一種并行系統(tǒng)性能的形式化分析方法
【技術領域】
[0002] 本發(fā)明涉及并行系統(tǒng)性能分析領域，特別涉及一種基于賦時著色Petri網計算模 型的并行系統(tǒng)性能持續(xù)提升方法。
[0003]
【背景技術】
[0004] 作為解決大規(guī)模計算問題的重要手段，高性能計算技術被越來越廣泛地應用到科 學與工程的各個領域。然而，隨著高性能計算機規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)峰值性能的迅速提 高，應用程序的持續(xù)性能并未獲得同比例的提高，兩者間的差距日益擴大。因此，如何發(fā)現 系統(tǒng)性能瓶頸，提高系統(tǒng)持續(xù)性能成為高性能計算研究領域急需解決的重點問題。
[0005] 目前常用的并行系統(tǒng)(并行程序+并行機）性能分析方法主要有：測量法和模型 法。
[0006] (1)測量法 可采用的標準商用性能測試軟件有UNPACK (為Top500排名提供性能參數根據）、SPEC Benchmark suite、NAS Parallel Benchmarks 和 Streams benchmark 等。這些測試程序雖 然在一定程度上反映了實際應用的負載特征，但實際負載的多樣性，使得Benchmark很難 匹配所有負載特征。例如，UNPACK能較為準確地得到密集型矩陣運算應用的性能，但它卻 不適合于測量科學計算任務中常見的其它負載特征的應用性能，如稀疏矩陣運算模型、不 規(guī)則mesh結構運算模型、自適應優(yōu)化mesh結構運算模型等。Benchmark負載特征與實際應 用負載特征的不一致性，導致了用Benchmark不能準確地測量出系統(tǒng)的實際性能。
[0007] 另一種常用的性能測量法是通過測量設備直接從系統(tǒng)中測得各項性能指標或與 之密切相關的量，然后由此經過運算求出相應的性能指標值。設備測量可以準確提取系統(tǒng) 和負載參數，輔助系統(tǒng)模型和負載模型的建立。此外，在多數情況下，因為實際測量法的結 果是準確的，可以用這個結果來驗證其它性能預測方法的準確性。
[0008] 性能測量法屬事后驗證法，只適用于已經存在并運行的系統(tǒng)，周期長、代價大，不 適合大規(guī)模復雜科學計算任務的開發(fā)。
[0009] (2)模型法 該方法需要首先為待評價的并行系統(tǒng)建立一個適當的模型，然后求出模型的性能指標 值，以便對系統(tǒng)進行性能評價。模型中一般包括許多參數，這些參數的確定通常依賴于對實 際系統(tǒng)的測量結果或對系統(tǒng)參數的估計。與測量法相比，模型方法不僅可以應用于已有的 系統(tǒng)性能評價，也可以應用于尚未存在系統(tǒng)的性能預測，而且這種方法工作量小、代價低。 [0010] 伊利諾伊大學為BlueGene/C開發(fā)的并行模擬器BigSim，加州大學COMPASS項目的 MPI-S頂，國防科大為預測MPI程序在多核SMP集群上的性能而設計實現的Sim-MSC等，均 采用程序動態(tài)模擬系統(tǒng)硬件配置和工作負載，通過負載驅動系統(tǒng)模型從而得出模型的性能 指標。這種模擬技術在性能評價的代價、時間和靈活性之間有較好的平衡，但作為大規(guī)模并 行系統(tǒng)的性能評價工具，性能模擬器設計、實現的代價高，模擬器評價時間過長。為此，可采 用應用數學理論與方法，適當簡化模型參數，來研究、描述性能與并行、并行應用之間的關 系，以彌補性能模擬器的不足。
[0011] 以上這些技術在并行系統(tǒng)性能分析過程中各有優(yōu)勢，比如，在系統(tǒng)設計早期，不存 在可運行的完整系統(tǒng)，無法使用測量計算進行分析，只能通過性能模型分析方法來預測系 統(tǒng)性能。而隨著系統(tǒng)實現的推進，可用組件逐漸增多，因此可以使用模擬器或Benchmark評 價系統(tǒng)性能。最后，當系統(tǒng)完全實現，就可利用實際測量技術評價系統(tǒng)性能，并用結果驗證 其他分析技術的正確性和有效性。
[0012]

【發(fā)明內容】

[0013] 本發(fā)明解決的問題是現有并行系統(tǒng)性能分析方法代價高、效率差；為解決所述問 題，本發(fā)明提供一種并行系統(tǒng)性能的形式分析方法。
[0014] -種并行系統(tǒng)性能的形式化分析方法，包括： 步驟一、建立并行程序性能模型和并行機模型； 步驟二、在并行程序性能模型和并行機模型之間建立映射關系，形成并行應用性能模 型，進行并行系統(tǒng)性能分析。
[0015] 進一步，所述并行程序性能模型包括程序控制流模型，線程通信模型，并行應用性 能模型；所述并行程序性能模型基于賦時著色Petri網建立。
[0016] 進一步，還包括對所述并行程序性能模型進行驗證： 步驟1.1、將并行程序性能模型按功能模塊進行劃分，即模型/^…忍}，巧為第 i個功能模塊，對/?中的各功能模塊分別建模； 步驟1. 2、根據/?的數據規(guī)模，確定尸，包含的進程數量/7,即尸,= {A7，，/··&}，&為 A中的進程，分別建模； 步驟1. 2. 1、/。中串行執(zhí)行部分按照預設的并行系統(tǒng)性能分析方法的程序分支結構模 型和循環(huán)結構模型對程序的控制流建模； 步驟1. 2. 2、/。中的通信部分，分析消息的源進程和目標進程，按照預設的并行系統(tǒng)性 能分析方法的程序通信方式模型建立通信模型； 步驟1. 2. 3、根據中的數據類型，確定集合中的元素； 步驟1. 2. 4、將/^中的事件或動作轉化為變遷b，然后根據變遷b的功能，定義變遷 函數/^，計算。觸發(fā)后，標識的變化； 步驟1. 2. 5、計算7^.，得到變遷b觸發(fā)延遲； 步驟L 2. 6、若/^中的所有進程建模完畢，則轉St印3,否則轉St印2. 1 ; 步驟1. 3、當/?的/卩7均建模完畢，則將各功能模塊模型按照同步合成法進行組合，形 成完整算法的P模型； 步驟1. 4、若得到的P不是安全網，做適當地改造，將受控網改造為相應的安全網。 [0017] 進一步，步驟二中，進行系統(tǒng)性能分析包括： 步驟2.1、并行度計算； 步驟2. 2、負載平衡計算； 步驟2. 3、系統(tǒng)運行時間計算； 步驟2. 4、資源利用率與操作執(zhí)行頻率計算。
[0018] 進一步，并行度計算包括：片段集合/(/^) = ΙΛ，Λ，"·Λ}= v 是程 序辦的所有可能的片段集合，其中也5?表示在標識#下活躍的進程，^(/切是并行程序 辦性能模型的可達標識集合，若沁是辦的初始狀態(tài)，則必'(/如)4?) ; ρ Λ p是片段乂 的大小，乂中進程個數，并行程序辦的最大并行度為#_ 。
[0019] 進一步，負載平衡計算包括：對于::％卩_&·，，表示在穩(wěn)定狀態(tài)下， 庫所胃在任一可達標識中平均含有的《數，則

勺各節(jié)點進程庫所集合中平均 數之和。
[0020] 進一步，系統(tǒng)運行時間計算包括：
，其中，
得 pig A&為等效計算量，&為等效計算速度，4 $，&和I分別是等效數據訪問量 Mr Jir, 和等效數據訪問速度。
[0021] 進一步，資源利用率與操作執(zhí)行頻率計算包括：利用toh/v估算資源爵的利 用率，當A屬于某個子進程時，可以把
[ft為進程任務隊列長度，進而 分析進程響應時間和吞吐量；"iir的觸發(fā)概率是能使?觸發(fā)的所有標識的穩(wěn)定概率之和， 艮口，其中,您(0是指能使（觸發(fā)的所有可達標識集合。
[0022] 進一步，還包括：確定并行系統(tǒng)性能分析，步驟3. 1、計算節(jié)點關鍵性能影響因素 的計算；步驟3-2,通信網絡關鍵性能影響因素的計算；步驟3-3,并行應用性能度量參數的 計算。
[0023] 進一步，還包括： 步驟1. 1. 1 :初始化所有集合為龍； 步驟1. 1. 2 :根據定義3. 28建立P模型的關聯矩陣6；; 步驟1. 1. 3 :/br i=l~a?判斷每個/7,的類型； 步驟1. 1. 3. 1 :若約e OP ,檢查C第i列中" 1 "和"-1 "的個數，若各位1，則滿 足定義4. 7 (1)和（2)，否則尸俗=尸; 步驟1. 1. 3. 2 :若A e $巧，檢查C第i列中" 1 "和"-1 "的個數，若都為X，則滿足定義 4· 7 (3 )，否則尸/5=尸/袖 Ια.}; 步驟1. 1. 3. 3 :除以上類型外的Α.，若C第i列中"1"和"-1"的個數都為1，則滿足定 義4. 7 (4)，否則尸/5=尸/袖{^}; 步驟1. 1. 3. 4 :若朽e 5巧》u Λ片：=0，則屬〇=屬中h.}; 若e BP，J BPc ?\' -Pi = 0 ,魏 LMP = LMA [ph ' 若巧e uλ|片|關|>;|,則嫌尸=嫌尸6{^}; 步驟1. 1. 4 :/br 判斷每個G的類型； 步驟1. 1.4. 1 :若，檢查C第J行中"1"和"-1"的個數是否分別為x和1，若 是，