Уровень алгоритма

Встречная прогонка, блочный вариант: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[выверенная версия][досмотренная версия]
 
Строка 147: Строка 147:
 
В зависимости от нужд вычислений, возможны как разные способы хранения матрицы СЛАУ (в виде одного массива с 3 блочными строками или в виде 3 разных массивов), так и разные способы хранения вычисляемых коэффициентов (на месте использованных уже элементов матрицы либо отдельно).
 
В зависимости от нужд вычислений, возможны как разные способы хранения матрицы СЛАУ (в виде одного массива с 3 блочными строками или в виде 3 разных массивов), так и разные способы хранения вычисляемых коэффициентов (на месте использованных уже элементов матрицы либо отдельно).
  
 
 
==== Локальность реализации алгоритма ====
 
===== Структура обращений в память и качественная оценка локальности =====
 
 
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
 
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
  
 
Встречная прогонка задумана изначально для случая, когда нужно найти только какую-то близкую к "середине" блочную компоненту вектора решения, а остальные были не нужны (решение т.н. "частичной задачи"). При появлении параллельных компьютерных устройств оказалось, что у встречной блочной прогонки есть небольшой дополнительный ресурс параллелизма. Однако для получения массового параллелизма встречная блочная прогонка должна быть распараллелена на уровне блочных операций.
 
Встречная прогонка задумана изначально для случая, когда нужно найти только какую-то близкую к "середине" блочную компоненту вектора решения, а остальные были не нужны (решение т.н. "частичной задачи"). При появлении параллельных компьютерных устройств оказалось, что у встречной блочной прогонки есть небольшой дополнительный ресурс параллелизма. Однако для получения массового параллелизма встречная блочная прогонка должна быть распараллелена на уровне блочных операций.
  
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации ===
+
=== Результаты прогонов ===
 
 
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ===
 
 
 
 
=== Выводы для классов архитектур ===
 
=== Выводы для классов архитектур ===
 
=== Существующие реализации алгоритма ===
 
  
 
== Литература ==
 
== Литература ==

Текущая версия на 09:45, 18 июля 2022


Встречная прогонка блочно-трёхдиагональной матрицы
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]8n-2[/math] макроопераций
Объём входных данных [math]4n-2[/math] блоков
Объём выходных данных [math]n[/math] блоков
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы [math]2.5n-1[/math] макроопераций
Ширина ярусно-параллельной формы [math]4[/math] макроопераций


Основные авторы описания: А.В.Фролов.

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Встречная блочная прогонка - один из вариантов метода исключения неизвестных в приложении к решению СЛАУ[1][2] вида [math]Ax = b[/math], где

[math] A = \begin{bmatrix} A_{11} & A_{12} & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ A_{21} & A_{22} & A_{23}& \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & A_{32} & A_{33} & \cdots & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & A_{n-1 n-2} & A_{n-1 n-1} & A_{n-1 n} \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & A_{n n-1} & A_{n n} \\ \end{bmatrix}, x = \begin{bmatrix} X_{1} \\ X_{2} \\ \vdots \\ X_{n} \\ \end{bmatrix}, b = \begin{bmatrix} B_{1} \\ B_{2} \\ \vdots \\ B_{n} \\ \end{bmatrix} [/math]

Часто, однако, при изложении сути метода блочной прогонки[3] блоки правой части и матрицы системы обозначают и нумеруют по-другому, например СЛАУ может иметь вид ([math]N=n+1[/math])

[math] A = \begin{bmatrix} C_{0} & -B_{0} & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ -A_{1} & C_{1} & -B_{1} & \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & -A_{2} & C_{2} & \cdots & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & -A_{N-1} & C_{N-1} & -B_{N-1} \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & -A_{N} & C_{N} \\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} Y_{0} \\ Y_{1} \\ \vdots \\ Y_{N} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} F_{0} \\ F_{1} \\ \vdots \\ F_{N} \\ \end{bmatrix} [/math]

Блочная встречная прогонка, как и монотонная, заключается в исключении из уравнений неизвестных, однако, в отличие от монотонной, в ней исключение ведут одновременно с обоих "краёв" СЛАУ (верхнего и нижнего). В принципе, её можно считать самым простейшим вариантом метода редукции (при m=1 и встречных направлениях монотонных блочных прогонок).

Рисунок 1. Граф алгоритма встречной прогонки при n=14 без отображения входных и выходных данных. / - операция [math]X^{-1}Y[/math], f - операция [math]A+BC[/math] или [math]A-BC[/math].

1.2 Математическое описание алгоритма

[math]m[/math] здесь - номер уравнения, на котором "встречаются" две ветви прямого хода - "сверху" и "снизу".

В приведённых обозначениях во встречной прогонке сначала выполняют её прямой ход - вычисляют коэффициенты

"сверху":

[math]\boldsymbol{\alpha}_{1} = C_{0}^{-1} B_{0}[/math],

[math]\boldsymbol{\beta}_{1} = C_{0}^{-1} F_{0}[/math],

[math]\boldsymbol{\alpha}_{i+1} = (C_{i}-A_{i}\boldsymbol{\alpha}_{i})^{-1} B_{i}[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , m-1[/math],

[math]\boldsymbol{\beta}_{i+1} = (C_{i}-A_{i}\boldsymbol{\alpha}_{i})^{-1}(F_{i}+A_{i}\boldsymbol{\beta}_{i})[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , m-1[/math],

и "снизу":

[math]\boldsymbol{\xi}_{N} = C_{N}^{-1} A_{N}[/math],

[math]\boldsymbol{\eta}_{1} = C_{N}^{-1} F_{N}[/math],

[math]\boldsymbol{\xi}_{i} = (C_{i}-B_{i}\boldsymbol{\xi}_{i+1})^{-1} A_{i}[/math], [math]\quad i = N-1, N-2, \cdots , m[/math],

[math]\boldsymbol{\eta}_{i} = (C_{i}-B_{i}\boldsymbol{\xi}_{i+1})^{-1}(F_{i}+B_{i}\boldsymbol{\eta}_{i+1})[/math], [math]\quad i = N-1, N-2, \cdots , m[/math],

после чего вычисляют решение с помощью обратного хода

[math]Y_{m} = (E-\boldsymbol{\xi}_{m}\boldsymbol{\alpha}_{m})^{-1}(\boldsymbol{\eta}_{m}+\boldsymbol{\xi}_{m}\boldsymbol{\beta}_{m})[/math],

[math]Y_{m-1} = (E-\boldsymbol{\alpha}_{m}\boldsymbol{\xi}_{m})^{-1}(\boldsymbol{\beta}_{m}+\boldsymbol{\alpha}_{m}\boldsymbol{\eta}_{m})[/math],

[math]Y_{i} = \boldsymbol{\alpha}_{i+1} Y_{i+1} + \boldsymbol{\beta}_{i+1}[/math], [math]\quad i = m-1, m-2, \cdots , 1, 0[/math],

[math]Y_{i+1} = \boldsymbol{\xi}_{i+1} Y_{i} + \boldsymbol{\eta}_{i+1}[/math], [math]\quad i = m, m+1, \cdots , N-1[/math].

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро алгоритма можно, как и в случае блочной монотонной прогонки, представить состоящим из двух частей - прямого и обратного хода; однако их ширина вдвое больше, чем в монотонном случае. В прямом ходе ядро составляют две независимые последовательности умножения обратной к одной матрице на другую, умножения и сложения/вычитания матриц и векторов. В обратном ходе в ядре остаются только две независимые последовательности умножений и сложений матриц и векторов.

1.4 Макроструктура алгоритма

В дополнение к возможности представления макроструктуры алгоритма как совокупности прямого и обратного хода, прямой ход также может быть разложен на две макроединицы - прямой ход правой и левой прогонок, выполняемых "одновременно", т.е., параллельно друг другу, для разных половин СЛАУ. Обратный ход также может быть разложен на две макроединицы - обратный ход правой и левой прогонок, выполняемых "одновременно", т.е., параллельно друг другу, для разных половин СЛАУ. В этом блочная версия встречной прогонки аналогична точечной, с тем различием, что здесь основные операции более "тяжёлые", так как выполняются не над числами, а над блоками.

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

Последовательность исполнения метода следующая:

1. Инициализируется прямой ход прогонки:

[math]\boldsymbol{\alpha}_{1} = C_{0}^{-1} B_{0}[/math],

[math]\boldsymbol{\beta}_{1} = C_{0}^{-1} F_{0}[/math],

[math]\boldsymbol{\xi}_{N} = C_{N}^{-1} A_{N}[/math],

[math]\boldsymbol{\eta}_{1} = C_{N}^{-1} F_{N}[/math].

2. Последовательно выполняются формулы прямого хода:

[math]\boldsymbol{\alpha}_{i+1} = (C_{i}-A_{i}\boldsymbol{\alpha}_{i})^{-1} B_{i}[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , m-1[/math],

[math]\boldsymbol{\beta}_{i+1} = (C_{i}-A_{i}\boldsymbol{\alpha}_{i})^{-1}(F_{i}+A_{i}\boldsymbol{\beta}_{i})[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , m-1[/math],

[math]\boldsymbol{\xi}_{i} = (C_{i}-B_{i}\boldsymbol{\xi}_{i+1})^{-1} A_{i}[/math], [math]\quad i = N-1, N-2, \cdots , m[/math],

[math]\boldsymbol{\eta}_{i} = (C_{i}-B_{i}\boldsymbol{\xi}_{i+1})^{-1}(F_{i}+B_{i}\boldsymbol{\eta}_{i+1})[/math], [math]\quad i = N-1, N-2, \cdots , m[/math].

3. Инициализируется обратный ход:

[math]Y_{m} = (E-\boldsymbol{\xi}_{m}\boldsymbol{\alpha}_{m})^{-1}(\boldsymbol{\eta}_{m}+\boldsymbol{\xi}_{m}\boldsymbol{\beta}_{m})[/math]

[math]Y_{m-1} = (E-\boldsymbol{\alpha}_{m}\boldsymbol{\xi}_{m})^{-1}(\boldsymbol{\beta}_{m}+\boldsymbol{\alpha}_{m}\boldsymbol{\eta}_{m})[/math]

4. Последовательно выполняются формулы обратного хода:

[math]Y_{i} = \boldsymbol{\alpha}_{i+1} Y_{i+1} + \boldsymbol{\beta}_{i+1}[/math], [math]\quad i = m-1, m-2, \cdots , 1, 0[/math],

[math]Y_{i+1} = \boldsymbol{\xi}_{i+1} Y_{i} + \boldsymbol{\eta}_{i+1}[/math], [math]\quad i = m, m+1, \cdots , N-1[/math].

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Для выполнения блочной встречной прогонки в трёхдиагональной СЛАУ из n уравнений с n неизвестными в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:

  • [math]2n+2[/math] умножений обратного одному блока на другой,
  • [math]3n-2[/math] сложений/вычитаний блоков,
  • [math]3n-2[/math] умножений блоков.

При классификации по последовательной сложности, таким образом, блочная встречная прогонка относится к алгоритмам с линейной макросложностью.

1.7 Информационный граф

Информационный макрограф встречной блочной прогонки изображён на рис.1. Как видно, он параллелен на прямом ходе со степенью не более 4, на обратном - не более 2. При выполнении прямого хода не только ветви, но и две подветви каждой из ветвей (левая - разложение матрицы, правая - решение первой из двухдиагональных систем) могут выполняться параллельно друг другу. Правые подветви соответствуют обратному ходу. По рисунку видно, что не только математическая суть обработки подвекторов, но даже структура графа алгоритма и направление потоков данных в нём вполне соответствуют названию "обратный ход".

1.8 Описание ресурса параллелизма алгоритма

Обе ветви прямого хода выполняются одновременно для [math]N=2m-1[/math], т.е. для [math]n=2m[/math]. Тогда для выполнения встречной блочной прогонки требуется последовательно выполнить следующие ярусы:

  • [math]m+1[/math] ярусов умножения блока, обратного к одному, на другой или на вектор (в каждом из ярусов, кроме одного, по 4 таких операции, в одном - 2),
  • по [math]2m-1[/math] ярусов умножений и сложений/вычитаний блоков (в [math]m-1[/math] ярусах - по 4 операции, в [math]m-1[/math] - по две, в одном - три операции).

При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, блочная встречная прогонка относится к алгоритмам со сложностью [math]O(n[/math] макропераций. При классификации по ширине ЯПФ его макросложность будет равна [math]4[/math].

При нечётном [math]n[/math] ветви нельзя выполнить синхронно, поэтому предпочтительнее выбирать чётные размеры задач.

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: блочно-трёхдиагональная матрица [math]A[/math] (блоки [math]A_{ij}[/math]), вектор [math]B[/math] (блоки [math]B_{i}[/math]).

Выходные данные: вектор [math]X[/math] (блоки [math]X_i[/math] ).

Объём выходных данных: [math]n[/math] блоков.

1.10 Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности, как хорошо видно, является константой (зависящей от размера блоков).

При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных – тоже константа.

Алгоритм в рамках выбранной версии полностью детерминирован.

2 Программная реализация алгоритма

2.1 Особенности реализации последовательного алгоритма

В зависимости от нужд вычислений, возможны как разные способы хранения матрицы СЛАУ (в виде одного массива с 3 блочными строками или в виде 3 разных массивов), так и разные способы хранения вычисляемых коэффициентов (на месте использованных уже элементов матрицы либо отдельно).

2.2 Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Встречная прогонка задумана изначально для случая, когда нужно найти только какую-то близкую к "середине" блочную компоненту вектора решения, а остальные были не нужны (решение т.н. "частичной задачи"). При появлении параллельных компьютерных устройств оказалось, что у встречной блочной прогонки есть небольшой дополнительный ресурс параллелизма. Однако для получения массового параллелизма встречная блочная прогонка должна быть распараллелена на уровне блочных операций.

2.3 Результаты прогонов

2.4 Выводы для классов архитектур

3 Литература

  1. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. М.: Наука, 1977.
  2. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984.
  3. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978.