C2115 Praktický úvod do superpočítání -1-
C2115
Praktický úvod do
superpočítání
Petr Kulhánek, Jakub Štěpán
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta,
Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno
V. lekce
C2115 Praktický úvod do superpočítání -2-
Obsah
 Víceuživatelské prostředí
proces, vlákno, multitasking, přepnutí kontextu
 Cvičení
efektivita souběžného spouštění aplikací
C2115 Praktický úvod do superpočítání -3-
Víceuživatelské
prostředí
C2115 Praktický úvod do superpočítání -4Proces
a vlákno
Proces (anglicky process) je v informatice název pro spuštěný počítačový program. Proces
je umístěn v operační paměti počítače v podobě sledu strojových instrukcí vykonávaných
procesorem. Obsahuje nejen kód vykonávaného programu, ale i dynamicky měnící se data,
která proces zpracovává. Jeden program může v počítači běžet jako více procesů s různými
daty. Správu procesů vykonává operační systém, který zajišťuje jejich oddělený běh,
přiděluje jim systémové prostředky počítače a umožňuje uživateli procesy spravovat.
Vlákno (též vlákno řízení, anglicky thread) označuje v informatice odlehčený proces,
pomocí něhož se snižuje režie operačního systému při změně kontextu, které je nutné pro
zajištění multitaskingu nebo při masivních paralelních výpočtech. Zatímco běžné procesy
jsou navzájem striktně odděleny, sdílí vlákna nejen společný paměťový prostor, ale i další
struktury. V rámci jediného procesu je možné vytvořit mnoho vláken. Vlákna usnadňují
díky sdílené paměti vzájemnou komunikaci, což však přináší možné komplikace v podobě
souběhu (anglicky race condition).
zdroj: www.wikipedia.cz, upraveno
C2115 Praktický úvod do superpočítání -5-
Multitasking
Multitasking (z angličtiny, multi = mnoho, task = úloha, používán ve víceúlohovém
systému) označuje v informatice schopnost operačního systému provádět (přinejmenším
zdánlivě) několik procesů současně. Jádro operačního systému velmi rychle střídá na
procesoru běžící procesy (tzv. změna kontextu), takže uživatel počítače má dojem, že běží
současně.
V preemptivním multitaskingu o přidělování a odebírání procesoru jednotlivým úlohám
plně rozhoduje operační systém. V pravidelných intervalech (typicky zhruba 100× až 1000×
za sekundu) přeruší provádění běžícího programu, vyhodnotí aktuální situaci (které úlohy
žádají o přidělení procesoru, jejich priority atd.) a nechá běžet buď opět úlohu, kterou
přerušil, nebo jinou úlohu, která má zájem o přidělení procesoru. Při přepnutí úlohy
dochází ke změně kontextu. Úloha může v preemptivním multitaskingu dobrovolně požádat
o přepnutí kontextu a vzdát se zbytku svého kvanta (úloha takzvaně „usne“ nebo se
zablokuje provedením pomalé vstupně-výstupní operace, jako je například čtení dat z
pevného disku).
zdroj: www.wikipedia.cz, upraveno
Typy:
 nepreemptivní multitasking (dnes se příliš nepoužívá)
 preemptivní multitasking (všechny moderní OS)
C2115 Praktický úvod do superpočítání -6Změna
kontextu
Kontext
Pod tímto pojmem si můžeme představit stav procesoru (obsah registrů), stav případného
koprocesoru, případně i stav dalších zařízení v momentě kdy dojde ke změně kontextu.
Tento současný stav procesoru se ukládá buď na zásobník procesu, nebo do připravené
oblasti dat v adresním prostoru procesu.
Do kontextu můžeme zahrnout i obsahy různých cache procesoru (např L1 cache nebo
TLB): ty se sice při vlastní změně neukládají ani nenačítají, ale změna kontextu explicitně
nebo implicitně zneplatní jejich obsah a nutnost jejich nového naplnění patří mezi příčiny,
proč je přepnutí kontextu na moderních procesorech tak časově náročné.
Změna kontextu (anglicky context switch) je operace, při níž multitaskingový operační
systém přepíná řízení mezi procesy. Při tom se ukládá a načítá aktuální stavu procesoru.
Tento děj se u moderních procesorů opakuje mnohokrát za sekundu. Změny kontextu jsou
obvykle výpočetně intenzivní.
zdroj: www.wikipedia.cz, upraveno
C2115 Praktický úvod do superpočítání -7Cvičení
LV.1
1. Kolik procesorů obsahuje vaše pracovní stanice? Uveďte jméno stroje, typ CPU a počet
CPU. K řešení použijte příkaz lscpu.
2. Informace získané v předchozí úloze porovnejte a rozšiřte o informace získané ze
souboru /proc/cpuinfo.
3. Jaká je velikost vyrovnávací paměti L1, L2 a L3 CPU ve vaší pracovní stanici?
4. Na jaké frekvenci CPU pracuje?
5. Zkompilujte program load_cpu.f90, který je dostupný v adresáři
/home/kulhanek/Data/C2115/programs
6. Určete dobu běhu programu load_cpu pomocí příkazu:
7. Proč není přímo použit příkaz time? Jaký má význam volba --format?
$ gfortran -O3 load_cpu.f90 -o load_cpu -lblas
$ /usr/bin/time --format=%e ./load_cpu
C2115 Praktický úvod do superpočítání -8Cvičení
LV.2
1. Ke spuštění programu load_cpu použijte následující skript v jazyce bash.
2. Proveďte analýzu funkce skriptu.
3. Změřte dobu běhu skriptu. Naměřený čas srovnejte s teoretickou předpovědí založenou
na době běhu samotného programu load_cpu. Měření proveďte pro
N=1,NCPU,2*NCPU,3*NCPU,4*NCPU,5*NCPU,6*NCPU, kde NCPU je počet CPU
dostupných na vaší pracovní stanici. Běžící procesy monitorujte příkazem top
spuštěným v jiném terminálu.
4. Pozorovaný rozdíl v délkách běhu analyzujte a vysvětlete pozorované rozdíly vůči
teoretické předpovědi.
#!/bin/bash
N=4 # pocet soubezneho spusteni
for((I=1;I<=N;I++)); do
./load_cpu & # spusti aplikaci na pozadi
done
wait # ceka na dokonceni vsech aplikaci na pozadi