Описание системы PVM

PVM (Parallel Virtual Machine) - это побочный продукт продвижения гетерогенных сетевых исследовательских проектов, распространяемый авторами и институтами, в которых они работают. Общими целями этого проекта являются исследование проблематики и разработка решений в области гетерогенных параллельных вычислений. PVM представляет собой набор программных средств и библиотек, которые эмулируют общецелевые, гибкие гетерогенные вычислительные структуры для параллелизма во взаимосвязанных компьютерах с различными архитектурами. Главной же целью системы PVM является обеспечение возможности совместного использования группы компьютеров совместно для взаимосвязанных или параллельных вычислений. Основные постулаты, взятые за основу для PVM, следующие:

Конфигурируемый пользователем пул хостов: вычислительные задачи приложения выполняются с привлечением набора машин, которые выбираются пользователем для данной программы PVM. Как однопроцессорные машины, так и аппаратное обеспечение мультипроцессоров (включая компьютеры с разделяемой и распределенной памятью) могут быть составной частью пула хостов. Пул хостов может изменяться добавлением и удалением машин в процессе работы (важная возможность для поддержания минимального уровня ошибок).

Прозрачность доступа к оборудованию: прикладные программы могут “видеть” аппаратную среду как группу виртуальных вычислительных элементов без атрибутов или эксплуатировать по выбору возможности специфических машин из пула хостов путем ``перемещения'' определенных счетных задач на наиболее подходящие для их решения компьютеры.

Вычисления, производимые с помощью процессов: единицей параллелизма в PVM является задача (часто, но не всегда совпадает с процессом в системе UNIX) - независимый последовательный поток управления, который может быть либо коммуникационным, либо вычислительным. PVM не содержит и не навязывает карты связей процессов; характерно, что составные задачи могут выполняться на одном процессоре.

Модель явного обмена сообщениями: группы вычислительных задач, каждая из которых выполняет часть «нагрузки» приложения - используется декомпозиция по данным, функциям или гибридная, - взаимодействуют, явно посылая сообщения друг другу и принимая их. Длина сообщения ограничена только размером доступной памяти.

Поддержка гетерогенности: система PVM поддерживает гетерогенность системы машин, сетей и приложений. В отношении механизма обмена сообщениями PVM допускает сообщения, содержащие данные более одного типа, для обмена между машинами с различным представлением данных. При желании в кластер на основе PVM можно включать узлы не только под управлением различные ОС, но и различных архитектур.

Поддержка мультипроцессоров: PVM использует оригинальные возможности обмена сообщениями для мультипроцессоров с целью извлечения выгоды от использования базового оборудования. Производители часто поддерживают собственные, оптимизированные для своих систем PVM, которые становятся коммуникационными в их общей версии.

Система PVM состоит из двух частей. Первая часть - это “демон” под названием pvmd3 - часто сокращается как pvmd, - который помещается на все компьютеры, создающие виртуальную машину. (Примером программы-демона может быть почтовая программа, которая выполняется в фоновом режиме и обрабатывает всю входящую и исходящую электронную почту компьютера). Разработан pvmd3 таким образом, чтобы любой пользователь с достоверным логином мог инсталлировать его на машину. Когда пользователь желает запустить приложение PVM, он, прежде всего, создает виртуальную машину. После этого приложение PVM может быть запущено с любого UNIX-терминала на любом из хостов. Несколько пользователей могут конфигурировать перекрывающиеся виртуальные машины, каждый пользователь может последовательно запустить несколько приложений PVM. Вторая часть системы - это библиотека подпрограмм интерфейса PVM. Она содержит функционально полный набор примитивов, которые необходимы для взаимодействия между задачами приложения. Эта библиотека содержит вызываемые пользователем подпрограммы для обмена сообщениями, порождения процессов, координирования задач и модификации виртуальной машины.

Вычислительная модель PVM базируется на предположении, что приложение состоит из нескольких задач. Каждая задача ответственна за часть вычислительной нагрузки приложения. Иногда приложение распараллеливается по функциональному принципу, т. е. каждая задача выполняет свою функцию, например: ввод, порождение, счет, вывод, отображение. Такой процесс часто определяют как функциональный параллелизм. Более часто встречается метод параллелизма приложений, называемый параллелизмом обработки данных. В этом случае все задачи одинаковы, но каждая из них имеет доступ и оперирует только небольшой частью общих данных. PVM поддерживает любой из перечисленных методов отдельно или в комплексе. В зависимости от функций задачи могут выполняться параллельно и нуждаться в синхронизации или обмене данными, хотя это происходит не во всех случаях.

В настоящее время PVM поддерживает языки программирования C, C++ и Фортран. Этот набор языковых интерфейсов взят за основу в связи с тем, что преобладающее большинство целевых приложений написаны на C и Фортран, но наблюдается и тенденция экспериментирования с объектно-ориентированными языками и методологиями.

Привязка языков C и C++ к пользовательскому интерфейсу PVM реализована в виде функций, следующих общепринятым подходам, используемым большинством C-систем, включая UNIX - подобные операционные системы. Уточним, что аргументы функции - это комбинация числовых параметров и указателей, а выходные значения отражают результат работы вызова. Прикладные программы, написанные на C и C++, получают доступ к функциям библиотеки PVM путем прилинковки к ним архивной библиотеки (libpvm3.a) как часть стандартного дистрибутива.

Привязка к языку Фортрана реализована скорее в виде подпрограмм, чем в виде функций. Такой подход применен по той причине, что некоторые компиляторы для поддерживаемых архитектур не смогли бы достоверно реализовать интерфейс между C и Фортран функциями. Непосредственным следствием из этого является то, что для каждого вызова библиотеки PVM вводится дополнительный аргумент - для возвращения результирующего статуса в вызвавшую его программу. Также унифицированы библиотечные подпрограммы для размещения введенных данных в буферы сообщения и их восстановления, они имеют дополнительный параметр для отображения типа данных. Кроме этих различий (и разницы в стандартных префиксах при именовании: pvm_ - для C и pvmf_ - для Фортран), возможно взаимодействие “друг с другом” между двумя языковыми привязками. Интерфейсы PVM на Фортране реализованы в виде библиотечных надстроек, которые в свою очередь, после разбора и/или определения состава аргументов, вызывают нужные C-подпрограммы. Так, Фортран - приложения требуют прилинковки библиотеки-надстройки (libfpvm3.a) в дополнение к C библиотеке(libpvm3.a).