《并行程序设计H》课件.pptVIP

*******************并行程序设计H本课件深入探讨并行程序设计，涵盖核心概念、关键技术和应用实例。课程简介课程目标学习并行程序设计的基本概念和方法。掌握常用的并行编程模型和工具，包括OpenMP、MPI和CUDA。能够使用并行编程技术解决实际问题，提高程序的效率和性能。课程内容本课程涵盖并行程序设计的基本概念、并行编程模型、多线程编程、同步与互斥、进程间通信、OpenMP、MPI、GPU编程等内容。课程通过理论讲解、代码演示和实验练习的方式，帮助学生深入理解并行程序设计的原理和实践。课程大纲1并行编程概念介绍并行计算的背景、优势和应用场景，并阐述并行编程的基本概念。2并行编程模型深入探讨多线程编程、进程间通信和消息传递模型，并比较不同模型的优缺点。3并行编程实践介绍OpenMP、MPI和CUDA等主流并行编程库，并通过实例演示其使用方法。4案例分析分析经典的并行程序设计案例，并探讨其优化方法和性能评估。并行编程概念并行编程是指利用多个处理器或核心同时执行程序的不同部分，以提高程序执行速度。它利用了现代计算机系统中多核处理器的优势，通过将计算任务分解成多个子任务，在不同处理器上同时执行。并行编程可以显著提高程序性能，尤其适用于处理大量数据或需要进行复杂计算的应用。并行编程模型线程模型线程模型允许在单个进程内创建和管理多个线程，以利用多核处理器。消息传递模型消息传递模型使用消息传递来协调不同进程之间的通信，适用于分布式系统。共享内存模型共享内存模型通过共享内存区域允许多个进程访问相同的内存数据。数据流模型数据流模型将程序视为一系列相互连接的数据流，每个数据流表示一个操作。多线程编程多线程编程允许程序在单个进程中创建和管理多个线程。线程可以并发执行，提高程序效率，尤其在多核处理器上。线程共享同一地址空间和资源，便于数据交换和协作。线程创建、调度和销毁都需要系统管理和同步机制。同步与互斥同步同步是指在多线程或多进程编程中，协调不同线程或进程的执行顺序，以确保它们按预期顺序访问共享资源。互斥互斥是指在任何时刻，只有一个线程或进程可以访问共享资源，防止多个线程或进程同时修改数据。同步与互斥同步和互斥是保证多线程或多进程安全访问共享资源的关键机制，它们协同工作以确保程序的正确性和稳定性。死锁与活锁死锁死锁发生在多个线程或进程互相等待对方释放资源时。当每个线程或进程都持有其他线程或进程所需的资源，导致所有线程或进程都无法继续执行。活锁活锁发生在多个线程或进程不断地尝试访问共享资源，但由于竞争条件，导致所有线程或进程都无法成功访问。进程间通信11.数据交换进程之间需要共享信息，进行数据交换。22.资源管理进程之间需要协调资源使用，避免冲突。33.协同工作进程之间可以相互合作，完成共同的任务。44.通信方式进程间通信有多种方式，如消息传递、共享内存等。消息传递进程间通信进程之间通过传递消息进行通信，每个进程都有自己的内存空间，无法直接访问其他进程的内存。异步通信发送方发送消息后立即继续执行，接收方接收消息后才继续执行。同步通信发送方发送消息后阻塞等待接收方确认，接收方接收消息后才继续执行。消息队列使用消息队列，进程可以将消息放入队列，其他进程可以从队列中获取消息。共享内存直接访问进程之间通过共享内存区直接访问数据。高效通信比消息传递更快的速度交换数据。同步问题需要使用同步机制防止数据冲突。OpenMP简介OpenMP是一个应用程序编程接口(API)，用于在共享内存系统上进行并行编程。OpenMP提供了一套指令，允许程序员将代码中的关键部分标记为并行执行，从而利用多核处理器来加速程序的执行。OpenMP支持各种编程语言，包括C、C++和Fortran，它提供了一种简单而有效的并行化方法，并且具有良好的可移植性。OpenMP指令集并行区域使用#pragmaompparallel指令定义并行代码块。线程池中的每个线程都会执行该代码块。工作共享使用#pragmaompfor指令将循环迭代分配给多个线程。每个线程执行循环的特定迭代，以加快处理速度。数据并行使用#pragmaompparallelfor指令并行执行循环，并将数据分配给每个线程。每个线程处理数据集的一部分，以加快处理速度。同步与互斥使用#pragmaompcritical指令保护关键代码段，以防止数据竞争。使用#pragmaompatomic指令执行原子操作，以确保线程安全。并行区域1定义并行区