Параллельное и распределенное программирование на С++

Хьюз Камерон

//.. .

ostream& operator<<(char с);

ostream& operator<<(unsigned char с);

ostream& operator<<(signed char с);

ostream& operator<<(const char *s);

ostream& operator<<(const unsigned char *s);

ostream& operator<<(const signed char *s);

ostream& operator<<(const void *p);

ostream& operator<<(int n);

ostream& operator<<(unsigned int n);

ostream& operator<<(long n);

ostream& operator<<(unsigned long n);

//.. .

С помощью этих определений пользователь классов ostream и istream применяет объекты cout и cin, не

указывал типы передаваемых данных. Этот метод перегрузки можно использовать для упрощения МРI- взаимодействия. Мы рассмотрели идею PVM-потока в главе 6. Здесь мы применяем тот же подход к созданию MPI-потока, используя структуру классов istream и ostream в качестве руководства для разработки класса mpi_stream. Потоковые классы состоят из компонентов состояния, буфера и преобразования. Компонент состояния представлен классом ios; компонент буфера — классами streambuf, stringbuf или filebuf. Компонент преобразования обслуживается классами istream, ostream, istringstream, ostringstream, ifstream и ofstream. Компонент состояния отвечает за инкапсуляцию состояния потока. Класс ios включает формат потока, информацию о состоянии (работоспособное или состояние отказа), факт достижения конца файла (eof). Компонент буфера используется для хранения считываемых или записываемых данных. Классы преобразования предназначены для перевода данных встроенных типов в потоки байтов и обратно. UML-диаграмма семейства классов iostream показана на рис. 9.3.

Рис. 9.3. UML-диаграмма семейства классов iostream

Перегрузка операторов «<<» и «>>» для организации взаимодействия между MPI-задачами

Взаимоотношения и функциональность классов, показанных на рис. 9.3, можно использовать как своего рода образец для проектирования класса mpi_streams. И хотя проектирование потоковых MPI-классов требует больше предварительной работы по сравнению с непосредственны м использование м функций MPI_Recv HMPI_Send , в целом оно делает MPI-разработку значительно проще. А если программы с параллельной обработкой можно упростить, это нужно сделать обязательно. Уменьшение сложности программ — весьма достойнал цель для программиста. Здесь мы представляем лишь каркас класса mpi_stream. Но этого вполне достаточно для получения понятия о конструкции потокового MPI-класса. После разработки класса mpi_stream можно приступать к упрощению организации взаимодействия между MPI-задачами в большинстве MPI-программ. Листинг 9.6 содержит фрагмент из объявления класса mpi_stream.

// Листинг 9.6. Фрагмент объявления

// класса mpi_stream

class mpios{ protected:

int Rank;

int Tag;

MPI_Comm Comm;

MPI_Status Status;

int BufferCount;

//.- . public:

int tag(void);

//...

}

class mpi_stream public mpios{ protected:

mpi_buffer Buffer;

//.. .

public: //.. .

mpi_stream(void) ;

mpi_stream(int R,int T,MPI_Comm С);

void rank(int R);

void tag(int T);

void comm(MPI_Comm С);

mpi_stream &operator<<(int X);

mpi_stream &operator<<(float X);

mpi_stream &operator<<(string X);

mpi_stream &operator<<(vector<long> &X);

mpi_stream &operator<<(vector<int> &X),

mpi_stream &operator<<(vector<float> &X);

mpi_stream &operator<<(vector<string> &X);

mpi_stream &operator>>(int &X);

mpi_stream &operator>>(float &X);

mpi_stream &operator>>(string &X);

mpi_stream &operator>>(vector<long> &X);

mpi_stream &operator>>(vector<int> &X);

mpi_stream &operator>>(vector<float> &X);

mpi_stream &operator>>(vector<string> &X);

//. . .

};

Для

того чтобы сократить описание, мы объединили классы impi _stream и ompi _stream в единый класс mpi _stream. И точно так же, как классы istream и ostream перегружают операторы "<<" и ">>", мы обеспечим их перегрузку в классе mpi_stream. В листинге 9.7 показано, как можно определить эти перегруженные операторы:

// Листинг 9.7. Определение операторов и **»*

//. . .

mpi_stream &operator<<(string X) {

MPI_Send(const_cast<char*>(X.data),X.size,

MPI__CHAR, Rank, Tag, Comm) ; return(*this);

}

// Упрощенное управление буфером, mpi_stream &operator<<(vector<long> &X) {

long *Buffer;

Buffer = new long[X.size]; copy(X.begin,X.end,Buffer);

MPI_Send(Buffer,X.size,MPI_LONG,Rank,Tag,Comm); delete Buffer; return(*this);

}

// Упрощенное управление буфером, mpi_stream &operator>>(string &X) {

char Buffer[10000];

MPI_Recv(Buffer,10000,MPI_CHAR,Rank,Tag,Comm, &Status); MPI_Get_count(&Status,MPI_CHAR,&BufferCount); X.append(Buffer); return(*this);

}

Назначение класса mpios в листинге 9.7 такое же, как у класса ios в семействе классов iostream, а именно: поддерживать состояние класса mpi_stream. Все типы данных, которые должны использоваться в ваших MPI-приложениях, должны иметь операторы "<<" и ">>", перегруженные с учетом каждого типа данных. Здесь мы продемонстрируем несколько простых перегруженных операторов. В каждом случае мы представляем упро щ енный вариант управления буфером. На практике необходимо прелусмотреть обработку исключений (на базе шаблонных классов) и распределение памяти (на базе классов-распределителей ресурсов). В листинге 9.7 обратите внимание на то, что класс mpios содержит коммуникатор, статус класса mpi_stream, номер буфера и значение ранга или тега (это — лишь одна из возможных конфигураций класса mpi_stream— существует множество других). После того как класс mpi_stream определен, его можно использовать в любой MPI-программе. Взаимодействие между MPI-задачами может быть организовано следую щ им образом.

//. . .

int X; float Y;

vector<float> Z;

mpi_s tream S tream (Rank, Tag, MPI_WORLD_COMM) ;

Stream « X << Z; Stream << Y;

//...

Stream >> Z;

Такой подход позволяет программисту, поддерживал потоковое пре д ставление, упростить МРТко д. Безусловно, в опре д еление операторов "<<" и ">>" необходимо включить соответствующую проверку ошибок и обработку исключительных ситуаций.