а
требуется уметь детализировать эти характеристики применительно к отдельным
частям программы. Ниже описываются соответствующие средства, которые
позволяют представить выполнение DVM-программы в виде иерархии интервалов, а
также приводятся рекомендации по анализу характеристик.
3.1
Представление программы в виде иерархии интервалов
Выполнение всей программы целиком рассматривается как интервал самого
высокого (нулевого) уровня. Этот интервал может включать в себя несколько
интервалов следующего (первого) уровня. Такими интервалами могут быть
параллельные циклы, последовательные циклы, а также любые отмеченные
программистом последовательности операторов, выполнение которых всегда
начинается с выполнения первого оператора, а заканчивается выполнением
последнего. Интервалы первого уровня могут в свою очередь включать в себя
интервалы второго уровня, и т.д.
Все описанные выше характеристики вычисляются не только для всей
программы, но и для каждого ее интервала. При этом многократное выполнение
интервала может рассматриваться (с некоторой долей условности) как выполнение на
тех же процессорах отдельной программы, состоящей из развернутой
последовательности тех операторов интервала, которые были выполнены при
реальном прохождении параллельной программы. Фактически же, характеристики
таких многократно выполняемых интервалов накапливаются при каждом их
выполнении. При этом интервалы, входящие в состав одного и того же интервала
более высокого уровня, идентифицируются именем файла с исходным текстом
программы и номером строки в нем, соответствующим началу интервала, а также,
возможно, некоторым приписанным ему программистом целочисленным номером.
Разбиением программы на интервалы пользователь управляет при ее
компиляции. Он может задать следующие режимы:
 режим, при котором интервалами будут все параллельные циклы и
охватывающие их последовательные циклы (опция –e1);
 режим, при котором интервалами будут все отмеченные пользователем в
программе последовательности операторов (опция –e2);
 объединение предыдущих двух режимов (опция –e3);
 режим, когда интервалами будут все параллельные и последовательные циклы, а
также отмеченные пользователем последовательности операторов (опция –e4).
Для выделения последовательности операторов в качестве интервалов служат
специальные конструкции в языках C-DVM и FORTRAN-DVM.
В языке C-DVM интервал задается следующим образом:
DVM (INTERVAL [целочисленное выражение]) <оператор>,
а в языке FORTRAN-DVM:
8
CDVM$ INTERVAL[целочисленное выражение]
.
. .
CDVM$ ENDINTERVAL
Выделив, например, тело цикла как интервал и задав в качестве
целочисленного выражения индексную переменную цикла, можно оформить каждый
виток цикла отдельным интервалом. Подобным образом можно получить
характеристики четных и нечетных витков цикла, либо характеристики выполнения
процедуры при заданных значениях ее параметров.
3.2
Рекомендации по анализу характеристик
При разработке параллельной программы пользователь, как правило,
преследует одну из двух возможных целей – обеспечить решение задачи в
приемлемые сроки, либо создать программу, способную эффективно решать на
различных параллельных ЭВМ задачи определенного класса.
В первом случае, если время выполнения программы удовлетворяет
пользователя, то другие характеристики его могут уже не интересовать. Во втором
случае главным критерием для пользователя является коэффициент эффективности
распараллеливания. Если время выполнения или коэффициент эффективности не
удовлетворяет пользователя, то ему необходимо анализировать потерянное время и
его компоненты.
Прежде чем перейти к рекомендациям по анализу потерянного времени,
сделаем ряд замечаний.
Во-первых, потерянное время (как и коэффициент эффективности
распараллеливания) вычисляется, опираясь не на реальное время выполнения
программы на одном процессоре, а на прогнозируемое время. Этот прогноз может
отличаться от реального времени и в ту, и в другую сторону.
Реальное время может быть больше прогнозируемого из-за того, что при
выполнении программы на одном процессоре одни и те же вычисления могут
осуществляться медленнее, чем при выполнении на нескольких процессорах. Это
объясняется тем, что при изменении объема используемых при вычислениях данных
меняется скорость доступа к ним через кэш-память. Поскольку производительность
современных процессоров сильно зависит от эффективности использования кэшпамяти, то реальное время может заметно превысить прогнозируемое.
Реальное время может быть меньше прогнозируемого, поскольку при
прогнозе учитываются не все накладные расходы на поддержку выполнения
параллельной программы. Эти неучтенные расходы, например, поиск информации в
системных таблицах при выполнении некоторых часто используемых функций
(замерять время выполнения которых невозможно без внесения неприемлемых
искажений в выполнение программы), могут значительно сократиться при
уменьшении количества процессоров до одного.
В результате влияния эффективности использования кэш-памяти и системных
накладных расходов при выполнении программы на разных конфигурациях
параллельной ЭВМ будут выдаваться различные значения полезного времени.
9
Поэтому, если есть возможность выполнить программу на одном процессоре (а она
может требовать гораздо больше оперативной памяти, чем имеется на одном
процессоре), то желательно это сделать для получения представления об отличиях
прогнозируемых времен от реального времени.
Во-вторых, время выполнения параллельной DVM-программы на одном
процессоре может значительно отличаться от времени ее выполнения как
последовательной программы. Это может быть следствием следующих причин:
 Доступ к распределенным данным в параллельной программе отличается от
доступа к ним в последовательной программе. Дополнительные накладные
расходы, появляющиеся в параллельной программе, могут увеличить время ее
выполнения на 10-30 процентов. Однако в параллельной программе может быть
проведена такая оптимизация доступа к данным, которая для некоторых
программ приведет к ускорению их выполнения по сравнению с
последовательным случаем.
 Трансформация DVM-программы в программу на стандартных языках Фортран
77 или Си может привести к различиям в оптимизации программ стандартными
компиляторами. В результате, параллельная программа может выполняться либо
медленнее, либо быстрее. Особенности оптимизации программ современными
компиляторами существенно (десятки и сотни процентов) определяют
эффективность их выполнения.
 Некоторые накладные расходы на поддержку выполнения параллельной
программы могут значительно замедлить ее выполнение (например, операции
запроса и освобождения памяти в последовательной программе могут
превратиться в параллельной программе в гораздо более сложные операции
создания и уничтожения распределенного массива).
Поэтому, если есть возможность выполнить программу как обычную
последовательную программу на одном процессоре (если это нельзя сделать на
параллельной ЭВМ, то может быть это окажется возможным на рабочей станции), то
желательно это сделать.
В случае заметного расхождения времен параллельного и последовательного
выполнения программы, можно воспользоваться следующими возможностями DVMсистемы.
DVM-программа может быть скомпилирована в специальном режиме, в
котором она отличается от последовательной программы очень незначительно (тем
не менее, влияние этих отличий на время выполнения надо тоже проверять), но
содержит средства накопления временных характеристик на различных интервалах
своего выполнения. Можно получить эти характеристики при последовательном
выполнении и сравнить их с соответствующими характеристиками при параллельном
выполнении на одном процессоре.
Описанные выше замечания пользователь должен иметь в виду, приступая к
анализу потерянного времени и его компонент.
Сначала следует оценить три компоненты потерянного времени для интервала
нулевого уровня (всей программы). Наиболее вероятно, что основная доля
10
потерянного времени приходится на одну из первых двух компонент (недостаточный
параллелизм или коммуникации).
В случае если причиной оказался недостаточный параллелизм, необходимо
уточнить, на каких участках он обнаружен – последовательных или параллельных. В
последнем случае причина может быть очень простой – неверное задание матрицы
процессоров при запуске программы или неверное распределение данных и
вычислений. Если же недостаточный параллелизм обнаружен на последовательных
участках, то причиной этого, скорее всего, является наличие последовательного
цикла, выполняющего большой объем вычислений. Устранение этой причины может
потребовать больших усилий.
В том же случае, если основной причиной потерь являются коммуникации,
то необходимо, прежде всего, обратить внимание на характеристику потери из-за
рассинхронизации. Если ее значение близко к размерам потерь из-за коммуникаций,
то необходимо рассмотреть характеристику разбалансировка, поскольку именно
разбалансировка вычислений в параллельном цикле является наиболее вероятной
причиной рассинхронизации и больших потерь на коммуникациях. Если величина
разбалансировки намного меньше величины синхронизации, то необходимо
обратить внимание на величину разброса времен коллективных операций. Если
рассинхронизация не является следствием разброса времен завершения
коллективных операций, то ее возможной причиной могут быть разбалансировки
некоторых параллельных циклов, которые на рассматриваемом интервале
выполнения программы могли взаимно компенсироваться. Поэтому имеет смысл
перейти к рассмотрению характеристик разбалансировки на интервалах более
низкого уровня.
Второй вероятной причиной больших потерь из-за рассинхронизации может
быть рассинхронизация процессоров, которая возникает при выдаче операций вводавывода. Это происходит из-за того, что основная работа (обращение к функциям
ввода-вывода операционной системы) производится на процессоре ввода-вывода, а
остальные процессоры в это время ждут получения от него данных или информации
о завершении коллективной операции. Эту причину потерь легко обнаружить,
обратив внимание на соответствующую компоненту характеристики коммуникации
– потери из-за коммуникаций при вводе-выводе.
Еще одной причиной больших потерь из-за коммуникаций могут оказаться
задержки при запуске коллективных операций в асинхронном режиме. В этом случае
надо обращаться к лицам, сопровожлающим коммуникационную библиотеку,
используемую DVM-системой.
Основной причиной потерь из-за коммуникаций может быть и просто
большое количество операций редукции или загрузки требуемых данных с других
процессоров (обновление теневых граней или удаленный доступ). В этом случае
может помочь реорганизация программы с целью объединения разрозненных
операций редукции или обновления теневых граней в групповые операции.
Возможен и другой подход к анализу характеристик, когда сначала
анализируются коэффициенты эффективности и потерянное время на различных
интервалах первого уровня, затем второго уровня, и т.д. В результате определяется
11
критический участок программы, на анализ характеристик которого и направляются
основные усилия. При этом необходимо иметь в виду, что причиной потерь на
данном интервале из-за рассинхронизации и простоев могут быть разбалансировки и
разбросы времен не только на этом интервале, но и на других, выполнявшихся до
него интервалах.
При отладке производительности программы пользователь не обязательно
должен запускать ее с тем большим объемом вычислений, который будет характерен
для использования программы при решении реальных задач. Он может ограничить,
например, количество регулярно повторяющихся внешних итераций до одной-двух
итераций. При этом коэффициент эффективности программы, существенно
зависящий от потерь на тех участках программы, которые выполняются до начала
первой итерации или после окончания последней итерации, может значительно
снизиться. Однако пользователь может оформить выполнение внешних итераций в
виде отдельного интервала и отлаживать его производительность по той же
методике, которая была описана выше применительно к программе целиком.
4 Запуск на выполнение со сбором статистики
Для сбора информации о производительности DVM-программыпри ее запуске
на многопроцессорной ЭВМ или сети рабочих станций параметр Is_DVM_STAT
(признак сбора статистики) должен быть равен 1.
После окончания счета должен создаться файл с именем sts и длиной, равной
размеру буфера статистики умноженному на количество процессоров, на которых
считалась задача.
С помощью параметров можно изменять длину буфера статистики
(StatBufLength), в котором накапливаются характеристики выполнения каждого
интервала, и максимальный уровень вложенности интервалов (MaxIntervalLevel).
Уменьшение уровня вложенности интервалов позволяет уменьшить количество
интервалов, для которых будет собираться статистика, и сократить тем самым объем
статистики.
Если параметр IsTimeVariation равен единице, то буфер статистики
используется также для накопления информации о временах запуска и завершения
всех коллективных операций. Эти времена используются визуализатором
производительности для вычисления потенциальных потерь из-за рассинхронизации
и разброса времен, а также для определения потенциального сокращения
коммуникационных расходов из-за совмещения обменов с вычислениями. Если
объема буфера недостаточно для накопления информации обо всех выполненных
коллективных операциях, то об этом выдается предупреждающее сообщение. При
этом надо учитывать, что визуализатор производительности, при вычислении выше
перечисленных характеристик будет использовать неполную информацию.
Если при сборе данных были обнаружены ошибки, то файл все равно может
создаться, а сообщение об ошибке будет выведено на экран или в файл.
Список сообщений:
12
Statistics: not enough memory for interval, data were not wrote to the file,
Statistics: number of ends of interval > number of begins of interval, data were not
wrote to the file,
Statistics: end of interval nline = <N>, name = <name>, no end nline = <N> name
=<name>, data were not wrote to the file,
Statistics: StatBufLength=<length>, increase buffer's size by <N> bytes, data were not
wrote to the file,
Statistics: StatBufLength=<length>, not enough memory for times of collective
operations, increase buffer's size by <N> bytes, only part of times of collective
operations and all intervals were wrote to the file.
Statistics warning :used return or goto, times may be incorrect
5 Запуск анализатора производительности
Для получения временных характеристик по интервалам следует выполнить
команду:
dvm pa sts <file name> [[[<ch1> <ch2> <ch3>] <level>] <numbers>]
<file name> – имя файла вывода,
<ch1> – y/n вывод основных характеристик,
<ch2> – y/n вывод сравнительных характеристик,
<ch3> – y/n вывод характеристик по процессорам,
<level> – номер уровня вложенности,
<numbers> – список номеров процессоров, для которых, выдавать характеристики.
Запуск команды
dvm pa –h
выдаст описание параметров команды.
6 Форма выдачи характеристик
Все характеристики записываются в текстовом виде в файл, имя которого
пользователь задает при вызове анализатора производительности. Для каждого
интервала выдается следующая информация:
 имя файла с исходным текстом DVM-программы и номер первого оператора
интервала в нем (SOURCE, LINE);
 тип интервала – вся программа, параллельный цикл (PAR), последовательный
цикл (SEQ) или выделенная пользователем последовательность операторов
(USER);
 номер уровня вложенности (LEVEL);
 количество входов (и выходов) в интервал (EXE_COUNT);
13




значение выражения, заданного при описании интервала средствами языка
(EXPR);
основные характеристики выполнения и их компоненты (Main characteristics);
минимальные, максимальные и средние значения характеристик выполнения
программы на каждом процессоре (Comparative characteristics);
характеристики выполнения программы на каждом процессоре (Execution
characteristics on processors).
При выдаче характеристик их компоненты располагаются в той же строке
(справа в скобках), либо в следующей строке (справа от символов “*” или “-”).
Компоненты некоторых характеристик, связанных с выполнением
коллективных операций, выдаются в виде столбцов таблицы, где строки
соответствуют типу коллективной операции, а столбцы - характеристикам. Один из
столбцов (Nop) этой таблицы содержит количества операций каждого типа, которые
являются характеристиками, не зависящими от числа процессоров, используемых для
выполнения программы.
Информация о минимальных, максимальных и средних значениях таких
характеристик оформлена в таблицу аналогичным образом.
Можно уменьшить объем выдаваемой информации, заказав только тот тип
характеристик, который в данный момент интересует пользователя. Кроме того,
можно ограничить количество интервалов, для которых будут выдаваться все
характеристики, указав максимальный номер их уровня вложенности. Можно задать
список номеров процессоров, ограничив тем самым объем информации с
характеристиками выполнения программы на каждом процессоре. Некоторые
характеристики вообще не выдаются в том случае, если их значения равны нулю.
Ниже приводится пример выдачи характеристик выполнения на кластере из 4х рабочих станций SGI O2 программы Jacobi, написанной на языке Fortran-DVM.
Размер (L) массивов А и В равен 1200, а число итераций равно 4. Запись результатов
(массива В) в файл исключена из программы.
Характеристики (Main characteristics и Comparative characteristics) приведены
только для интервала нулевого уровня.
PROGRAM
CDVM$
JACOB
PARAMETER
(L=1200, ITMAX=4)
REAL
A(L,L), EPS, MAXEPS, B(L,L)
PROCESSORS
P(2,2)
CDVM$
CDVM$
DISTRIBUTE
A ( BLOCK,
BLOCK)
ALIGN
B( I, J ) WITH A( I, J )
C
arrays A and B
PRINT *,
CDVM$
C
C
ONTO
P
with block distribution
'********** TEST_JACOBI
**********'
MAXEPS = 0.5E - 7
PARALLEL
(J,I)
ON
A(I, J)
nest of two parallel loops, iteration (i,j) will be executed on
processor, which is owner of element A(i,j)
DO 1
J = 1, L
DO 1
I = 1, L
14
1
CDVM$
C
21
CDVM$
C
C
*
22
2
3
C
C
C
A(I, J) = 0.
IF(I.EQ.1 .OR. J.EQ.1 .OR. I.EQ.L .OR. J.EQ.L) THEN
B(I, J) = 0.
ELSE
B(I, J) = ( 1. + I + J )
ENDIF
CONTINUE
DO 2
IT = 1, ITMAX
EPS = 0.
PARALLEL (J, I)
ON A(I, J), REDUCTION ( MAX( EPS ))
variable EPS is used for calculation of maximum value
DO 21 J = 2, L-1
DO 21 I = 2, L-1
EPS = MAX ( EPS, ABS( B( I, J) - A( I, J)))
A(I, J) = B(I, J)
CONTINUE
PARALLEL (J, I)
ON B(I, J),
SHADOW_RENEW
(A)
Copying shadow elements of array A from
neighboring processors before loop execution
DO 22 J = 2, L-1
DO 22 I = 2, L-1
B(I, J) = (A( I-1, J ) + A( I, J-1 ) + A( I+1, J)+
A( I, J+1 )) / 4
CONTINUE
PRINT *, 'IT = ', IT, '
EPS = ', EPS
IF ( EPS . LT . MAXEPS )
GO TO
3
CONTINUE
CONTINUE
OPEN (3, FILE='JACOBI.DAT', FORM='FORMATTED')
WRITE (3,*)
B
CLOSE (3)
END
15
INTERVAL (NLINE=8 SOURCE=jac.fdv ) LEVEL=0 EXE_COUNT=1
--- Main characteristics --Parallelization efficiency
Execution time
Processors
Total time
Productive time
 Lost time
- Insufficient parallelism
- Communication
- Idle time
Load imbalance
Synchronization
Time variation
Overlap
I/O
Reduction
Shadow
Nop
5
4
4
0.4952
3.2723
4
13.0891
6.4814
6.6077
1.0294
3.2100
2.3683
0.1131
6.1627
3.0460
0.0004
Communic
0.0000
3.0644
0.1189
( CPU= 6.1880 Sys= 0.2897 I/O= 0.0037 )
( User= 0.1491 Sys= 0.8803 )
( Real_sync= 3.1443 Starts= 0.0267 )
Real_sync
0.0000
3.0413
0.1030
Synchro
3.0368
3.0130
0.1129
Variation
3.0358
3.0130
0.0054
Overlap
0.0000
0.0001
0.0003
Замечание. Отсутствие потерь из-за коммуникаций при вводе-выводе объясняется
тем, что в программе имеются только операторы печати нераспределенных данных.
Поскольку такие данные имеют одинаковые значения на всех процессорах, то
операторы печати выполняются процессором ввода-вывода без обмена сообщениями
с другими процессорами.
16
--- Comparative characteristics --Lost time
User insufficient par.
Sys insufficient par.
Idle time
Communication
Real synchronization
Synchronization
Variation
Overlap
Load imbalance
Execution time
User CPU time
Sys CPU time
I/O time
Start operation
Processors
I/O
I/O
I/O
Reduction
Reduction
Reduction
Shadow
Shadow
Shadow
Tmin
Tmax
Tmid
Tmin
Tmax
Tmid
Tmin
Tmax
Tmid
T min
1.6245
0.0324
0.2061
0.0000
0.0781
0.8025
0.0715
0.0104
0.0000
0.0000
1.9373
1.5315
0.0678
0.0001
0.0036
4
Communic
0.0000 1
0.0000 4
0.0000
0.0303 4
1.2990 1
0.7661
0.0029 3
0.0687 1
0.0297
Real_sync
0.0000 1
0.0000 4
0.0000
0.0212 4
1.2920 1
0.7603
0.0000 2
0.0643 1
0.0257
Npr
1
2
4
1
4
4
4
4
2
1
4
3
4
1
4
1
T max
1.6636
0.0408
0.2346
0.0409
1.3733
1.3563
2.7026
1.3528
0.0003
0.0409
3.2723
1.5768
0.0775
0.0019
0.0089
4
Synchro
0.0058
1.3496
0.7592
0.0231
1.2849
0.7532
0.0000
0.0681
0.0282
4
1
4
1
3
1
Npr
2
3
3
2
1
1
1
1
3
2
1
1
3
2
2
4
Variation
0.0066 4
1.3494 1
0.7589
0.0000 3
0.0025 4
0.0012
0.0000 3
0.0022 2
0.0013
T mid
1.6519
0.0373
0.2201
0.5921
0.8025
0.7861
1.5407
0.7615
0.0001
0.0283
2.6802
1.5470
0.0724
0.0009
0.0067
4
Overlap
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0001
0.0000
0.0000
0.0003
0.0001
Приложение. Перечень выдаваемых характеристик
Основные характеристики и их компоненты
1. Коэффициент эффективности (Parallelization efficiency) равен отношению
полезного времени к общему времени использования процессоров.
2. Время выполнения (Execution time).
3. Число используемых процессоров (Processors).
4. Общее время использования процессоров (Total time) - произведение времени
выполнения (Execution time) на число используемых процессоров (Processors).
5. Полезное время (Productive time) - сумма трех составляющих – полезного
процессорного времени (CPU), времени ввода-вывода (I/O) и полезного
системного времени (Sys).
6. Потерянное время (Lost_time).
7. Недостаточный параллелизм (Insufficient_par) и его компоненты
1
4
2
1
1
3
17
8. Коммуникации (Communication) и все компоненты.
9. Простои (Idle time).
10. Разбалансировка (Load_Imbalance).
11. Потенциальные потери из-за синхронизации (Synchronization) и все
компоненты.
12. Потенциальные потери из-за разброса времен (Time_variation) и все
компоненты.
13. Время перекрытия (Overlap) и его компоненты.
Характеристики выполнения программы на каждом процессоре
1. Потерянное время (Lost time) - сумма его составляющих – потерь из-за
недостаточного параллелизма (User insufficient_par), системных потерь из-за
недостаточного
параллелизма
(Sys
insufficient_par),
коммуникаций
(Communication) и простоев (Idle time).
2. Потери из-за недостаточного параллелизма (User insufficient_par).
3. Системные потери из-за недостаточного параллелизма (Sys insufficient_par).
4. Простои на данном процессоре (Idle time) - разность между максимальным
временем выполнения интервала (на каком-то процессоре) и временем его
выполнения на данном процессоре.
5. Общее время коммуникаций (Communication).
6. Реальные потери из-за рассинхронизации (Real synchronization).
7. Потенциальные потери из-за рассинхронизации (Synchronization).
8. Потенциальные потери из-за разброса времен (Variation).
9. Время перекрытия асинхронных операций (Overlap).
10. Разбалансировка (Load_imbalance) вычисляется как разность между
максимальным процессорным временем (CPU+Sys) и соответствующим
временем на данном процессоре.
11. Время выполнения интервала (Execution_time).
12. Полезное процессорное время (User CPU_time).
13. Полезное системное время (Sys CPU_time).
14. Время ввода-вывода (I/O_time).
15. Время запусков коллективных операций (Start operation).
16. Число используемых процессоров для данного интервала (Processors).
17. Времена коммуникаций для всех типов коллективных операций (Reduction,
Shadow, Remote_access, Redistribution и I/O), за исключением времен их
запусков.
18. Реальные потери из-за рассинхронизации для всех типов коллективных операций.
19. Потенциальные потери из-за рассинхронизации для всех типов коллективных
операций.
20. Потенциальные потери из-за разброса времен для всех типов коллективных
операций.
21. Время перекрытия для всех типов коллективных операций.