Графо-символическое программирование

Технология графосимволического программирования - это 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, позволяющая 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, т.к. 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 ее 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

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставить интервики в рамках проекта Интервики.