[发明专利]用于在并行计算环境中开发软件的方法

说明书

本发明公开一种用于在并行计算环境中开发软件的方法。所述方法包括以下步骤:开发所述软件的顺序实现和并行实现;以及对照所述软件的所述顺序实现的结果来检验所述软件的所述并行实现的结果。

技术领域

软件开发过程已经得到发展，从而在程序的整个生命周期内提高软件产品的生产率和质量。随着个人和商用计算处理器已从单核处理单元(CPU)发展成多核CPU和图形处理单元(GPU)，计算机软件正从高度顺序向高度并行过渡。

背景技术

图1是具有单指令流和单数据流的顺序处理计算机架构10的示意性流程图。顺序处理是指在硬件架构上执行计算机代码，在所述硬件架构中，单处理器执行来自指令池12的单指令流，以便操作存储在数据池16中的数据。由软件开发人员编程的软件的顺序实现存在于指令池12中。当程序执行时，单串行指令流会从指令池12发送到单处理单元(PU)14。PU14以单串行流的形式接收来自数据池16的数据。在作为计算机架构的费林(Flynn)分类法要素的文献中，顺序处理架构10的表示称为单指令流单数据流(SISD)。此架构最知名的实例便是二十世纪八十年代和九十年代的PC中使用的传统单处理器机器。

图2是具有单指令流和多数据流的并行处理计算机架构20的示意性流程图。并行处理是指其中可以同时执行不同计算的任何计算机架构。在一个并行处理架构中，执行并行计算机代码，其中多个处理器执行来自指令池22的单指令流，以便操作存储在数据池26中的多个数据流。由软件开发人员编程的软件的并行实现存在于指令池22中。当程序执行时，单串行指令流会从指令池22发送到一组处理单元(PU)24。PU24各自接收来自数据池26的数据流。在作为计算机架构的费林分类法要素的文献中，这种并行处理架构20的表示称为单指令流多数据流(SIMD)。SIMD架构在GPU和大多数多核CPU中实施。

在典型的软件开发过程中，程序员挑选处理环境并针对该选定的环境进行开发。因此，负责创建一个将在并行计算平台上运行的应用程序的开发人员将开发并行计算平台上的软件产品的并行实现。已知计算机程序的并行实现比顺序实现更难编写，这是因为并发的计算增加了出现额外类型的软件错误和资源管理问题的潜在可能性。例如，并行程序可能会遭受一种被称为竞态条件的故障类型，借此，归因于多个处理器执行的操作之间的临界时间依赖性，计算机程序的并行实现便会出现异常行为。这些类型的错误可能极难跟踪，因此，解决起来非常耗时。

软件开发过程已经得到发展，从而在程序的整个生命周期内提高软件产品的生产率和质量。通常，这些方法以软件开发生命周期模型为基础，并且为开发人员提供计划，以便在开发和建立计算机程序时跟进。由于几十年来在个人计算机行业中占优势的计算机硬件架构具有串行性质，因此，顺序处理已经塑造了计算机科学家用来开发计算机代码的软件开发过程。图形处理单元和多核中央处理单元(CPU)出现并可用之后，将并行计算带入了商用和个人计算的主流。因此，对于并行软件的开发和推广而言，软件开发过程不足且低效。

图3是用于软件开发的顺序设计过程的示意性流程图，该顺序设计过程称为瀑布模型30。瀑布模型30是众所周知的设计过程，自硬件设计方法改编而成，并且用于软件开发，其中该过程的各个阶段均在下一阶段开始前完成。瀑布模型30的阶段是需求32、设计34、实现36、检验38以及维护40。每个步骤连续连接到下一步骤，因此，整个开发过程在当前步骤完成之后前进到下一步骤，并且通常会在随后的步骤之前显现先前的步骤，因而前进过程类似于瀑布。

用于软件开发的瀑布模型30的初始步骤是需求阶段32。需求阶段32连续连接到设计阶段34，因此，在设计阶段34可以开始之前，需求阶段32必须要先完成。设计阶段34连续连接到实现阶段36。实现阶段36连续连接到检验阶段38。检验阶段38连续连接到维护阶段40。维护阶段40完成之后，所述开发过程便完成了。