Графо-символическое программирование

Технология графосимволического программирования — технология проектирования и кодирования алгоритмов программного обеспечения, базирующаяся на графическом способе представления программ, преследующую цель полной или частичной автоматизации процессов проектирования, кодирования и тестирования ПО.

Технология графосимволического программирования является графическим языком программирования и позволяет описывать параллельные алгоритмы с помощью графа управления и автоматизированно порождать коды программ.

Концептуальное описание модели

Модель представляется четверкой $<D,F,P,G>$, где $D$ — множество данных некоторой предметной области, $F$ — множество операторов, определенных над данными предметной области, $P$ — множество предикатов, действующих над структурами данных предметной области, $G=\left\{A,{\mathit {\Psi }},{\mathit {\Phi }},R\right\}$ — ориентированный помеченный граф. $A=\left\{A_{1},A_{2},...,A_{n}\right\}$ — множество вершин графа. Каждая вершина $A_{i}$ помечена локальным оператором $f_{i}\left(D\right)\in F$. На графе задано множество дуг управления ${\mathit {\Psi }}=\left\{{\mathit {\Psi }}_{1i1},{\mathit {\Psi }}_{1i2},...,{\mathit {\Psi }}_{jm}\right\}$ и множество дуг синхронизации ${\mathit {\Phi }}=\left\{{\mathit {\Phi }}_{1i1},{\mathit {\Phi }}_{1i2},...,{\mathit {\Phi }}_{jm}\right\}$. $R$ — отношение над множествами вершин и дуг, определяющее способ их связи. Дуга управления, соединяющая любые две вершины $A_{i}$ и $A_{j}$, имеет три метки: предикат $p_{ij}(D)\in P$, приоритет $k\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)\in N$ и тип дуги $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)\in N$. Каждая дуга синхронизации ${\mathit {\Phi }}_{ij}$ помечена сообщением $\mu _{ij}\in N$.

Тип дуги ${\mathit {\Psi }}_{ij}$ определяется как функция $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)\in \left\{1,2,3\right\}$, значения которой имеют следующую семантику:

• $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)=1$ — последовательная дуга (описывает передачу управления на последовательных участках вычислительного процесса);
• $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)=2$ — параллельная дуга (обозначает порождение нового параллельного вычислительного процесса);
• $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)=3$ — терминирующая дуга (завершает параллельный вычислительный процесс).

Функционирование модели начинается с выполнения оператора $f_{0}\left(D\right)$, помечающего начальную вершину $A_{0}$. Развитие вычислительного процесса, описываемого моделью, ассоциируется с переходами из вершины в вершину по дугам управления. При этом переход по дуге управления возможен лишь в случае истинности предиката, которым она помечена. Если несколько предикатов, помечающих исходящие из вершины дуги, одновременно становятся истинными, переход осуществляется по наиболее приоритетной дуге.

Для описания параллелизма вводится понятие параллельной ветви ${\mathit {\beta }}$ — подграфа графа $G$, начинающегося параллельной дугой (тип этой дуги $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)=2$) и заканчивающегося терминирующей дугой (тип этой дуги $T\left({\mathit {\Phi }}_{ij}\right)=3$). ${\mathit {\beta }}=\left\{A_{\mathit {\beta }},{\mathit {\Psi }}_{\mathit {\beta }},R_{\mathit {\beta }}\right\}$, где $A_{\mathit {\beta }}$ — множество вершин ветви, ${\mathit {\Psi }}_{\mathit {\beta }}$ — множество дуг управления ветви, $R_{\mathit {\beta }}$ — отношение над множествами вершин и дуг ветви, определяющее способ их связи. Дуги, исходящие из вершин параллельной ветви ${\mathit {\beta }}$, принадлежат также ветви ${\mathit {\beta }}$. При кодировании алгоритма, описанного с помощью предлагаемой модели, каждая параллельная ветвь порождает отдельный процесс — совокупность подпрограмм, исполняемых последовательно на одном из процессоров параллельной вычислительной системы. Графическая модель обычно содержит несколько параллельных ветвей, каждая из которых образует отдельный процесс. В этом смысле модель параллельных вычислений можно представить как объединение нескольких параллельных ветвей. Таким образом, распараллеливание вычислений возможно только на уровне граф-модели. Вычисления в пределах любого актора выполняются последовательно.

Граф-машина

В технологии ГСП для объектов — агрегатов — используется мониторная схема организации вычислений. В основу способа положено централизованное управление процессом вычислений, осуществляемое специальной программой — граф-машиной.
Граф-машина универсальна для любого алгоритма. Исходной информацией для граф-машины служит описанная выше модель графа управления вычислительным процессом. Анализируя модель, она выполняет в соответствующем порядке акторы и агрегаты, вычисляет значения предикатов и управляет синхронизацией. Для каждой параллельной ветви запускается по одному экземпляру граф-машины, которая представляет собой отдельный процесс в вычислительной системе.

1. Работа граф-машины начинается с выполнения актора в корневой вершине.
2. Затем строится список дуг, исходящих из текущей вершины. Этот список просматривается граф-машиной последовательно, начиная с самой приоритетной дуги. Вычисляется значение предиката, помечающего дугу, и в случае его истинности происходит переход к обработке следующей вершины. В результате обработки параллельной дуги в отдельном процессе запускается другая граф-машина, обрабатывающая порождаемую данной дугой параллельную ветвь.
3. После запуска всех параллельных ветвей происходит переход в вершину, в которой они терминируются.
4. Родительская граф-машина ожидает завершения выполнения всех дочерних граф-машин, если не задано альтернативное условие.

Межмодульный интерфейс параллельного обмена данными

Стандарт хранения и использования данных в ГСП

В технологии ГСП используется стандарт при организации межмодульного информационного интерфейса. Стандарт обеспечивается выполнением семи основных правил:

1. Вводится единое для всей предметной области программирования (ПОП) хранилище данных, актуальных для всей области. Полное описание данных размещено в словаре данных ПОП. Любые переменные, не описанные в словаре данных, считаются локальными данными для тех объектов ГСП, где они используются.
2. В пределах ГСП описание типов данных размещается централизовано в архиве типов данных.
3. Данные, актуальные для формируемого программного приложения, объединяются в единую универсальную структуру — класс TPOData.
4. В базовых модулях в качестве механизма доступа к данным допускается только передача параметров по адресу, ссылающемуся на универсальную структуру данных.
5. Привязка данных объектов ПОП к формальным параметрам базовых модулей реализована в паспортах объектов ПОП.
6. В технологии ГСП не рекомендуется использовать иные способы организации межпрограммных связей по данным.
7. Данные в ПОП могут быть общими и локальными. Память под общее данное выделяется в менеджере памяти, и все процессоры имеют доступ к этой переменной. Память под локальную переменную выделяется на каждом процессоре, и только этот процессор может читать и изменять её значение.

Способ реализации общей памяти в ГСП

В среде выполнения программы выбирается машина, на которой будет запущен процесс, отвечающий за хранение глобальных переменных ПОП. Учитывая аппаратные особенности и топологию ВС, это может быть узел с наибольшим объемом оперативной памятью или центральный узел, имеющий минимальное время доступа от любого из остальных узлов кластера. Преимущество данного подхода в том, что значительно экономится ресурс памяти на вычислительных узлах, так как на узлах память выделяется только под те переменные, которые используются.

Представленная идея организации хранения и обмена данными между параллельными процессами ориентирован на модель передачи сообщений, в которой каждый процесс работает с локальными данными. Например, стандарт MPI подразумевает, что процессы обмениваются данными только в результате пересылки их в виде сообщений.

Описанный способ обмена данными требует введения понятия диспетчера данных — подпрограммы, выполняющей функции хранения, чтения и модификации данных предметной области.

Диспетчер памяти

Диспетчер данных исполняется в отдельном процессе параллельной программы. В параллельных ветвях граф-модели для чтения или записи некоторого данного осуществляется обращение к диспетчеру памяти с помощью совокупности сообщений. В первом сообщении пересылается запрос на чтение или запись конкретного данного. Каждая переменная из ПОП получает уникальный номер, по которому диспетчер памяти может её идентифицировать. В случае чтения параллельная ветвь переходит к ожиданию ответа от диспетчера данных. При записи во втором сообщении пересылается новое значение переменной. Диспетчер данных циклически принимает и обрабатывает запросы параллельных ветвей.

См. также

• APL