Lập trình song song thường được sử dụng thay thế cho các thuật ngữ xử lý song song, tính toán song song và giải pháp tính toán song song. Lập trình song song giống như chạy song song 10 trạm cuốn bánh burrito thay vì tự làm 100 chiếc bánh burrito từ từ. Theo thuật ngữ khoa học máy tính, lập trình song song là quá trình chia một vấn đề thành các tác vụ nhỏ hơn có thể được thực hiện đồng thời – song song – sử dụng nhiều tài nguyên máy tính. Nói cách khác, lập trình song song cho phép lập trình viên chạy các dự án quy mô lớn đòi hỏi tốc độ và độ chính xác
Bạn có thể sử dụng các kỹ thuật xử lý song song trên nhiều thiết bị khác nhau, từ thiết bị di động, máy tính xách tay đến siêu máy tính. Các ngôn ngữ lập trình khác nhau dựa trên các công nghệ khác nhau để kích hoạt song song. Đa xử lý mở [OpenMP] cung cấp API đa nền tảng để phát triển các ứng dụng song song bằng C, C++ và Fortran trên các lõi của một CPU
Mặt khác, các công nghệ như giao diện truyền thông báo [MPI] cho phép các quy trình song song giữa các máy tính hoặc nút khác nhau
Lập trình song song là một khái niệm chung có thể mô tả nhiều loại quy trình chạy đồng thời trên cùng một máy hoặc trên các máy khác nhau. Trước khi đi sâu vào, hãy phân biệt giữa một số mô hình lập trình song song phổ biến
Mô hình bộ nhớ dùng chung
Mô hình truyền thông điệp
Mô hình không gian địa chỉ toàn cầu được phân vùng
Các mô hình này mô tả cách các quy trình tương tác với nhau trong lập trình song song. Hãy xem xét từng vấn đề này, cũng như một số nguyên tắc của lập trình song song, chi tiết hơn bên dưới
Song song hóa dữ liệu đang thực hiện một nhiệm vụ nhất định và phân chia việc thực hiện nó theo công việc cần hoàn thành. Hãy tiếp tục với ví dụ burrito. Giả sử bạn và hai người bạn của bạn cần làm 100 chiếc burritos. Một cách để chia nhỏ số tiền này là tất cả các bạn hãy làm 33 chiếc bánh burrito cùng lúc
Tính song song của tác vụ đang phân chia quá trình thực thi của một tác vụ theo các tác vụ riêng lẻ. Lần này, thay vì chia công việc burrito theo số lượng burritos, một người bạn sẽ làm bánh tortilla, một người khác làm chorizo và một người sẽ lắp ráp
Lập trình đa luồng là một tập hợp con của lập trình song song trong đó nhiều hơn một bộ hướng dẫn tuần tự [“luồng”] thực thi đồng thời. Đa luồng là một khái niệm có thể tồn tại trên một lõi hoặc nhiều quy trình. Nếu các luồng được chạy trên một bộ xử lý, bộ xử lý sẽ nhanh chóng chuyển đổi giữa các luồng. Điều quan trọng cần chỉ ra là trên một lõi đơn, các quy trình chuyển đổi nhanh chóng không phải là đại diện thực sự của lập trình đa luồng, mà là một ví dụ về việc CPU ưu tiên thực hiện các quy trình này. Khi các luồng chạy trên nhiều bộ xử lý, chúng sẽ được thực thi đồng thời
Lập trình đa luồng liên quan đến nhiều luồng được chạy từ nhiều bộ xử lý và cho phép bạn chạy các tác vụ đồng thời trong khi thực thi từ vùng dự trữ bộ nhớ dùng chung hoặc nhóm
Với mô hình bộ nhớ dùng chung, chương trình là tập hợp các tiến trình sử dụng biến chung hoặc dùng chung. Chương trình này phổ biến với dữ liệu liên kết được lưu trữ trong bộ nhớ chính. Tất cả các quy trình truy cập chương trình và dữ liệu chung này. Mỗi quy trình được gán một phần khác nhau của chương trình và dữ liệu, và chương trình chính tạo ra các quy trình riêng biệt cho từng bộ xử lý. Sau khi các tiến trình đã chạy, tất cả chúng đều tham gia lại chương trình chính
Các quy trình chia sẻ một không gian địa chỉ toàn cầu nơi chúng thực hiện các chức năng đọc và ghi không đồng bộ
Trong mô hình chuyển thông báo, các tiến trình song song trao đổi dữ liệu bằng cách chuyển các thông báo cho nhau. Các thông báo này có thể là không đồng bộ hoặc đồng bộ
Các mô hình Không gian địa chỉ toàn cầu được phân vùng [PGAS] nằm ở đâu đó giữa các mô hình truyền thông báo và bộ nhớ dùng chung. PGAS cung cấp không gian địa chỉ bộ nhớ chung được phân vùng hợp lý cho từng quy trình. Các quy trình song song “nói chuyện” bằng cách thực hiện các hoạt động không đồng bộ như chức năng đọc và ghi trên không gian địa chỉ chung
Vì lập trình song song rất tốt cho việc phân tách các tác vụ phức tạp, nên nó thường tỏa sáng nhất khi tận dụng các phép tính phức tạp, tập dữ liệu lớn hoặc mô phỏng lớn
Dưới đây là một số trường hợp sử dụng cho lập trình song song
Đồ họa tiên tiến trong ngành giải trí
vật lý ứng dụng
nghiên cứu khí hậu
Kỹ thuật điện
Mô hình tài chính và kinh tế
mô hình phân tử
Quốc phòng và vũ khí hạt nhân
thăm dò dầu khí
Cơ lượng tử
Bạn có thể sử dụng lập trình song song khi muốn xử lý nhanh một lượng lớn dữ liệu. Thật dễ dàng và có thể giúp bạn hoàn thành các dự án một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mặc dù lập trình song song có thể tạo và tốn nhiều thời gian để thiết lập – xét cho cùng, các lập trình viên cần phát triển các thuật toán và mã song song hiệu quả – quy trình này tiết kiệm thời gian tổng thể. Bằng cách tận dụng sức mạnh xử lý song song, lập trình song song chạy một chương trình cụ thể trên nhiều nút tính toán và lõi CPU cùng một lúc
Xử lý dữ liệu không khó và với sự trợ giúp của lập trình song song, bạn có thể đưa danh sách việc cần làm của mình lên một tầm cao mới
Lợi ích đáng kể nhất của lập trình song song là thực thi mã nhanh hơn, giúp bạn tiết kiệm thời gian chạy và công sức. Thay vì chạy mã tuần tự, bạn sẽ chạy mã song song. Những phần thưởng này đặc biệt rõ ràng trong tính song song dữ liệu quy mô lớn, như trong ví dụ của chúng tôi ở trên. Song song hóa dữ liệu là khi chúng ta có mỗi luồng hoạt động trên cùng một nhóm tác vụ trên một tập hợp con các giá trị. Điều này có nghĩa là mỗi luồng thực hiện cùng một tác vụ trên các tập dữ liệu khác nhau — bản thân dữ liệu đang được song song hóa, không phải bản thân các tác vụ. Ít nhiệm vụ hơn có nghĩa là ít thời gian và công sức hơn, đồng nghĩa với việc dành nhiều thời gian hơn cho các chi tiết và dự án khác
Tuy nhiên, lập trình song song không giới hạn ở tính song song dữ liệu. Chúng ta có thể trải rộng quá trình thực thi mã trên một số tác vụ để thực thi nhanh hơn bằng cách phân phối tác vụ trên các luồng khác nhau và trên các bộ xử lý khác nhau. Bằng cách làm như vậy, chúng tôi cũng đang tăng tài nguyên thiên nhiên cho công việc của chương trình và do đó tăng khả năng của chương trình. Tóm lại, chúng tôi hoàn thành công việc nhanh hơn
Đối với tất cả các ưu điểm của nó, tốc độ có nhược điểm của nó. Trong lập trình song song, mã thực thi không tuần tự. Nếu một thao tác yêu cầu một thứ tự mã cụ thể để xử lý câu lệnh tiếp theo, thì thao tác đó sẽ không thành công nếu bạn áp dụng lập trình song song
Vì mã di chuyển nhanh trong quá trình lập trình song song nên nó cũng có thể tạo ra một số lỗi mới. Hai lỗi lớn cần chú ý là;
Hãy chuyển từ khái niệm thành một cái gì đó cụ thể. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về điện toán song song
Đối với ví dụ này, chúng tôi sẽ sử dụng C# và Xử lý dữ liệu để tạo một vòng lặp tuần tự chung được thực hiện trên một số luồng
Để hiểu lập trình song song trong bối cảnh kinh doanh, hãy tưởng tượng bạn đang cố xử lý một nhóm lớn dữ liệu bảng lương
Để xử lý dữ liệu này, bạn có thể chia nó thành các phần nhỏ hơn và thực hiện nó thông qua các bước song song. Bằng cách chạy các điểm tương đồng này, bạn đang lấy các mục dữ liệu giống như người. tên và mức lương của họ và xử lý chúng trong các chủ đề khác nhau
Xử lý đồng thời các luồng nhỏ khác nhau này nhanh hơn xử lý một luồng dài. Và, như tất cả chúng ta đều biết, bất cứ điều gì liên quan đến bảng lương nhanh hơn là một chiến thắng cho tất cả mọi người
Dễ dàng và hiệu quả, phải không? . Tại Mailgun, các nhóm Kỹ thuật và CNTT của chúng tôi luôn khám phá và chia sẻ các công cụ cũng như cách để tối ưu hóa
Muốn có một đường chuyền vào hậu trường cho bộ não kỹ sư của chúng tôi? . Hoặc, đăng ký nhận bản tin của chúng tôi để bạn không bao giờ bỏ lỡ các mẹo và thủ thuật của chúng tôi
Gửi cho tôi bản tin. Tôi hoàn toàn đồng ý nhận bản tin và biết rằng tôi có thể dễ dàng hủy đăng ký bất cứ lúc nào