Результаты тестирования

 

Для нахождения ошибок общей памяти, отладчику требуется, чтобы существовало, по крайней мере, две нити в параллельной области. Поэтому тестирование проводилось на многопроцессорной системе с общей памятью IBM eServer pSeries 690 (Regatta). Для отладки была взята программа Jacobi, находящая приближенное решение уравнения Пуассона методом Якоби в двумерном случае.

Jacobi_org – программа без инструментации

Jacobi_dbg – программа с вызовом функций отладчика

 

Таблица 2: время выполнения программ

программа	2 нити	4 нити	8 нитей
Jacobi_org	5.748	2.958	1.496
Jacobi_dbg	5294	2794	2351

 

Следует отметить, что отладчик обладает не полной функциональностью, т.е. не были реализованы некоторые части алгоритмов, такие как обработка common-блоков, работа с threadprivate-переменными, а также обработка директивы ORDERED и механизма замков. Все же, полученное время выполнения программы близко к окончательному, так как добавление обработки этих случаев не должно сильно повлиять на производительность.

Из таблицы видно, что при отладке программа замедляется примерно в 900 раз при работе на 2-х и 4-х нитях. Это, несомненно, сильное замедление, однако, имеются возможности существенного снижения накладных расходов, за счет сокращения обрабатываемой информации.

Для демонстрации работы реализованного отладчика и сравнения его с Intel Thread Checker`ом была взята та же самая программа Jacobi. Запуск производился на одной и той же машине, обеспечивающей выполнение программы на 2 нитях.

Ниже приведен листинг корректной программы Jacobi. Обозначим его как Jacobi_correct.

1:  PROGRAM JAC

2:  PARAMETER (L=100)

3:  REAL A(L,L), EPS, MAXEPS, B(L,L)

4:  external omp_get_wtime;

5:  double precision omp_get_wtime;

6:  DOUBLE PRECISION sTime,eTime,dTime,st,et,dt;

7:  INTEGER ITMAX

8:

9:  sTime = omp_get_wtime();

10:

11:  ITMAX=1000

12:

13: !$OMP PARALLEL

14: !$OMP DO

15:  DO 1 J = 1, L

16:  DO 1 I = 1, L

17:  A(I, J) = 0.

18:  IF(I.EQ.1 .OR. J.EQ.1 .OR. I.EQ.L .OR. J.EQ.L) THEN

19:  B(I, J) = 0.

20:  ELSE

21:  B(I, J) = ( 1. + I + J )

22:  ENDIF

23:  1 CONTINUE

24: !$OMP END PARALLEL

25:

26:  st = omp_get_wtime();

27:  DO 2 IT = 1, ITMAX

28:  EPS = 0.

29: !$OMP PARALLEL DEFAULT (SHARED) PRIVATE (I,J) REDUCTION (MAX:EPS)

30: !$OMP DO

31:  DO 21 J = 2, L-1

32:  DO 21 I = 2, L-1

33:  EPS = MAX ( EPS, ABS( B( I, J) - A( I, J)))

34:  A(I, J) = B(I, J)

35:  21 CONTINUE

36: !$OMP DO

37:  DO 22 J = 2, L-1

38:  DO 22 I = 2, L-1

39:  B(I, J) = (A( I-1, J ) + A( I, J-1 ) + A( I+1, J)+

40:  * A( I, J+1 )) / 4

41:  22 CONTINUE

42: !$OMP END PARALLEL

43:

44:  et = omp_get_wtime();

45:  dt = et - st;

46:  st = et;

47:  PRINT 200, IT, EPS, dt

48: 200 FORMAT('IT = ',I4, ' EPS = ', E14.7,' time = ',F14.6)

49:  2 CONTINUE

50:

51:  eTime = omp_get_wtime();

52:  dTime = eTime-sTime;

53:  print *, 'time = ', dTime

54:

55: C 3 OPEN (3, FILE='JAC.DAT', FORM='FORMATTED', STATUS='UNKNOWN')

56: C WRITE (3,*) B

57: C CLOSE (3)

58:  END

59:

 

Далее описана измененная часть программы Jacobi, в которую были внесены ошибки для демонстрации работы отладчиков. Обозначим данный вариант как Jacobi_error.

30:  init = 0

31:

32: !$OMP PARALLEL DEFAULT (SHARED) PRIVATE (I,J,i_test)

33: C REDUCTION (MAX:EPS)

34: !$OMP DO

35:  DO 21 J = 2, L-1

36:  DO 21 I = 2, L-1

37:  EPS = MAX ( EPS, ABS( B( I, J) - A( I, J)))

38:  A(I, J) = B(I, J)

39:  B(J,I)=A(J,I)

40:  21 CONTINUE

41:

42:  i_test = init

43:

44: !$OMP DO PRIVATE(init)

45:  DO 22 J = 2, L-1

46:  DO 22 I = 2, L-1

47:  B(I, J) = (A( I-1, J ) + A( I, J-1 ) + A( I+1, J)+

48:  * A( I, J+1 )) / 4

49:  i_test = init

50:  22 CONTINUE

51: !$OMP END PARALLEL

 

При запуске программы Jacobi_correct оба отладчика ничего не нашли.

Для программы Jacobi_error отладчик Inte Thread Checker (ITC) выдал диагностику, описанную в таблице 3.

 

Таблица 3: диагностика программы Jacobi_error отладчиком Intel Thread Checker

Short description	description	count
Write -> Read data-race	Memory read at "Jacobi_err.F90":37 conflicts with a prior memory write at "Jacobi_err.F90":37 (flow dependence)	4686295
Write -> Write data-race	Memory write at "Jacobi_err.F90":37 conflicts with a prior memory write at "Jacobi_err.F90":37 (output dependence)	5727667
Read -> Write data-race	Memory write at "Jacobi_err.F90":37 conflicts with a prior memory read at "Jacobi_err.F90":37 (anti dependence)	1041372
Write -> Read data-race	Memory read at "Jacobi_err.F90":37 conflicts with a prior memory write at "Jacobi_err.F90":39 (flow dependence)	2400402
Write -> Read data-race	Memory read at "Jacobi_err.F90":38 conflicts with a prior memory write at "Jacobi_err.F90":39 (flow dependence)	2400717
Write -> Read data-race	Memory read at "Jacobi_err.F90":39 conflicts with a prior memory write at "Jacobi_err.F90":38 (flow dependence)	2401245
Read -> Write data-race	Memory write at "Jacobi_err.F90":39 conflicts with a prior memory read at "Jacobi_err.F90":38 (anti dependence)	2401283
Read -> Write data-race	Memory write at "Jacobi_err.F90":39 conflicts with a prior memory read at "Jacobi_err.F90":37 (anti dependence)	315
Read -> Write data-race	Memory write at "Jacobi_err.F90":38 conflicts with a prior memory read at "Jacobi_err.F90":39 (anti dependence)	321

Диагностика программы Jacobi_error, выданная реализованным мной отладчиком (debugger), выглядит следующим образом.

(Jacobi_err.fdv:37 - Jacobi_err.fdv:37):variable eps - shared error(write-read)

(Jacobi_err.fdv:37 - Jacobi_err.fdv:37):variable eps - shared error(write-write)

(Jacobi_err.fdv:39 - Jacobi_err.fdv:37):array b - shared error(write-read)

(Jacobi_err.fdv:38 - Jacobi_err.fdv:39):array a - shared error(write-read)

Jacobi_err.fdv:49: variable init - init error

В таблице 4 приведены времена выполнения описанных программ для обоих инструментов (ITC, debugger), включая контрольный запуск программы без отладки (original).

 

Таблица 4: Время выполнения программ в секундах.

	original	debugger	ITC
Jacobi_correct	0,66	183	193
Jacobi_error	0,87	322	438

 

Заключение

 

В рамках проделанной работы были разработаны алгоритмы нахождения ошибок, описанных в постановке задачи, а также на их основе создан отладчик, осуществляющий динамический контроль корректности OpenMP-программ, написанных на языке Fortran 77.

Общий объем исходного кода разработанного отладчика составил около 4000 строк.

Было проведено тестирование, которое позволило оценить замедление скорости работы программы под управлением отладчика, а так же увеличение объема потребляемой памяти. Дополнительно реализованный отладчик был сравнен с существующим отладчиком Intel Thread Checker.

Для применения отладчика для реальных производственных программ, которые невозможно отлаживать на модельных исходных данных, требуется реализовать методы выборочного контроля, позволяющие кардинально сократить накладные расходы, сохранив высокую вероятность обнаружения ошибок и их точную локализацию.

Литература

 

1. OpenMP Application Program Interface Version 2.5 May 2005 [PDF](http://www.openmp.org/mp-documents/spec25.pdf)

2. Christian Terboven. Comparing Intel Thread Checker and Sun Thread Analyzer. 2007. [PDF](http://www.fz-juelich.de/nic-series/volume38/terboven.pdf)

3. M. Suess, C. Leopold. Common mistakes in OpenMP and how to avoid them. 2006. [PDF](http://www.michaelsuess.net/publications/suess_leopold_common_mistakes_06.pdf)

4. Sun Studio 12: Thread Analyzer User'sGuide. 2007 [HTML,PDF](http://docs.sun.com/app/docs/doc/820-0619)

5. Intel Thread Checker 3.1 – Documentation. [PDF](http://software.intel.com/en-us/articles/intel-thread-checker-documentation/)