Програмна платформа для наукових досліджень
Описано нову програмну платформу для розв'язання задач, які виникають у процесі наукових досліджень, що характеризується високою продуктивністю та захищеністю генерованого коду, а також містить засоби компонентно-орієнтованого та евристичного програмування....
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут програмних систем НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/272 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Програмна платформа для наукових досліджень / А.Ю. Дорошенко, М.В. Котюк, С.С. Ніколаєв // Пробл. програмув. — 2007. — N 4. — С. 49-59. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859980049520787456 |
|---|---|
| author | Дорошенко, А.Ю. Котюк, М.В. Ніколаєв, С.С. |
| author_facet | Дорошенко, А.Ю. Котюк, М.В. Ніколаєв, С.С. |
| citation_txt | Програмна платформа для наукових досліджень / А.Ю. Дорошенко, М.В. Котюк, С.С. Ніколаєв // Пробл. програмув. — 2007. — N 4. — С. 49-59. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | Описано нову програмну платформу для розв'язання задач, які виникають у процесі наукових досліджень, що характеризується високою продуктивністю та захищеністю генерованого коду, а також містить засоби компонентно-орієнтованого та евристичного програмування.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:25:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
Інструментальні засоби та середовища програмування
© А.Ю. Дорошенко, М.В. Котюк, С.С. Ніколаєв, 2007
ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2007. № 4 49
УДК 681.03
А.Ю. Дорошенко, М.В. Котюк, С.С. Ніколаєв
ПРОГРАМНА ПЛАТФОРМА ДЛЯ НАУКОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Описано нову програмну платформу для розв'язання задач, які виникають у процесі наукових
досліджень, що характеризується високою продуктивністю та захищеністю генерованого коду, а також
містить засоби компонентно-орієнтованого та евристичного програмування.
Вступ
В останні роки спостерігається тен-
денція зростання популярності двох домі-
нуючих сучасних програмних платформ
.NET та J2EE [1, 2], а також все меншого
використання розробниками «одиночних»
технологій та мов програмування, таких як
Delphi, C++Builder, MS Visual Basic 6 та ін.
Причина популярності платформ полягає в
тому, що створювати програми з їх допо-
могою значно ефективніше, а результати
роботи отримують велику кількість пере-
ваг за рахунок самої платформи: суміс-
ність, можливість застосування на ЕОМ
будь-якої архітектури, можливість повтор-
ного використання, висока надійність, мо-
жливість простої та стандартизованої вза-
ємодії створених різними програмістами
компонентів. Проте слід зазначити низку
вад використання таких програмних плат-
форм як .NET чи Java.
По-перше, створювані з допомогою
цих платформ програми мають невисоку
продуктивність внаслідок використання
технології віртуальних машин (ВМ), що
передбачає компіляцію та інтерпретацію
проміжного коду. Спеціальні процесори з
підтримкою апаратної інтерпретації про-
міжних кодів поширення не набули, а ви-
користання об’єктно-орієнтованого про-
грамування (ООП) як основного методу
розробки та не дуже економного щодо
споживання основної пам’яті «збирання
сміття» теж не сприяє високим показникам
продуктивності таких програм.
По-друге, в сучасних версіях плат-
форм .NET та Java досі не в повному обсязі
реалізовані технології інформаційної без-
пеки та захисту інтелектуальної власності
(хоча технічно це можливо).
По-третє, ці платформи вимагають
використання програмістом однієї концеп-
ції, однієї базової бібліотеки та однієї мови
програмування (проголошена «багатомов-
ність» .NET є умовною, бо всі мови .NET
насправді мають Java-подібну семантику,
хоча і різний синтаксис, окремо в деякій
мірі стоять лише CIL та Managed
Extensions for C++). І тому в цьому випа-
дку виключається можливість викорис-
тання цих програмних платформ для дос-
ліджень в галузі програмування та ство-
рення справді нових мов та методів про-
грамування.
Разом ці фактори вказують на те,
що використання платформ Java та .NET
може різко звужувати і обмежувати мож-
ливості для наукових досліджень, зокрема
у галузі програмування. У програмних си-
стемах, що виконують наукові обчислення,
критичними є саме продуктивність обчис-
лень, захист інформації та можливість
створення нових методів і засобів опису,
виконання та моделювання алгоритмів. З
появою мультипроцесорних систем та му-
льтиядерних процесорів з'явилося ще одне
питання – як максимально ефективно ви-
користати технології паралельного вико-
нання програмного коду. Проте і тут ні
Java, ні .NET ще не запропонували розв'я-
зання цих проблем, тому науковці досі
використовують такі давно відомі засоби,
як С/С++, Fortran чи Lisp.
Програмна платформа МИША – це
нова програмна платформа, що пропонує
вирішення вищеназваних та інші техноло-
гічних проблем шляхом оптимального на-
бору засобів для використання в наукових
дослідженнях з програмування.
Перша версія МИШІ була створена
в 2005 році М.В. Котюком як компонент
створеної експериментальної навчальної
системи, призначений для написання інте-
лектуальних алгоритмів – аналізу тексту
для автоматичного генерування тестових
Інструментальні засоби та середовища програмування
50
завдань, аналізу вимови та розпізнавання
символів тощо. Після цього було виконано
модернізацію системи, яка значно розши-
рила спектр застосування МИШІ у галузі
наукових обчислень. МИША М5 включала
в себе велику кількість цікавих технологій,
у тому числі динамічну кодогенерацію в
момент виконання, можливість виконання
програми на графічному акселераторі, ав-
томатизовану систему розгортання ПЗ на
кластерному обчислювачі та технологію
інтелектуальної оптимізації коду. У 2005-
2007 роках МИША була успішно предста-
влена на конкурси-захисти науково-дослі-
дних робіт МАН. У 2006 році до розробки
компонентів системи долучився С.С.
Ніколаєв, який створив засоби обробки
файлів, мультимедійні компоненти,
систему захисту інформації та розробив
мультиасемблерну мову запису евристик.
Склад та особливості платформи
МИША
МИША – це багатомовна крос-
платформна технологія, що дає змогу інте-
грувати компоненти, створені з викорис-
танням різних мов програмування з різ-
ними парадигмами (імперативна та декла-
ративна), для реалізації складних науково-
дослідницьких проектів. Платформа скла-
дається з таких компонент:
• операційної системи реального
часу МИША ОС 1.0, яка може викорис-
товуватися для виконання програми на базі
платформи МИША;
• дистрибутивів МИШІ для ОС
Windows NT, Linux, Macintosh, Solaris,
DOS, Symbian, Windows CE;
• засобів виконання МИША-
програм на графічних акселераторах
компанії AMD;
• технології Universal Binary, що
забезпечує виконання програми у
оригінальному машинному коді, без
використання інтерпретації/JIT-компіляції
проміжного коду;
• технології захисту авторського
права Tiger II;
• системного антивіруса/антишпи-
гуна “Сотник”, який гарантує відсутність
шкідливого програмного коду у МИША-
програмах;
• універсальної «прозорої» систе-
ми взаємодії з операційними системами
різних типів;
• універсальної системи типів
даних, оптимізованої для наукових дослі-
джень;
• високорівневої проміжної універ-
сальної мови програмування, в яку
перекладаються всі програми на базі
МИША-сумісних мов програмування;
• технології розпаралелювання та
оптимізації програм для багатопотокового
виконання, засоби розробки програм та їх
розгортання на кластерних системах.
• система управління пам'яттю на
основі використання символьних імен;
• автоматичне управління «купою»
на базі миттєвого «збирання сміття», що
гарантує мінімальний обсяг використання
пам'яті та відсутність об'єктів без посилань
в будь-який момент часу, тобто фіналізація
об'єктів у МИШІ – це детермінований
процес (на відміну від .NET та Java).
Ідеологія створення програмних
систем на базі платформи МИША отри-
мала назву алгоритмічно-орієнтованого
програмування (АОП), яка має багато спі-
льного з алгеброалгоритмічним підходом
до проектування алгоритмів [3]. АОП дає
змогу використати в кожній ситуації оп-
тимальний підхід до проектування системи
чи окремого алгоритму. Так, наприклад,
можна поєднувати для використання тра-
диційну структурну модель Паскаля, об'єк-
тно-орієнтовну модель в стилі .NET, тех-
нологію структурування даних МИШІ, а
також евристичні методи та декларативне
програмування.
Важливою перевагою платформи
МИША є високоефективна реалізація біб-
ліотек та транслятора. Так, бібліотеки для
ЕОМ архітектур х86, AMD FireStream та
МП реалізовані мовою асемблера.
Транслятор для платформи МИША
є триступеневою системою, що забезпечує
високий рівень технологічної сумісності й
можливість створення нових трансляторів
для багатьох мов програмування. Техноло-
гічно на всіх рівнях транслятор реалізова-
ний як інтелектуальна нейронна мережа, із
використанням динамічно генерованих
процедур та евристик. Транслятор пропо-
Інструментальні засоби та середовища програмування
51
нує засоби профілювання та інтелектуаль-
ної оптимізації програмного коду на рівні
вхідних текстів і асемблерного коду.
Важливою рисою транслятора є мо-
жливість програмних систем динамічно
змінювати власний високорівневий код,
що пропонує широкі можливості зі ство-
рення націленої компіляції та інтелектуа-
льних програмних комплексів [4].
Власне поточна (десята) версія
транслятора МИША є гарною демонстра-
цією можливостей платформи та самої
мови програмування МИША М10, яка є
основною мовою платформи, що являє со-
бою високорівневу мову програмування, в
якій підтримуються різні способи опису
алгоритмів.
При створенні мови програмування
МИША за основу було взято мову Пас-
каль. В цій мові програмування поєд-
нуються важливі якості розвинутої функ-
ціональності та простоти в освоєнні. Мову
збагачено конструкціями, які дозволяють
якісніше описувати алгоритми та забез-
печують позбавлення від поширених
техніко-алгоритмічних помилок.
Значна частина елементів мови про-
грамування запозичена з мов програму-
вання Алгол, Лісп та С. В МИШІ чіткість
та однозначність семантики Алголу-60 по-
єднується із багатьма елементами С, що
дає змогу писати компактніший та зрозу-
міліший код. Наявна також підтримка
об’єктно-орієнтованого програмування.
МИША М10 дозволяє створювати про-
грами з допомогою декларативних засобів.
Синтаксис мови програмування ста-
ндартизовано. Це прискорює освоєння
мови програмування: досить лише
осмислити головні властивості та законо-
мірності. Мова програмування дозволяє
максимально ефективно оптимізувати спі-
льну роботу в певному проекті та повністю
використовувати наявні обчислювальні
ресурси. Створення програми для парале-
льного виконання нічим не відрізняється
від створення звичайної програми. Сис-
тема програмування для МИШІ – Омега
2007 – значно збільшує швидкість ство-
рення програми чи алгоритму. Пропону-
ється багато засобів, що спрощують пошук
помилок у програмі. Синтаксис мови
МИША зовні нагадує С++, а зсередини –
Паскаль. Багато елементів є звичними для
досвідчених програмістів, і це допомагає у
вивченні мови МИША М10.
Програма мовою МИША зберіга-
ється в єдиному файлі з розширенням
імені .срр (мова С++). Розширення .срр ви-
користане для того, щоб в одній системі
Омега 2007 об’єднати три мови (С, С++ та
МИША) з єдиним розширенням імені фай-
лів для спрощення реалізації транслятора.
Незручностей у роботі в цьому контексті
не виникає, адже система Омега 2007 ав-
томатично розпізнає мову (МИША або
С++) і завантажує відповідні програмні
засоби.
МИША підтримує препроцесор, що
є вкороченою версією препроцесора
С/С++: підтримується умовна компіляція
та включення файлів.
Файл складається з двох частин –
зони оголошень та зони опису головного
тіла програми. В зоні оголошень опису-
ються підпрограми, модулі, типи. Головне
тіло програми – це “дорожня карта” про-
грами, з якого починається і яким закінчу-
ється її виконання.
Приклад програми мовою МИША:
(приклад 1).
Текст, що не аналізується трансля-
тором – це коментарі. В МИШІ є 3 типи
коментарів – однорядкові (//текст комен-
таря), багаторядкові (/*текст коментаря*/),
та документаційні директиви – вказівки,
що аналізуються середовищем програму-
вання, але ігноруються транслятором.
Конструкції мови МИША поділя-
ються на 2 групи – виконувані (вирази) та
невиконувані (оголошення). Стиль запису
виразів у мові МИША майже ідентичний
запису виразів у мові С, але має багато
особливостей, викликаних характеристи-
ками платформи. Так, МИША подібно до
декларативних мов використовує передачу
даних за значенням, що дає змогу легко
реалізувати мережеву взаємодію програм-
них компонентів та інші види обчислень
на архітектурах із розподіленою пам'яттю.
Водночас наявна var-специфікація для
передачі аргументів до підпрограм.
Приклад 1 програми мовою МИША.
Інструментальні засоби та середовища програмування
52
Звідси, в МИШІ немає можливості
працювати із вказівниками. Але платформа
пропонує технологію маршалінгу об'єктів
за посиланням (reference). Для цього
використовується надійний та економний
протокол передачі даних у бінарному
форматі.
Так, у мові МИША вірний такий
алгоритм:
ref<IEnumerable> g5=i[3];
ref<Object(g5)().SetTag(10).
На відміну від системи .NET Remot-
ing, МИША не передбачає різних типів
активації, створення та лізингу об'єктів,
адже використовувана в МИШІ сервіс-орі-
єнтована архітектура, на відміну від клі-
єнт-серверної, чітко структурує способи
використання переданих за посиланням
об'єктів.
Система типів мови МИША
Система типів мови програмування
МИША традиційна і багато в чому анало-
гічна системі типів у Паскалі. Відмінні на-
зви деяких типів, а також наявні деякі
типи, відсутні в мові Паскаль.
У наукових обчисленнях потрібні
як зручні методи опису структури даних,
так і зручні методи опису списків та інших
видів структур однотипних даних. МИША
пропонує три види табличних величин –
рядки, масиви та деревоподібні структури,
а також можливість опису структур даних і
прив'язаних до них підпрограм за допомо-
гою записів (record). Водночас дерево-
подібні структури виконують майже всі
функції записів, на додачу пропонуючи
властивість, якою наскрізь пронизана ідео-
логія МИШІ – динамічність.
Бібліотеки МИШІ – це дуже потуж-
ний інструмент розробника. В них знахо-
дяться близько тисячі типів даних та де-
в'яти тисяч підпрограм, згрупованих за те-
матичним застосуванням. Типи і функції
МИШІ – це не лише загальні, а й спеціалі-
зовані. Так, окрім типів для роботи з нату-
ральними дробами, підтримується бібліо-
тека для фізичного моделювання, бібліо-
тека з функцією хімічного калькулятора
тощо.
Незважаючи на те, що МИША пе-
редбачає створення однофайлових про-
грам, основним методом розробки є ком-
поненто-орієнтоване програмування. Мова
МИША передбачає створення різних типів
незалежних компонентів: структур даних
із базовими алгоритмами, що можуть бути
повторно використані та модулів коду із
утилітарними алгоритмами.
Записи в МИШІ – часткові аналоги
класів у об'єктно-орієнтованих мовах
програмування. Так, записи підтримують
успадкування типів та реалізацію
інтерфейсів (інтерфейс – це інформаційний
тип даних, що забезпечує алгоритмічний
поліморфізм МИША-алгоритмів, схожий
на інтерфейси в мові Паскаль). Табличні
величини – ще одна особливість мови
МИША, що дозволяє зробити значний
крок уперед в галузі проектування програ-
много забезпечення. Вони забезпечують
швидку, зрозумілу та автоматизовану об-
робку та гарантують надійність і ефектив-
ність програми.
//Вказівка на тип мови
// МТ=”Миша-Тип”
/**МТ::MAINFILE*/
#include “mcl.hpp”
//Зона оголошень
program
{
//операторі головного тіла програми
Console.PETC();
// очікування введення інформації
return EXIT_SUCCESS
//подання інформації про вдале завершення програми
}
Інструментальні засоби та середовища програмування
53
Засоби програмування алгоритмів
Мова МИША пропонує велику
кількість зручних засобів з програмування
алгоритмів. Так, до традиційної імпера-
тивної моделі (підпрограми та керівні
конструкції мови Паскаль) додане управ-
ління пам'яттю з допомогою символьних
імен (в МИШІ кожна змінна може мати
символьне ім'я), евристичне та декларати-
вне програмування.
МИША базована на традиційній
“європейській октаві” алгоритмічної мови,
проте кількість конструкцій суттєво роз-
ширена. Нові алгоритмічні засоби, що да-
ють змогу у багатьох випадках обходитися
Назва типу
в МИШІ
Назва типу в
Паскалі
Опис, обсяг необхідного простору в ОЗП 64-розрядної
ПЕОМ під управлінням ОС МИША
bool boolean Логічне значення, 8 змінних на байт (МИША),
1 байт (Паскаль)
byte byte Байт, 1 байт
char char Символ, 1 байт
PChar PChar NT-рядок (завершується символом 0)
int integer Ціле число з розрядністю використовуваної
комп'ютерної системи
int64 int64 64-розрядне ціле число
real real 64-розрядне дійсне число
extended extended 128-розрядне дійсне число
str string Символьний рядок, 8 байт+довжина рядка
var variant Варіантний контейнер для будь-якого типу даних – від
52 байтів
anytype pointer, dynamic
array
Масив, що реалізується через вказівник на область
динамічної пам'яті – 4 байти
sar array Стандартний Паскаль-масив – 8 байт
ar Аналог відсутній Еластичний масив – 42 байти без вмісту
ts Аналог відсутній Деревоподібна структура – 54 байти без вмісту
record record Запис – тип, що визначається користувачем. Розмір
залежить від вмісту
enum Перерахівний тип
даних
Тип, що має декілька можливих значень. Для
сумісності зі старим ПЗ. 4 байти
ref Вказівник Вказівник на область у пам'яті (змінну)
delegate Вказівник на
підпрограму
Підпрограма зворотного виклику
event Аналог відсутній Підпрограма зворотного виклику з підтримкою
евристичних технологій
Примітка. В списку типів мови програмування МИША назви числових типів даних
виділені жирним шрифтом, нечислових – виділені жирним шрифтом і підкреслені. В
списку типів мови програмування Паскаль жирним шрифтом виділені ключові слова
цієї мови програмування.
Інструментальні засоби та середовища програмування
54
без використання рекурсії. Особливо помі-
тна ефективність цих алгоритмічних засо-
бів під час обробки деревоподібних струк-
тур як в плані швидкості розробки, так і в
плані ефективності виконання. Так, в
МИШІ можливий такий алгоритм:
ts<str> strts;
strts(“Font”)(“Name”) =
“Times New Roman”;
strts(“Font”)(“Style”) = “14”;
through ts str(cnt, strts)
{
Console.WriteLn(strts[cnt].Value);
}
Цей підхід спрощує написання алго-
ритмів обробки деревоподібних структур
даних, а також забезпечує економне вико-
ристання пам'яті комп'ютера за рахунок
відмови від рекурсивної обробки (яка ча-
сто призводить до переповнення стеків).
Водночас слід зазначити, що рекурсивні
алгоритми на МИШІ, як і в декларативних
мовах програмування, не допускають пе-
реповнення стеку, оскільки на віртуальний
стек відводиться весь вільний простір
ОЗП. Якщо в платформі .NET переважає
явне розміщення даних у динамічній обла-
сті пам'яті, то в МИШІ – автоматизоване
виділення пам'яті в стеку підпрограми.
В МИШІ можливе наступне оголо-
шення підпрограми (так виглядає на
МИШІ алгоритм швидкого сортування
Хоара):
generic(ptype T) ar <T> HS(ar<T> i):
Extract(min(0,1), i, i[0], 0)+i[0] + Extract(
max(0,1), i, i[0], 0);
Проте можливо і таке оголошення
алгоритму швидкого сортування:
МИША дозволяє використовувати
швидкісні динамічні евристики. Розгля-
немо наступний код:
/**MT::MAINFILE*/
using(“mcl.hpp”);
/*#
~goose~schm(“Label!”); @12;
\Comment for user
$M
schm(“Hello from a heuristic!”);
~12~@goose
$.
#*/
program
{
self(); //Виконання коду евристики
return EXIT_SUCCESS;
}
Виділена коментарями виду
/*#~~~#*/ евристика – це динамічний фра-
гмент програми. Набір технологій для ро-
боти з засобами штучного інтелекту
(зокрема, з нечіткою логікою) передбачає
такі засоби:
- рефлексія МИША-програми –
для перебудови ресурсоємних базових
алгоритмів;
- рефлексія та динамічне генеру-
вання евристик – для побудови розумних
систем на базі нейронних мереж та
евристичних алгоритмів;
- синтаксичні конструкції та
техно-логії опису знань та їх збереження;
- «штучнорозумовий» універсаль-
ний тип даних ts<var>.
Інструментальні засоби та середовища програмування
55
У МИШІ важливою є проблема
обробки динамічної пам'яті (“купи”). Як
уже згадувалось, базовий підхід до
створення програм у МИШІ передбачає
передачу аргументів та збереження даних
за значенням. Але можливі випадки, коли
зручніше використати посилання (ref),
особливо враховуючи звичку багатьох
програмістів використовувати вказівники
та подібні до них типи. МИША дає змогу
написати такий код:
У МИШІ використана технологія
інтелектуального керування динамічною
областю пам'яті, яка базується на
евристиках, та дає змогу гарантувати, що
об'єкт буде знищений одразу після того, як
він опиниться “поза зоною досяжності”
(будуть втрачені всі посилання на нього).
Використання технології підпрограм
зворотного виклику та прямого доступу за
вказівником у базовій інфраструктурі дає
змогу уникнути зменшення швидкості
програми та вчасно вивільняти критично
важливі ресурси (для чого передбачено
можливість оголошення підпрограм-де-
структорів, які за призначенням аналогічні
фіналізаторам у .NET/Java). Проте, як уже
згадувалось, виклик деструктора в МИШІ
чітко детермінований та виконується
після останнього звертання до об'єкта.
Тому в МИШІ немає необхідності у
ручному звільненні ресурсів з допомогою
спеціальних методів, як, наприклад,
інтерфейс IDisposable у .NET.
Продуктивність генерованих програм
Транслятор МИШІ генерує
ефективний асемблерний код. Викорис-
тання технології платформної побудови
дає змогу створювати незалежні від типу
апаратного забезпечення програмні засоби,
а також дослідити переваги та вади різних
процесорних архітектур на різних типах
задач.
Базове дослідження якості генеро-
ваного МИШОЮ коду складалося з трьох
етапів – дослідження якості однопо-
токового коду, багатопотокового коду та
аналіз конвеєризації програми для класте-
рної системи. Кожен дослід проводився
п'ять разів, після чого в якості результату
дослідження використовувалось середнє
значення.
МИША містить якісну систему
вимірювання продуктивності програми на
основі відлагоджувача NEO. Вона дає
змогу визначити швидкість програми в ці-
лому та окремих її частин, а також показ-
ник використання ОЗП. Система вимі-
рювання продуктивності інтегрована з
транслятором, який використовує її дані у
режимі самонавчання для визначення най-
кращої оптимізаційної стратегії. З метою
оптимізації транслятор використовує три
набори динамічних евристик для:
• визначення “вузьких місць” про-
грами та порівняння продуктивності
різних варіантів одного фрагмента коду на
МИШІ (основні аналітичні евристики);
• генерування асемблерної про-
грами у коді процесора МП-7Ю;
• конвертування програми з асемб-
лера МП-7Ю в асемблер і386;
• зазначення паралельних фраг-
менттів програми для синхронізованого
виконання на процесорі МП-7Ю-2;
• вибірка коротких послідовностей
та сортування команд з метою оптимізації
програми для суперскалярних архітектур
(підтримуються моделі SIMD, CISC та
EPIC, а також набори інструкцій MMX,
SSE, SSE2, 3DNOW, AMD64, EM64T, PHC
тощо);
• розподіл високорівневого про-
Інструментальні засоби та середовища програмування
56
грамного коду на досить великі автономні
блоки з метою паралельного їх виконання
за макроконвеєрним принципом В.М.
Глушкова;
• оптимізація використання пам'яті
за рахунок неявного використання пе-
редачі вказівника на структуру даних
замість власне структури;
• оптимізація використання пам'яті
за рахунок побудови спеціалізованих
евристик очистки динамічної пам'яті
(“купи”). Ця методика дає змогу уникати
традиційних вад технології “збирання
сміття”.
Розглянемо роботу інтелектуаль-
ного оптимізатора МИШІ на прикладі ал-
горитму синтаксичного аналізу МИША-
коду перед відправленням у нейронно-ме-
режевий семантичний аналізатор. Обсяг
алгоритму – 286 рядків коду, обсяг оброб-
люваного файлу – 15 КБ. При увімкнунему
режимі роботи “без оптимізації” вико-
нання програми займає час 1,23 сек. При
увімкненні розпаралелення на комп'ютері з
процесором AMD Athlon 64 X2 4800+ час
виконання складає 0,96 сек.; наявне прис-
корення в 1,28 разів (це при тому, що алго-
ритм аналізу за деревоподібною структу-
рою не може бути розділений на потоки за
принципом макроконвеєрності). Рівномір-
ність навантаження на ядра процесора –
2/0,91.
Оптимізатор МИШІ пропонує три
стадії оптимізації:
• оптимізацію на рівні асемблер-
ного коду для певної платформи із тех-
нологією швидкого виконання;
• оптимізацію на рівні проміжного
коду із зміною методів керування пам'ят-
тю, вилученням фрагментів про-грами, що
не впливають на результат її виконання та
перевіркою умов циклів та інших
параметрів алгоритмічних кон-струкцій
(також включає в себе опти-мізацію на
рівні асемблерного коду);
• повну оптимізацію, що перед-
бачає виконання попередніх етапів опти-
мізації та велику кількість інтелектуальних
аналітичних операцій, які забезпечують
оптимальний баланс між продуктивністю
та споживанням пам'яті, а також містить
технології розподілу даних між потоками
для більш якісного розпаралелення про-
грамного коду і перевизначення вбудо-
ваних (inline) та генерування нових під-
програм.
Цим трьом стадіям оптимізації від-
повідають три пункти табл. 2 налашту-
ван-ня МИШІ – “Оптимізація”, “Поси-
лена оптимізація” та “Максимальна опти-
мізація”.
Дослідимо ці три режими оптимі-
зації. При використанні спеціалізованих
для процесорних архітектур команд
розпаралелювання і оптимізації коду на
рівні асемблера швидкість виконання
програми становить 0,4 сек – більш ніж в
три рази швидше у порівнянні з режимом
“без оптимізації”. В цьому випадку
рівномірність навантаження на ядра
процесора становить 2/1,1, тобто розподіл
виконано дещо краще, ніж при
розпаралеленні коду без оптимізації. У
режимі посиленої оптимізації помітне
значне покращення показників продук-
тивності, а саме: загальний час виконання
програми складає 0,26 сек.; рівномірність
навантаження ядер процесора – 1,5/1. У
режимі максимальної оптимізації про-
дуктивність програми в 5,52 рази пере-
вищує продуктивність програми без опти-
мізації. Як уже згадувалось, в цьому
режимі транслятор “експериментує”.
Перше виконання програми дає результат
0,39 секунд із рівномірністю розподілу
даних 2/0,5, друге – 0,31 сек. із рівно-
мірністю навантаження 1,5/1, третє – 0,20
сек. із рівномірністю навантаження
0,9/1,19.
Найкраще отримані результати де-
монструють такі діаграми.
Інструментальні засоби та середовища програмування
57
Спеціальний набір тестів наукових
задач був використаний для визначення
реальної продуктивності МИШІ у кластер-
ній системі. Кластерна система мала таку
конфігурацію:
• 9: Intel Celeron 3,06 Ghz (512 K
L2 cache), 248 MB RAM.
• 2: Intel Celeron 1,7 Ghz (128 K L2
cache). 128 MB RAM.
• 1: Intel Core 2 Duo E6400, 2 GB
RAM.
• 8: Intel Celeron 533 MHz (128 K
L2 cache), 64 MB RAM.
• 1: AMD Athlon 64 X2 4800+, 8 GB
RAM
• 1: Mobile AMD Turion 64 X2 MT-
62, 2 GB RAM.
Загалом: 22 вузли кластера, 25
процесорів, 20 обчислювальних вузлів, 2
управляючі вузли.
Інструментальні засоби та середовища програмування
58
Були отримані наступні результати:
Компонентно-орієнтована розробка
програм
Максимально висока швидкість
програмування з допомогою МИШІ дося-
гається при одночасному застосуванні всіх
засобів програмування. Розглянемо при-
йоми розробки з допомогою МИШІ на
прикладі створення інтелектуального тран-
слятора простої мови, подібної до мови
Паскаль, для платформи .NET.
На вході транслятора – код про-
грами, рядок символів, на виході – теж
рядок, код мовою CIL, проміжні дані – це,
власне, структура програми. Для реалізації
синтаксичного аналізатора в МИШІ перед-
бачено спеціальний компонент Tokenizer
(за замовчуванням цей компонент налаш-
тований на обробку файлів Паскаля).
Реалізація лексичного аналізатора
як метасистеми одночасно демонструє і
властивості мови МИША, і можливості
широкого використання евристичного про-
грамування і нейронних мереж. З метою
забезпечення комплексного використання
компонентів та швидкої паралельної роз-
робки транслятор можна розподілити на
такі частини:
а) лексичний аналізатор мови Паскаль;
б) синтаксичний аналізатор мови
Паскаль;
в) ООП-ієрархія із представленням
Паскаль-програми. (В МИШІ такі ієрархії
мають назву репрезентативних, оскільки
описують структуру оброблюваних даних);
г) ООП-ієрархія .NET-програми;
д) модуль трансляції (в) у (г);
е) модуль побудови CIL коду з (г).
Спроектована архітектура за суттю
– комплекс для створення трансляторів для
будь-якої мови програмування. При цьому
MИША М10 з
динамічними
евристичними
технологіями
C++
стандартний
дистрибутив
Microsoft
.NET (C#)
Бібліотека довгої
арифметики для
.NET (LAL)
Стенфордського
університету
J2EE (Java)
Бібліотека довгої
арифметики для
J2EE (LAL)
Стенфордського
університету
Підрахунок простих
чисел за методом
решета Ератосфена
(перші 1010 простих
чисел)
500000 простих
чисел за сек. в
середньому
Два потоки,
автоматизоване
розпаралелю-
вання
Мова не дає
можливості
реалізувати
даний
алгоритм
(недостатній
обсяг типів
даних).
273000 простих
чисел за сек. в
середньому
Два потоки, ручне
розпаралелювання
191000 простих
чисел за сек. в
середньому
Два потоки,
ручне
розпаралелю-
вання
Визначення об'єкта
на растровому
зображенні
(алгоритм AI4-72/J)
12,3 сек.
(автоматизоване
розпаралелення)
14,1 сек.
(MPI)
97 сек. (.NET
remoting)
Не реалізовано
через порушення
в роботі JVM
J2SE 6.0
BLES (система мо-
делювання еволюції
бактеріальних
організмів), 2048
циклів виконання
5 год.,
48 хромосом, 5
стартових клітин,
152 віртуальні
хімічні елементи
Дослідження
не проведене
3,5 год.
5 хромосом, 1
стартова клітина,
15 віртуальних хі-
мічних елементів
Дослідження не
проведене
Інструментальні засоби та середовища програмування
59
компоненти (г) і (е) є повторно засто-
совуваними. Тому для цих компонентів
необхідно визначити метод взаємодії з
усіма іншими.
Проектування ієрархії об'єктів
виконується з допомогою спеціального
засобу візуального програмування. Він дає
змогу розробляти загальну структуру
програмної системи, зокрема, і ієрархії
об'єктів.
Найбільш складною проблемою є
лексичний аналізатор. На вході отримуємо
масив рядкових лексем, який необхідно
перетворити на об'єктну структуру. Який
метод роботи в цьому випадку
оптимальний?
Детально проаналізувавши мову
Паскаль, було визначено специфіку
розташування лексем і ключових слів у цій
мові. Так, лексемами верхнього рівня є
program, procedure, function, var, type.
Всі вони мають відповідники для
завершення групи однієї лексеми
(наприклад: program – команду end, var –
оголошення типу, процедури чи функції,
type – оголошення процедури, функції чи
змінної, procedure/function – команда end
підпрограми). В цьому випадку
створюється деревоподібна стекова струк-
тура із набором змінних стану, підпрограм
управління (реалізованих з допомогою
евристик) та підпрограм-класифікаторів
(реалізованих з допомогою евристик), що
визначають виклик конкретної
підпрограми управління.
Обсяг роботи не дає змоги детально
описати прийоми програмування з
допомогою МИШІ, зокрема, й подробиці
реалізації транслятора. Зазначимо лише,
що спроектований транслятор простої
мови програмування займає 552 рядки
коду (включно із універсальним
генератором CIL та репрезентативною
ієрархією .NET). Прикладні евристики –
120 рядків коду (з них 64 обслуговують
універсальний кодогенератор).
Висновки
Розглянуто новий підхід до
створення платформи програмування для
наукових досліджень, що характеризується
високою продуктивністю та захищеністю
генерованого коду, а також засобами ком-
понентно-орієнтованого та евристичного
програмування. Продемонстровано техніку
та переваги застосування такого підходу
для програмування наукових задач.
1. Java 2. Patric Haughton, Herbert Shield – Sun
Developers' Guide Press, San Diego, 2004.
2. A. Troelsen, The C# 2005 programming
language and .NET 2.0. platform. Apress,
2006.
3. Дорошенко А.Ю., Фінін Г.С., Цейтлін Г.О.
Алгеброалгоритмічні основи програ-
мування. Об’єктна орієнтація і паралелізм.
– К.: Наук. думка, 2004. – 458 c.
4. Дорошенко А.Ю., Куйвашев Д.В. Інтелек-
туалізація перенацілюваної оптимізуючої
компіляції для мікропроцесорів цифрової
обробки сигналів // Проблемы програм-
мирования. – 2002.– № 1/2. –С. 477 - 488.
Отримано 10.07.2007
Про авторів:
Дорошенко Анатолій Юхимович,
завідувач відділом, доктор
фізико-математичних наук, професор,
Котюк Микола Васильович,
Ніколаєв Сергій Сергійович,
члени Київського територіального відді-
лення Малої академії наук «Дослідник».
Місце роботи авторів:
Інститут програмних систем НАН України,
тел.: (38044)526 1538,
e-mail: dor@isofts.kiev.ua
Київ, вул. Січневого повстання 13.
e-mail: km@p5com.com
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-272 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1727-4907 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:25:25Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут програмних систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дорошенко, А.Ю. Котюк, М.В. Ніколаєв, С.С. 2008-02-19T13:36:43Z 2008-02-19T13:36:43Z 2007 Програмна платформа для наукових досліджень / А.Ю. Дорошенко, М.В. Котюк, С.С. Ніколаєв // Пробл. програмув. — 2007. — N 4. — С. 49-59. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 1727-4907 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/272 681.03 Описано нову програмну платформу для розв'язання задач, які виникають у процесі наукових досліджень, що характеризується високою продуктивністю та захищеністю генерованого коду, а також містить засоби компонентно-орієнтованого та евристичного програмування. uk Інститут програмних систем НАН України Інструментальні засоби і середовища програмування Програмна платформа для наукових досліджень Article published earlier |
| spellingShingle | Програмна платформа для наукових досліджень Дорошенко, А.Ю. Котюк, М.В. Ніколаєв, С.С. Інструментальні засоби і середовища програмування |
| title | Програмна платформа для наукових досліджень |
| title_full | Програмна платформа для наукових досліджень |
| title_fullStr | Програмна платформа для наукових досліджень |
| title_full_unstemmed | Програмна платформа для наукових досліджень |
| title_short | Програмна платформа для наукових досліджень |
| title_sort | програмна платформа для наукових досліджень |
| topic | Інструментальні засоби і середовища програмування |
| topic_facet | Інструментальні засоби і середовища програмування |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/272 |
| work_keys_str_mv | AT dorošenkoaû programnaplatformadlânaukovihdoslídženʹ AT kotûkmv programnaplatformadlânaukovihdoslídženʹ AT níkolaêvss programnaplatformadlânaukovihdoslídženʹ |