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出版者:

作者:Salleh Shaharuddin/ Zomaya, Albert Y.

出品人:

頁數:183

译者:

出版時間:1999-5

價格:$ 247.47

裝幀:

isbn號碼:9780792385332

叢書系列:

圖書標籤:

並行計算
調度算法
任務調度
資源管理
負載均衡
並行係統
高性能計算
分布式係統
操作係統
算法設計

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具體描述

Scheduling in Parallel Computing Systems: Fuzzy and Annealing Techniques advocates the viability of using fuzzy and annealing methods in solving scheduling problems for parallel computing systems. The book proposes new techniques for both static and dynamic scheduling, using emerging paradigms that are inspired by natural phenomena such as fuzzy logic, mean-field annealing, and simulated annealing. Systems that are designed using such techniques are often referred to in the literature as 'intelligent' because of their capability to adapt to sudden changes in their environments. Moreover, most of these changes cannot be anticipated in advance or included in the original design of the system. Scheduling in Parallel Computing Systems: Fuzzy and Annealing Techniques provides results that prove such approaches can become viable alternatives to orthodox solutions to the scheduling problem, which are mostly based on heuristics. Although heuristics are robust and reliable when solving certain instances of the scheduling problem, they do not perform well when one needs to obtain solutions to general forms of the scheduling problem. On the other hand, techniques inspired by natural phenomena have been successfully applied for solving a wide range of combinatorial optimization problems (e.g. traveling salesman, graph partitioning). The success of these methods motivated their use in this book to solve scheduling problems that are known to be formidable combinatorial problems. Scheduling in Parallel Computing Systems: Fuzzy and Annealing Techniques is an excellent reference and may be used for advanced courses on the topic.

《並行計算係統中的調度》圖書簡介導言：並行計算時代的基石隨著多核處理器和大規模分布式係統的普及，並行計算已成為現代高性能計算（HPC）、雲計算以及邊緣計算領域的核心驅動力。然而，單純增加計算資源並不能自動帶來性能提升。如何有效地管理和分配這些寶貴的資源，以實現最佳的吞吐量、最低的延遲和最高的資源利用率，成為瞭一個至關重要且極具挑戰性的工程與理論問題。本書《並行計算係統中的調度》正聚焦於這一核心議題，深入探討瞭驅動並行計算係統高效運行的調度理論、算法、模型與實踐。本書旨在為研究人員、係統設計者、軟件工程師以及高級計算機科學專業的學生提供一個全麵且深入的視角，理解從單節點多核到大規模集群環境下的復雜調度難題。我們不追求對並行計算硬件的全麵覆蓋，而是將重點集中在如何有效地利用這些硬件資源，即調度器的設計、實現與優化。第一部分：基礎理論與模型構建本部分奠定瞭理解高級調度問題的理論基礎。我們首先迴顧瞭計算任務、係統架構（特彆是針對並行執行環境的特性）以及性能度量（如加速比、效率、響應時間）的基本概念。任務建模與依賴關係：詳細分析瞭不同類型的並行任務模型，包括數據並行、任務並行、數據流圖（DFG）、以及更具挑戰性的混閤模型。我們將重點放在如何將實際應用轉化為可調度的計算圖，並探討拓撲排序、關鍵路徑分析在預調度決策中的作用。係統抽象與資源模型：討論瞭如何對異構並行係統（如CPU-GPU混閤係統、集群網絡）進行建模。不同於僅僅描述硬件規格，本書強調建立能夠反映調度約束（如內存帶寬、通信延遲、功耗限製）的抽象資源模型，這對於製定實際可行的調度策略至關重要。經典調度理論迴顧：深入探討瞭經典的調度理論框架，如列錶調度（List Scheduling）的變體、臨界區調度（Critical Path Scheduling）的局限性，以及如何將經典理論擴展到具有復雜通信拓撲和非均勻處理能力的現代係統中。第二部分：單機多核與眾核調度本部分專注於單個物理節點內部的調度，這在現代服務器和高性能工作站中極為常見。操作係統級綫程調度器的演進：我們分析瞭傳統操作係統（如Linux CFS、Windows 調度器）在麵對多核或眾核（如Intel Xeon Phi或早期GPU架構）時的局限性。重點在於軟件（用戶空間）層麵對硬件的感知與乾預。緩存與內存層次結構感知調度：探討瞭調度決策如何直接影響緩存命中率和內存訪問延遲。引入瞭“緩存友好型調度”的概念，設計瞭將相關數據和計算單元綁定到同一核心或共享緩存區域的策略，以最大限度地減少跨核的緩存失效代價。能效與熱點管理：在功耗和熱限製日益嚴格的背景下，本部分詳細討論瞭如何將能耗（Power）作為關鍵優化目標。分析瞭動態電壓和頻率調節（DVFS）機製對調度帶來的影響，並提齣瞭功耗限製下的最優任務分配算法，確保係統性能在可持續的能耗範圍內。眾核架構的專用調度：針對大規模片上多核（Many-core on-chip）架構，如GPU的SM（Streaming Multiprocessor）調度，研究瞭綫程束（Warp/Wavefront）的並發管理、指令級並行與內存閤並的優化調度技術。第三部分：大規模集群與分布式係統調度本部分將視野擴展到跨越網絡邊界的大規模並行環境，如數據中心和超級計算機。作業管理與資源預留係統：詳細介紹瞭主流的資源管理係統（如Slurm、Mesos/Marathon、Kubernetes的調度組件）的工作原理。本書側重於分析這些係統如何處理大規模的批處理作業（Batch Jobs）和交互式作業的混閤負載。網絡拓撲與通信感知調度：在分布式係統中，通信開銷往往超過計算本身。本節深入研究瞭如何利用網絡拓撲信息（如Fat-Tree、Torus）來指導任務分配，最小化跨越交換機或網絡的通信路徑長度。討論瞭基於消息傳遞接口（MPI）作業的拓撲感知映射技術。異構集群的負載均衡與遷移：探討瞭在CPU、GPU、FPGA等異構資源並存的集群中，如何實現跨越不同類型節點的有效負載均衡。分析瞭任務遷移的成本與收益權衡，以及在故障發生時如何快速進行魯棒性調度。第四部分：高級調度範式與前沿研究本部分探討瞭超越傳統靜態調度的動態、自適應以及智能化方法。在綫與自適應調度：討論瞭當係統狀態、任務到達速率或任務執行時間在運行時發生變化時，調度器必須采取的策略。重點研究瞭反饋控製機製在維持係統穩定性和性能方麵所起的作用，以及如何設計對預測誤差不敏感的調度算法。容器化與微服務環境下的調度：隨著雲原生技術的成熟，理解容器（Docker, CRI-O）和編排係統（Kubernetes）如何在其調度層處理並行任務變得至關重要。分析瞭cgroup、命名空間如何限製資源，以及更高級彆的調度器（如Gang Scheduler）如何保證一組相互依賴的並行任務能夠原子性地啓動和運行。基於學習的調度方法：介紹如何利用強化學習（Reinforcement Learning, RL）和模仿學習來訓練調度策略。探討瞭如何定義閤適的奬勵函數，以指導智能體在復雜、高維的調度決策空間中搜索齣超越傳統啓發式算法的最優解。分析瞭將RL應用於作業優先級排序和資源分配的實際案例。結論：麵嚮未來的調度挑戰本書最後總結瞭當前並行調度領域麵臨的開放性問題，包括極大規模係統的可擴展性、量子計算等新興範式下的調度需求，以及確保調度公平性和透明性的社會計算要求。本書並非提供一蹴而就的萬能藥方，而是提供瞭一個堅實的知識框架，使讀者能夠批判性地評估現有技術，並為下一代並行計算係統的挑戰做好準備。本書特色：本書的獨特之處在於其跨越瞭從操作係統內核到大規模分布式框架的廣闊視野，理論推導與工程實踐緊密結閤。書中包含瞭大量的僞代碼示例、性能分析圖錶以及對關鍵調度算法的復雜度分析，確保讀者不僅理解其概念，還能掌握其實施細節。我們緻力於揭示調度決策背後的“為什麼”和“如何”，而非僅僅停留在錶層的工具介紹。