В информатике параллели́зм — это свойство систем, при котором несколько вычислений выполняются одновременно, и при этом, возможно, взаимодействуют друг с другом. Вычисления могут выполняться на нескольких ядрах одного чипа с вытесняющим разделением времени потоков на одном процессоре, либо выполняться на физически отдельных процессорах . Для выполнения параллельных вычислений разработаны ряд математических моделей, в том числе сети Петри , исчисление процессов , модели параллельных случайных доступов к вычислениям и модели акторов .

Примечание — В русскоязычной литературе нередко путаются термины «параллелизм» и «конкурентность» ^{[ источник не указан 535 дней ]} . Оба ^{[ источник не указан 535 дней ]} термина означают одновременность процессов, но первый — на физическом уровне (параллельное исполнение нескольких процессов, нацеленное только на повышение скорости исполнения за счёт использования соответствующей аппаратной поддержки), а второй — на логическом ( парадигма проектирования систем, идентифицирующая процессы как независимые, что в том числе позволяет их исполнять физически параллельно, но в первую очередь нацелено на упрощение написания многопоточных программ и повышение их устойчивости).

Проблематика

Поскольку вычисления в параллельных системах взаимодействуют друг с другом, число возможных путей выполнения может быть чрезвычайно велико, и результирующий итог может стать недетерминированным (неопределенным). Параллельное использование общих может стать одним из источников недетерминированности, приводящей к таким проблемам, как взаимная блокировка или фатальный недостаток ресурсов.

Построение параллельных систем требует поиска надёжных методов координации выполняемых процессов, обмена данными, распределения памяти и планирования для минимизации времени отклика и увеличения пропускной способности.

Теория

Теория параллельных вычислений является активной областью исследований теоретической информатики . Одним из первых предложений в этом направлении была плодотворная работа Карла Адама Петри по сетям Петри в начале 1960-х. В последующие годы был разработан широкий спектр формализмов для моделирования и описания параллельных систем.

Модели

Сейчас разработано уже большое число формальных методов для моделирования и понимания работы параллельных систем, в том числе:

• Параллельный случайный доступ к компьютеру
• Модель акторов
• Вычислительные связанные модели, например, модель массового синхронного параллелизма
• Сети Петри
• Исчисление процессов
• Пространство кортежей , например, Linda
• SCOOP (Simple Concurrent Object-Oriented Programming — Простое параллельное объектно-ориентированное программирование)

Некоторые из этих моделей параллелизма предназначены в первую очередь для логических умозаключений и описания спецификаций, тогда как другие могут быть использованы на протяжении всего цикла разработки, включая проектирование, внедрение, доказательство истинности результатов, тестирование и моделирование параллельных систем.

Распространение различных моделей параллелизма побудило некоторых исследователей разработать способы объединения этих теоретических моделей. Например, Ли и Санджованни-Винсентелли показали, что так называемую модель «меченых сигналов» можно использовать для создания общей основы для описания денотационной семантики различных моделей параллелизма, а Нильсен, Сассун и Винскль показали, что теория категорий может быть использована для обеспечения единого понимания различных моделей.

Теорема представления параллелизма из модели актора обеспечивает достаточно общий способ описания параллельных систем, замкнутых в том смысле, что они не получают сообщений извне. Другие методы описания параллелизма, как, например, исчисление процессов , могут быть описаны через модель актора, используя двухфазный протокол фиксации. Математические обозначения, используемые для описания замкнутой системы S , обеспечивают в большей степени хорошее приближение, если они строятся на основе начального поведения, обозначаемого ⊥ _S , с использованием аппроксимирующей функции поведения progression _S . Тогда обозначения для S строятся следующим образом:

Denote _S ≡ ⊔ _i∈ω progression _S ⁱ (⊥ _S )

Таким образом, S может быть математически выражена посредством всех его возможных поведений.

Логика

Чтобы обеспечить логические рассуждения о параллельных системах, можно использовать различные виды темпоральных логик . Некоторые из них, как, например, линейная темпоральная логика или логика вычислительного дерева, позволяют делать утверждения о последовательности состояний, через которые параллельная система может пройти. Другие же, такие как логика действий вычислительного дерева, логика Хеннесси-Милнера или темпоральная логика действий Лэмпорта, строят свои утверждения от последовательности действий (изменения состояний). Основное применение этих логик состоит в записи спецификаций для параллельных систем.

Практика

В этом разделе будет использоваться два понятия параллельности, свойственные англоязычной литературе, поскольку речь пойдёт о сравнении их друг с другом. Термин Concurrency будет переводиться «одновременность», а термин Parallelism будет переводиться «параллелизм».

Одновременное программирование включает в себя языки программирования и алгоритмы, используемые для реализации одновременных систем. Одновременное программирование обычно считается более общим понятием, чем параллельное программирование, поскольку оно может включать произвольные динамические модели общения и взаимодействия, тогда как параллельные системы чаще всего реализуют заранее определённые и хорошо структурированные модели связей. Основными целями одновременного программирования являются корректность , эффективность , устойчивость . Одновременные системы, такие как операционные системы и системы управления базами данных предназначены прежде всего для работы в неопределённых условиях, в том числе с учётом автоматического восстановления после сбоя, они не должны неожиданно прекращать работу. Некоторые одновременные системы осуществляют работу в виде прозрачной одновременности, при которой одновременные вычислительные сущности могут конкурировать за использование одного и того же ресурса, но суть этой конкуренции скрыта для программиста.

Поскольку одновременные системы используют общие ресурсы, они обычно требуют наличие какого-либо арбитра, встроенного в их реализацию (часто в базовое оборудование) для управления доступом к этим ресурсам. Использование арбитров создаёт вероятность неопределённости в одновременных вычислениях, которая имеет большое значение для практики, в том числе для обеспечения корректности и эффективности. Например, арбитраж не исключает неограниченный индетерминизм, который связан с проблемой проверки моделей , являющейся причиной взрывного характера пространства состояний и может даже стать причиной образования модели с бесконечным числом состояний.

Некоторые одновременные модели программирования включают создание сопроцессов и детерминированной одновременности . В этих моделях потоки выполнения по управлению процессами явно отдают своё кванты времени либо системе, либо другому процессу.

См. также

• Технология «клиент-сервер»
• Кластеры
• Параллельные вычисления
• Распределённые вычисления
• OpenMP
• Разделённое глобальное адресное пространство
• Процессы
• Пучок (математика)
• Поток выполнения
• X10 (язык программирования)

Примечания

Ссылки

• at
• Lynch, Nancy A. (неопр.) . — Morgan Kauffman, 1996. — ISBN 1558603484 .
• Tanenbaum, Andrew S.; Van Steen, Maarten. Distributed Systems: Principles and Paradigms (англ.) . — Prentice Hall , 2002. — ISBN 0-13-088893-1 .
• Kurki-Suonio, Reino. A Practical Theory of Reactive Systems (неопр.) . — Springer, 2005. — ISBN 3-540-23342-3 .
• Garg, Vijay K. Elements of Distributed Computing (неопр.) . — Wiley-IEEE Press , 2002. — ISBN 0-471-03600-5 .
• Magee, Jeff;, Kramer, Jeff. Concurrency: State Models and Java Programming (англ.) . — Wiley, 2006. — ISBN 0-470-09355-2 .