zu diesem Thema und Infos zum Lehrstuhl

Programmierung
Lehrstuhl für
Programmierung
Einleitung
Am Lehrstuhl für Programmierung befassen wir uns
mit Modellen und Techniken zur automatischen Verbesserung
– und sogar Herstellung – von Programmen.
Damit nehmen Sie den Programmierern ja ihre Arbeit
weg!
In gewissem Sinne schon. Aber seien Sie beruhigt.
Es bleibt noch genug Arbeit für die Programmierer
übrig. Mit unseren Techniken werden sie jedoch verlässlichere
und leistungsfähigere Programme schneller
erstellen können.
Können Sie mir ein Beispiel geben?
Schleifenparallelisierung
Gern. Viele Programme verbringen in ihren Abläufen
die meiste Zeit in Sätzen von verschachtelten Schleifen.
Nehmen Sie als Beispiel das Produkt C zweier
for i from 0 to n–1
quadratischer Matrizen A und B mit Ausdehnung n.
for j from 0 to n–1
for k from 0 to n–1
C[i,j] = C[i,j] + A[i,k]*B[k,j]
Prof. Christian Lengauer, Ph.D
Sekretariat:
Eva Reichhart
Wiss. Mitarbeiter:
Dr.-Ing. Sven Apel
Armin Größlinger
Michael Claßen
Ehem. Wiss. MitarbeiterInnen:
(Auswahl)
Dr. Nils Ellmenreich
Dr. Peter Faber
Prof. Dr. Sergei Gorlatch
PD Dr. Martin Griebl
Prof. Dr. Ulrike Lechner
Es wird durch den folgenden Schleifensatz berechnet:
for i from 0 to n–1
for j from 0 to n–1
for k from 0 to n–1
C[i,j] = C[i,j] + A[i,k]*B[k,j]
In wissenschaftlichen Anwendungen sind heutzutage
die Datensätze so groß, dass eine sequenzielle
Ausführung von einem Schleifenschritt nach dem
anderen oft zu lange dauert. Immerhin werden n 3
Schritte benötigt.
Ist es nicht am einfachsten, einen Rechner mit einem
schnelleren Prozessor zu kaufen? Die gibt es doch
alle paar Jahre.
Das wird in der Zukunft immer weniger möglich
sein. Wir sind mittlerweile bei Forderungen nach Re-
chengeschwindigkeiten angelangt, die ein einzelner
Prozessor nicht mehr erreichen kann.
Ah, darum enthalten die neuen Rechner seit kurzem
wohl zwei oder vier Prozessoren...
Das ist einer der Gründe. Wir müssen das Programm
also so umschreiben, dass es sich auf mehrere Prozessoren
bezieht.
Na, dann machen wir doch einfach einige Schleifenschritte
parallel!
Ja, aber welche? Es gibt viele Möglichkeiten. Wir
wollen, dass unsere Berechnung so schnell wie möglich
ist, und haben unter dieser Voraussetzung vielleicht
noch andere Wünsche, etwa eine minimale
Anzahl von Prozessoren zu benutzen oder einen
maximalen Durchsatz zu erreichen (wenn wir viele
Matrixprodukte hintereinander berechnen wollen).
Da müssen wir wohl scharf hinsehen, um die beste
Lösung für unsere Wünsche zu fi nden, und beim
Umkodieren höllisch aufpassen, dass sich kein Fehler
einschleicht und dass uns das parallele Programm
dasselbe Ergebnis liefert wie das sequenzielle.
Nein, das müssen wir nicht. Wir brauchen das sequenzielle
Programm nur einem Programm, einem
sogenannten Schleifenparallelisierer, zu übergeben
und ihm mitzuteilen, an welchen Optimierungen uns
am meisten gelegen ist. Er generiert uns das beste
parallele Programm dazu und garantiert, dass es
dem sequenziellen Programm entspricht.
Das ist ja ein Ding! Wie geht denn das?
Wir arbeiten mit einem mathematischen Modell. Im
Fall des Matrixproduktes ist es ein Kubus, der an je-
Schleifenschritte mit Abhängigkeiten
dem Punkt einen Schleifenschritt enthält. Pfeile zwischen
den Punkten deuten an, welche Schritte vor
welchen ausgeführt werden müssen. Dann schneiden
wir den Kubus in Richtung der Pfeile in Scheiben.
Alle Punkte auf einer Scheibe können parallel
in einem Schritt ausgeführt werden.
Und das geht automatisch?
Ja. Wenn die Schleifensätze nicht gar zu wild programmiert
sind, kann eine Analyse die Pfeile automatisch
fi nden, und eine Optimierung den besten
Schnitt. Der gibt uns in diesem Fall 2n+1 anstatt n 3
Schritte, also einen proportionalen statt kubischen
Zeitaufwand.
Nun gut. Jetzt wissen wir für jeden Schleifenschritt,
zu welcher Zeit er ausgeführt werden muss. Aber
wie sieht es mit dem Prozessor aus, der ihn ausführen
soll?
Da haben wir wieder die Wahl. Diesmal liegt es an
unseren weiteren Wünschen, wie wir uns entscheiden.
Wenn wir Prozessoren sparen wollen, müssen
wir die Schleifenschritte (d. h. Punkte) in den verschiedenen
Scheiben so auffädeln, dass es möglichst
j
k
i
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wenige „Fäden“ gibt; jeder Faden entspricht der Tätigkeit
eines Prozessors. Wenn wir den Durchsatz
maximieren wollen, brauchen wir mehr Prozessoren,
also mehr Fäden. Da die Punkte auf jedem
Faden aber weiter voneinander entfernt sind, kann
der Prozessor versetzt zwei weitere Matrixprodukte
berechnen, ohne dass wir bei der Berechnung jedes
einzelnen Matrixprodukts Zeit verlieren.
Sehr beeindruckend. Aber die Welt besteht nicht nur
aus Matrixprodukten.
Dies ist ja nur ein einfaches Beispiel für die Anwendung
des sogenannten Polyedermodells. Wir können
auch wesentlich kompliziertere Schleifenprogramme
automatisch parallelisieren. Ebenso kann
man das Modell dazu benutzen, auf einfache Weise
die Granularität der Parallelität zu vergröbern, d. h.
die Anzahl der von den Raumschleifen aufgezählten
Prozessoren der der tatsächlich vorhandenen Prozessoren
anzugleichen.
Dieses Modell scheint ja gerade zur rechten Zeit für
die neuen Mehrprozessorrechner zu kommen. Derartige
Methoden könnten die Entwickler von Software
für solche Rechner sehr entlasten.
Genauso sehen wir es auch.
Zeitaufteilung
Raumaufteilung
(niedrige Prozessorenzahl)
Raumaufteilung
(hoher Durchsatz)
Feature-Orientierte
Software-Entwicklung
Es gibt aber noch andere Stellen, an denen wir
glauben, den Programmierer mit automatischen
Techniken unterstützen zu können. Betrachten wir
einmal nicht wissenschaftliche, sondern Anwendungssoftware.
Jeder, der schon mal an einem
Computer gearbeitet hat, hat Anwendungssoftware
verwendet. Beispiele sind Software zum Schreiben
und Gestalten von Textdokumenten oder Webbrowser
und Email-Programme.
Ja, solche Programme habe ich schon benutzt. Aber
wo liegt das Problem?
Das Problem ist, dass Anwendungssoftwaresysteme
heutzutage über eine riesige Menge an Funktionalität
verfügen, die nur selten von einem Anwender
auch verwendet werden kann. Ich wette mit Ihnen,
dass die meisten Nutzer nicht mehr als 10 % der
Funktionalität von Word ausnutzen.
Und wenn schon... Wenn die Software mehr kann,
als ich brauche, umso besser!
Das Problem ist einerseits, dass Sie natürlich den
kompletten Funktionsumfang bezahlen müssen.
Andererseits wird die Software unnötig komplex,
langsam und fehleranfällig. Oftmals ist es für Entwickler
wie Anwender schwer, das Softwaresystem
überhaupt noch zu überblicken, geschweige denn im
Detail zu verstehen.
Firmen sollten also Anwendungssoftware ausliefern,
die genau das kann, was der individuelle
Kunde wünscht, und ihm auch nur das in Rechnung
stellen?
Genau. In diesem Zusammenhang sprechen wir
auch von Features. Ein Feature ist ein Verhalten bzw.
ein Stück Funktionalität, das sich der Anwender von
einem Softwaresystem erhofft. Features in Textverarbeitungssoftware
sind z. B. die Rechtschreibprüfung,
die Möglichkeit zu drucken oder die Unterstützung
verschiedener Sprachen.
Und wie helfen Features nun, Anwendungssoftware
besser zu bauen?
Die Idee ist, dass die einzelnen Bestandteile, aus denen
ein Softwaresystem besteht, den einzelnen Features
des Softwaresystems zugeordnet werden. Wenn man
so will, beantwortet man die Frage, welches Feature
durch welche Teile des Softwaresystems umgesetzt
wird. Oftmals ist diese Antwort aber recht kompliziert.
Würde man die Teile eines Softwaresystems
einfärben, die zu den jeweiligen Features gehören,
so wären die farblichen Fragmente weit verstreut und
stark miteinander vermischt.
Feature-Zugehörigkeiten in
einem Codestück
Also wenn man eine Zuordnung hat, kann man die
Teile eines Softwaresystems weglassen, die von mir
nicht bezahlt werden?
Korrekt. Neben der Maßschneiderung von Softwaresystemen
durch Features hat man aber noch
weitere Vorteile. Der Anwender kann leichter einen
Überblick über seine Anwendungssoftware bekommen.
Und der Entwickler kann, wenn ein Fehler auftritt,
feststellen, welche Features betroffen sind, und
so die Fehlerquelle eingrenzen. Dazu sind natürlich
Methoden und Werkzeuge nötig, die unter anderem
auch an unserem Lehrstuhl entwickelt werden.
Okay, aber wo bleiben denn da die automatischen
Techniken?
Wir arbeiten auch an einem Werkzeug, das bei Angabe
einer Sequenz von Features automatisch ein
Softwaresystem erstellt, das die entsprechenden
Funktionalitäten hat, und das obendrein gerade
für diese Kombination von Funktionalitäten optimiert
ist. Bei Weiterentwicklung dieser Technologie
könnte sich ein Kunde seine Anwendungssoftware
so zusammenstellen wie heute etwa einen Neuwagen
– und sie wird dann auch ebenso automatisch
zusammengesetzt. Eine Konsequenz wäre, dass das
Produkt dann auch mit ähnlichen Garantien ausgeliefert
werden kann.
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