Параллельное и распределенное программирование на С++

«Классная доска» может быть разделена на несколько отдельных частей, позволяющих параллельный доступ со стороны нескольких источников знаний. «Классная доска» легко поддерживает такие архитектурные варианты, как CREW (concurrent read, exclusive write — параллельное чтение и монопольнал запись), EREW (exclusive read, exclusive write — монопольное чтение и монопольная запись) и MIMD (multiple-instruction, multiple-data — множество потоков данных и множество потоков команд). Мы реализуем «классную доску» как глобальный объект или коллекцию объектов, а источники знаний — как отдельные потоки. Поскольку потоки разделяют одно и то же адресное пространство, к «классной доске», реализованной как глобальный объект или семейство объектов, будут получать доступ все потоковые источники знаний. Если источники знаний реализовать как отдельные процессы, выполняющиеся на одном или нескольких компьютерах, то «классную доску» имеет смысл реализовать как CORBA-объект или как коллекцию CORBA-объектов. Вспомните, что CORBA-объекты можно использовать для поддержки как параллельной, так и распределенной модели вычислений. Здесь мы используем технологию CORBA для поддержки «классной доски» как разновидность распределенной памяти, совместно используемой задачами, выполняющимися в различных адресных пространствах. Эти задачи могут быть PVM-типа (Рагаllеl Virtual Machine — параллельная виртуальная машина), задачами, порождаемыми традиционными fork-exec-вызовами функций, или задачами, порождаемыми библиотечными функциями posix_spawn . Две конфигурации памяти для реализации технологии «классной доски» показаны на рис. 13.1.

В обоих случаях (см. рис. 13.1) все источники знаний имеют доступ к «классной доске». Источники знаний, размещенные в различных адресных пространствах, должны иметь сетевую связь с «классной доской», реализованной как один или несколько CORBA-объектов. Если источники зна н ий реализова н ы как PVM-задачи. то их связь с «классной доской» можно построить на основе передачи сооб щ ений. Такая конфигурация обеспечивает чрезвычайно гибкую модель решения задач.

Рис.13.1. Две конфигурации памяти для реализации технологии «классной доски» (ИЗ — источник знаний)

Методы структурирования «классной доски»

Методов структурирования «классной доски» не существует. Однако большинство реализаций этой технологии имеют определенные характеристики и атрибуты. Исходное содержимое «классной доски» обычно включает часть пространства решения задачи. Пространство решений должно содержать все частные и полное решения задачи. Например, предположим, что у нас есть механизм поиска изображений автомобилей в Internet. Этот механизм поиска может обрабатывать растровое или векторное изображение, чтобы определить, содержит ли оно изображение автомобиля, и если содержит, то отвечает ли оно параметрам поиска. Допустим, этот механизм поиска разработан с использованием модели «классной доски». Каждый источник знаний имеет свою специфику: один — специалист в области идентификации изображений покрышек, другой — идентифицирует зеркала задней обзорности, третий — эксперт по дверным ручкам для автомобилей и т.д. Каждая деталь автомобиля представляет малую часть пространства решений. Одни части пространства решений содержат полное изображение автомобиля с различных точек зрения (т.е. сверху, снизу, под углом 45° и т.д.), а другие — только отдельные детали автомобилей, например, фронтальную и заднюю части, крышу или багажник. На «классной доске» размещается растровое или векторное изображение, и отдельные источники знаний пытаются идентифицировать детали изображения, которые могут быть частями автомобиля. Если некоторая часть пространства решений совпадает с какой-нибудь частью изображения, эта часть изображения будет записана в другую часть «классной доски» как частное решение. Один источник знаний может поместить на «классную доску» дверную ручку идентифицируемого автомобиля, другой — дверцу. Если эти две части информации оказались на «классной доске», то какой-нибудь третий источник знаний может использовать эту информацию как вспомогательную при идентификации передней части автомобиля в исследуемом изображении. После того как будет идентифицирована передняя часть, она также размещается на «классной доске». Каждый из этих различных способов идентификации изображения автомобиля представляет часть пространства решений.

Пространство решений иногда организуется иерархически. В нашем примере с автомобилем на вершине иерархии могут находиться полные изображения автомобиля, следующий уровень может состоять из различных видов передних и задних частей, еще один уровень может содержать двери, багажники, капоты, ветровые стекла и колеса. Каждый уровень описывает в этом случае меньшее, возможно, менее характерное изображение некоторой части автомобиля. Источники знаний могут работать одновременно на нескольких уровнях иерархии. Пространство решений также можно организовать в виде графа, в котором каждый узел представляет некоторую часть решения, а каждое ребро — отношения между двумя частными решениями. Пространство решений может быть представлено в виде одной или нескольких матриц, а каждый элемент матрицы будет содержать в этом случае полное или частное решение. Представление пространства решений— это важный компонент архитектуры «классной доски». Именно характер задачи часто определяет, как должно быть распределено пространство решений. Помимо компонента пространства решений, «классная доска» обычно имеет один или несколько компонентов (эвристических) правил. Компонент правил используется для определения того, какие источники знаний стоит использовать и какие решения принимать или отвергать. Компонент правил можно также применить для перевода частных решений с одного уровня иерархии пространства решений на другой. Компонент правил позволяет назначать приоритеты источникам знаний. Некоторые источники знаний могут «зайти в тупик». «Классная доска» может «снять отметку» с одной группы источников знаний в пользу другой, а также использовать компонент правил, чтобы предложить источникам знаний более потенциально подходящие гипотезы на основе уже сгенерированных частных гипотез. Помимо пространства решений и компонента правил, «классная доска» часто содержит начальные значения, значения ограничений и вспомогательные цели. В некоторых случаях «классная доска» может содержать одну или несколько очередей событий, используемых для приема входных данных либо из пространства задачи, либо от источников знаний. Логическая схема базовой архитектуры «классной доски» показана на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Логическая схема базовой архитектуры «классной доски»

«Классная доска» (см. рис. 13.2) имеет ряд сегментов, а каждый сегмент — различные реализации. Это говорит о том, что «классная доска» — это нечто большее, чем просто область глобальной памяти или традиционные базы данных. Хотя на рис. 13.2 показаны только основные компоненты, которые имеют многие «классные доски», этот вид архитектуры не ограничивается таким составом. К числу дополнительных компонентов потенциально можно отнести модели контекстов задачи и модели предметной области, которые могут оказаться полезными для решателей задач при навигации по пространству решений. С++-поддержка объектно-ориентированного проектирования и программирования прекрасно сочетается с требованиями гибкости, которые обычно предъявляются к модели «классной доски». Большинство архитектур «классной доски» может быть смоделировано с использованием С++-классов. Вспомните, что классы можно использовать для моделирования человека, местности, предмета или идеи, а»классные доски» используются для решения задач, в которых часто участвуют люди, местности, предметы или идеи. Поэтому весьма уместно применять С++-классы для моделирования объектов, которые содержит «классная доска». В своих реализациях модели «классной доски» мы используем преимущества контейнерных С++-классов и стандартных алгоритмов. Помимо встроенных классов, мы создаем интерфейсные классы для мьютексов и других переменных синхронизации, используемых в реализации «классной доски». Поскольку к «классной доске» могут получить доступ сразу несколько источников знаний одновре м енно, это означает, что она является критически м раздело м, доступ к которо м у нуждается в синхронизации. Поэто м у в м есте с дру г и м и ко м понента м и «классной доски» м ы буде м испо л ьзовать здесь и объекты синхронизации.

Анатомия источника знаний

Источники знаний представляются как объекты, процедуры, множества правил, логические утверждения, а в некоторых случалх и целые программы. Источники знаний включают часть условий и часть действий. Если «классная доска» содержит информацию, которая удовлетворяет части условий некоторого источника знаний, то его часть действий активизируется. Инглемор (Englemore) и Морган (Morgan) в своей работе [14] четко описывают обязанности источника знаний.

Каждый источник знаний отвечает за знание условий, при которых он может внести свой вклад в решение. Каждый источник знаний имеет предусловия, т.е. условия, которые должны быть записаны на «классной доске» и существовать до того, как будет активизировано тело источника знаний. Источник знаний можно рассматривать как большое правило. Главное, чем отличается правило от источника знаний, состоит в степени детализации знаний. Часть условий этого большого правила называется предусловием источника знаний, а часть действий — его телом.

Здесь Инглемор и Морган не определяют ни единой детали части условий или части действий источника знаний. Они представляют собой логические конструкции. Часть условий может иметь форму простого значения булевого флага на «классной доске» или сложной последовательности событий, поступающих в очередь событий в пределах определенного периода времени. Аналогично часть действий источника знаний может быть выражена простой инструкцией, выполняющей операцию присваивания переменной некоторого выражения, или механизмом прямого построения цепочки в экспертной системе. Это описание широты диапазона еще раз подчеркивает гибкость модели «классной доски». Для наших целей вполне достаточно конструкции С++-класса и понятия объекта. Каждый источник знаний должен быть объектом. Часть действий источника знаний должна быть реализована в виде методов объекта, а часть условий — в виде его членов данных. Если объект находится в определенном состоянии, то его часть действий должна быть активизирована. Проще говоря, мы реализуем источники знаний в виде потоков или процессов. Следовательно, для каждого потока и для каждого процесса должен существовать только один источник знаний. Применяя к «классной доске» PVM-механизм, источник знаний будет эквивалентом PVM-задачи. Логическая схема источника знаний показана на рис. 13.3.

Часть «Условия» каждого источника знаний обновляется «из закромов» «классной доски», а часть «Действия» источников знаний обновляет ее содержимое. Обратите внимание на то (см. рис. 13.3), что между пространством процесса и источником знаний (или между пространством потока и источником знаний) существует взаимно однозначное отношение. Важным атрибутом источника знаний является его автономность. Каждый источник знаний является специалистом в своей области и почти не зависит от других решателей задач. Это составляет одно из требуемых качеств для параллельной программы. В идеале задачи в параллельной программе могут выполняться одновременно, почти не нуждаясь во взаимодействии с другими задачами. Такое поведение в точности описывает схему модели «классной доски». Источники знаний действуют независимо, и любое взаимодействие осуществляется посредством «классной доски». Поэтому источник знаний (с его точки зрения) действует в одиночку, получал дополнительную информацию от «классной доски» и записывал на «классную доску» свои изыскания. О деятельности других источников знаний и их стратегиях поведения ему ничего не известно. В модели «классной доски» задача делится на ряд автономных или полуавтономных решателей задач. В этом и состоит преимущество модели «классной доски» перед другими моделями. В самой гибкой конфигурации источники знаний должны быть интеллектуальными агентами. Агент должен быть совершенно самодостаточным и способным действовать самостоятельно при минимальной потребности к взаимодействию с «классной доской». Именно интеллектуальный агент представляет самую грандиозную перспективу для реализации крупномасштабного параллелизма.

Рис. 13.3. Логическая схема источника знаний

Стратегии управления для «классной доски»

В реализации модели «классной доски» прелусмотрено несколько уровней управления, обеспечивающих возможность параллельного функционирования источников знаний. На самом нижнем уровне их схемы синхронизации должны защищать целостность «классной доски». «Классная доска» является критическим разделом, поскольку она представляет собой совместно используемый модифицируемый ресурс. В параллельной среде доступ со стороны источников знаний для чтения и записи должен быть скоординирован и синхронизирован. Координация и синхронизация может включать блокировку файлов, семафоры, мьютексы и т.д. Этот уровень управления не включается непосредственно в решение, над которым работают источники знаний. Его можно назвать вспомогательным уровнем управления, и он не должен зависеть от специфики задачи, решаемой с помощью «классной доски». В нашем архитектурном подходе этот уровень управления реализуется интерфейсными классами (например, классами мьютекса и семафора, использованными в главе 11). Вспомните, что действия, инкапсулированные в этих классах, не зависят от приложения, в котором они используются. Для параллельных реализаций «классной доски» на этом уровне выбирается один (или больше) из четырех типов параллельного доступа, которыми должны обладать алгоритмы или эвристические правила источников знаний для физической реализации «классной доски». Другими словами, пользователи «классной доски» могут использовать EREW-, CREW-, ERCW- или CRCW-доступ. Именно характер доступа определяет, как будут использованы примитивы синхронизации. Описание упомянутых здесь типов доступа приведено в табл. 13.1.

Таблица 13.1. Четыре типа параллельного доступа, используемых в модели «классной доски»

EREW Exclusive Read Exclusive Write (монопольное чтение и монопольная запись)

CREW Concurrent Read Exclusive Write (параллельное чтение и монопольная запись)

ERCW Exclusive Read Concurrent Write (монопольное чтение и параллельная запись)

CRCW Concurrent Read Concurrent Write (параллельное чтение и параллельная запись)