Графо-символическое программирование

21.08.2022

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 и позволяет описывать параллельные алгоритмы с помощью графа управления и автоматизированно порождать коды программ.

Концептуальное описание модели

Модель представляется четверкой < D , F , P , G > {displaystyle <D,F,P,G>} , где D {displaystyle D} — множество данных некоторой предметной области, F {displaystyle F} — множество операторов, определенных над данными предметной области, P {displaystyle P} — множество предикатов, действующих над структурами данных предметной области, G = { A , Ψ , Φ , R } {displaystyle G=left{A,{mathit {Psi }},{mathit {Phi }},R ight}} — ориентированный помеченный граф. A = { A 1 , A 2 , . . . , A n } {displaystyle A=left{A_{1},A_{2},...,A_{n} ight}} — множество вершин графа. Каждая вершина A i {displaystyle A_{i}} помечена локальным оператором f i ( D ) ∈ F {displaystyle f_{i}left(D ight)in F} . На графе задано множество дуг управления Ψ = { Ψ 1 i 1 , Ψ 1 i 2 , . . . , Ψ j m } {displaystyle {mathit {Psi }}=left{{mathit {Psi }}_{1i1},{mathit {Psi }}_{1i2},...,{mathit {Psi }}_{jm} ight}} и множество дуг синхронизации Φ = { Φ 1 i 1 , Φ 1 i 2 , . . . , Φ j m } {displaystyle {mathit {Phi }}=left{{mathit {Phi }}_{1i1},{mathit {Phi }}_{1i2},...,{mathit {Phi }}_{jm} ight}} . R {displaystyle R} — отношение над множествами вершин и дуг, определяющее способ их связи. Дуга управления, соединяющая любые две вершины A i {displaystyle A_{i}} и A j {displaystyle A_{j}} , имеет три метки: предикат p i j ( D ) ∈ P {displaystyle p_{ij}(D)in P} , приоритет k ( Φ i j ) ∈ N {displaystyle kleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)in N} и тип дуги T ( Φ i j ) ∈ N {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)in N} . Каждая дуга синхронизации Φ i j {displaystyle {mathit {Phi }}_{ij}} помечена сообщением μ i j ∈ N {displaystyle mu _{ij}in N} .

Тип дуги Ψ i j {displaystyle {mathit {Psi }}_{ij}} определяется как функция T ( Φ i j ) ∈ { 1 , 2 , 3 } {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)in left{1,2,3 ight}} , значения которой имеют следующую семантику:

  • T ( Φ i j ) = 1 {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)=1} — последовательная дуга (описывает передачу управления на последовательных участках вычислительного процесса);
  • T ( Φ i j ) = 2 {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)=2} — параллельная дуга (обозначает порождение нового параллельного вычислительного процесса);
  • T ( Φ i j ) = 3 {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)=3} — терминирующая дуга (завершает параллельный вычислительный процесс).


Функционирование модели начинается с выполнения оператора f 0 ( D ) {displaystyle f_{0}left(D ight)} , помечающего начальную вершину A 0 {displaystyle 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 β {displaystyle {mathit {eta }}} — подграфа графа G {displaystyle G} , начинающегося параллельной дугой (тип этой дуги T ( Φ i j ) = 2 {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)=2} ) и заканчивающегося терминирующей дугой (тип этой дуги T ( Φ i j ) = 3 {displaystyle Tleft({mathit {Phi }}_{ij} ight)=3} ). β = { A β , Ψ β , R β } {displaystyle {mathit {eta }}=left{A_{mathit {eta }},{mathit {Psi }}_{mathit {eta }},R_{mathit {eta }} ight}} , где A β {displaystyle A_{mathit {eta }}} — множество вершин ветви, Ψ β {displaystyle {mathit {Psi }}_{mathit {eta }}} — множество дуг управления ветви, R β {displaystyle R_{mathit {eta }}} — отношение над множествами вершин и дуг ветви, определяющее способ их связи. Дуги, исходящие из вершин параллельной ветви β {displaystyle {mathit {eta }}} , принадлежат также ветви β {displaystyle {mathit {eta }}} . 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.

  • Работа граф-машины начинается с выполнения актора в корневой вершине.
  • 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.
  • После запуска всех параллельных ветвей происходит переход в вершину, в которой они терминируются.
  • 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:

  • 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.
  • В пределах ГСП описание типов данных размещается централизовано в архиве типов данных.
  • Данные, актуальные для формируемого программного приложения, объединяются в единую универсальную структуру — класс TPOData.
  • В базовых модулях в качестве механизма доступа к данным допускается только передача параметров по адресу, ссылающемуся на универсальную структуру данных.
  • Привязка данных объектов ПОП к формальным параметрам базовых модулей реализована в паспортах объектов ПОП.
  • В технологии ГСП не рекомендуется использовать иные способы организации межпрограммных связей по данным.
  • 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, так как 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 её 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.