Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Системы, основанные на знаниях, находят все более широкое применение для решения достаточно широкого круга неформализуемых задач. Под неформализуемыми задачами понимаются задачи, которые невозможно представить в числовой форме ввиду неточной определенности исходной информации, а также операций и целей ее преобразования. К числу таких задач относятся задачи классификации, диагностики, проектирования, интерпретации, отладки, принятия решений в условиях неопределенности и другие в самых разнообразных проблемных областях.
Разработка систем, основанных на знаниях, требует проведения исследований в области моделей представления знаний, методов их описания и алгоритмов интерпретации. Исследованию этих вопросов посвящено достаточно много публикаций, среди которых можно выделить работы Э.В. Попова, Д.А. Поспелова, Т.А. Гавриловой, В.Н. Вагина, Э. Фейгенбаума, П. Джексона, Д. Джарратано.
Одним из наиболее актуальных направлений современного программирования является разработка параллельных алгоритмов и программ. Задача разработки таких программ и повышения их производительности достаточно сложна. Исследованию вопросов анализа производительности параллельных приложений в последние годы было посвящено множество публикаций. Среди них можно выделить работы J. Dongarra, Т. Sterling, М. Resch, W.D. Gropp, В. Mohr, F. Wolf, J. Vetter. В России направление анализа производительности параллельных приложений развивается в научных коллективах Вл.В. Воеводина, Л.Б. Соколинского, С.А. Немнюгина, В.П. Гергеля, В.А. Крюкова, А.В. Бухановского, Б.Н. Четверушкина, М.В. Якобовского, В.Э. Малышкина, СМ. Абрамова.
Для практического решения задачи повышения производительности разрабатываются специальные системы, позволяющие оценивать производительность параллельных приложений и выявлять наиболее «тяжелые» участки кода (проблемы производительности). На основе этих данных эксперт может принять решение по оптимизации программного кода с целью сокращения потерь на этих участках. Общий недостаток таких систем состоит в том, что задача выявления проблем производительности остается достаточно сложной ввиду большого объема обрабатываемой информации и сложности связей, порождающих отдельные проблемы. Кроме того, выявленные экспертом проблемы производительности и принятые решения по их устранению в таких системах не сохраняются тогда, как большая часть проблем имеют, как правило, достаточно типовой характер и могут проявляться в других параллельных приложениях. В этих условиях актуальной является задача разработки системы, способной накапливать знания экспертов по выявлению типовых проблем производительности параллельных приложений и способам их устранения.
Библиотека МРІ (Message Passing Interface) является де-факто стандартом для разработки параллельных приложений. К настоящему времени создано достаточно большое количество MPI приложений, и выбор этого типа приложений в качестве основного объекта исследований является актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка программной системы, обеспечивающей накопление знаний о типовых проблемах производительности MPI приложений, методах их выявления и способах их возможного разрешения.
В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи:
Предложить модели и методы представления знаний для анализа типовых проблем производительности MPI приложений.
Разработать алгоритмы выполнения анализа проблем производительности для предложенных моделей и методов представления знаний.
Разработать программную систему, реализующую предложенные модели, методы и алгоритмы.
Описать с помощью разработанных методов и средств ряд типовых проблем производительности MPI приложений.
Исследовать эффективность разработанных моделей, методов и средств для анализа производительности MPI приложений.
Методы исследования. Работа базируется на методах систем, основанных на знаниях, математической логики, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложена модель проблемы производительности MPI приложения как совокупности действий MPI процессов, определенные сочетания которых при определенных условиях могут привести к возникновению идентифицируемой проблемы производительности.
Предложены средства идентификации проблем производительности MPI приложений. Предложенные средства включают модели и языки описания:
правил трассировки действий идентифицируемой проблемы производительности;
правил анализа трассы с целью конструирования составных событий как претендентов на идентифицируемую проблему производительности;
правил выявления проблем производительности из множества сконструированных составных событий.
3. Разработаны алгоритм генерации трассировщика MPI приложения по заданным правилам трассировки действий отдельных проблем производительности и алгоритм конвертирования правил конструирования составных событий и правил выявления проблем производительности в правила экспертной системы CLIPS.
Практическую ценность работы составляют:
Программная система Performance Expert, реализующая предложенные модели, методы и алгоритмы.
База знаний для идентификации десяти типовых проблем производительности MPI приложений, описанная с использованием предложенных моделей и методов.
Результаты исследования эффективности разработанных моделей, методов и средств при анализе производительности MPI приложений.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается строгостью постановки задач исследования, результатами тестирования и внедрения алгоритмов и программного обеспечения, научной экспертизой на научных конференциях и при публикации в научной печати.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ЦНИИ «Буревестник», в проведение научных исследований ИНГУ и в учебный процесс ИНГУ, что подтверждается актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международных конференциях «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2010-2011), международной конференции «Научный сервис в сети Интернет: экзафлопсное будущее» (Дюрсо, 2011), международной конференции «Параллельные вычислительные технологии» (Москва, 2011), международной конференции «Супервычисления и математическое моделирование» (Саров, 2010), международной конференции «Интеллектуальные системы и компьютерные науки» (Москва, 2011), всероссийской конференции «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации» (Москва, 2011), всероссийских конференциях «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Нижний Новгород, 2009-2010), семинарах кафедры МО ЭВМ факультета ВМК ННГУ.
На конкурсах научных работ аспирантов V всероссийской конференции "Искусственный интеллект: философия, методология, инновации" (Москва, 2011) и всероссийской конференции "Технологии Microsoft в теории и практике программирования" (Нижний Новгород, 2009) доклады автора были отмечены дипломами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 156 страниц, включая 40 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 98 наименований.
