使用.net Remtoing并行計(jì)算
摘要，本文分析了一個(gè)使用.net romoting進(jìn)行并行計(jì)算PI值的程序，

并給出結(jié)果及性能分析。



在MSDN上發(fā)現(xiàn)一篇文章是介紹如何使用.net Remoting進(jìn)行并行計(jì)算的，剛好本人對(duì)并行計(jì)算很有興趣，于是仔細(xì)地分析了一下此程序的代碼。原文及程序可以在此處獲得。由于覺得原文只是作了一個(gè)大致的講解，有很多細(xì)節(jié)只是掩藏在源代碼中，所以在花了很多時(shí)間分析完源程序后，才對(duì)原文有了很深的理解，疏理出一些內(nèi)容出來和大家分享。



一． 概述

.NET Remtoing用于在遠(yuǎn)程服務(wù)器和客戶機(jī)之間互相調(diào)用對(duì)象，這些對(duì)象是存在于同一AppDomain中的。它使用Soap或二進(jìn)制的方式傳遞消息（即要調(diào)用的對(duì)象），傳送協(xié)議為HTTP或TCP。



二． Remoting如何實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算？

.NET Remoting與并行計(jì)算好像是兩個(gè)不同的概念，前者更類似于分布式計(jì)算和Web Service，而后者實(shí)際上是計(jì)算粒度更小的任務(wù)，但它將一個(gè)計(jì)算任務(wù)分配給多個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算，然后匯總成一個(gè)結(jié)果返回。

根據(jù)以上思想，實(shí)現(xiàn)上將分布的對(duì)象的粒度設(shè)計(jì)小一點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。并行計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵因素是進(jìn)程（或子任務(wù)）間通訊，而我們把.net remoting中的對(duì)象間通訊作為進(jìn)程間通訊即可。

本例并行計(jì)算Pi的小數(shù)點(diǎn)，精確到N位。使用.net remoting可以如下實(shí)現(xiàn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行相同的程序，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算不同位置的小數(shù)位，如NodeA計(jì)算小數(shù)點(diǎn)后1-9位，NodeB計(jì)算10-18位，NodeC計(jì)算19-27位，這樣最終匯總的結(jié)果就可以有1-27位。由于是并行計(jì)算，比起單機(jī)計(jì)算，時(shí)間要快上很多倍，其加速比與每臺(tái)節(jié)點(diǎn)的速度及整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的速度有關(guān)。計(jì)算模型如下圖所示：


三． 并行算法

要進(jìn)行并行計(jì)算，首先要設(shè)計(jì)好并行算法和通訊模式。由于我們只是在PC機(jī)群進(jìn)行并行計(jì)算，所以采用了最簡單的主從式并行模型，即由一個(gè)主進(jìn)程負(fù)責(zé)任務(wù)的分發(fā)，結(jié)果的歸約，將子任務(wù)平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上計(jì)算。

但實(shí)際上本文中使用的并不是平均分配任務(wù)，而是更好的任務(wù)池工作方式。即每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算完一個(gè)子任務(wù)后，會(huì)向主進(jìn)程申請(qǐng)新的任務(wù)，一直到任務(wù)全部計(jì)算完為止，這樣的好處是計(jì)算能力越強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算的任務(wù)也越多。比起平均分配來說可以提高總體的計(jì)算和減少同步時(shí)間。






四． 程序結(jié)構(gòu)

此程序主要由以下幾個(gè)包組成，


l 4．1）　ServerLoader

用于加載提供可遠(yuǎn)程調(diào)用的服務(wù)器對(duì)象，指定調(diào)用使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和端口，以便于在局域網(wǎng)中被調(diào)用，然后偵聽來自客戶端的請(qǐng)求，在服務(wù)器上處理此請(qǐng)求并返回結(jié)果。

簡單來說即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須運(yùn)行ServerLoader程序，以向外界聲明可被調(diào)用的對(duì)象（即Plouffe_bellard.dll中的對(duì)象）。



以下代碼為調(diào)用配置文件：

String ConfigFilePath = Path.GetDirectoryName(Application.ExecutablePath) +　ServerLoader. exe.config";

RemotingConfiguration.Configure(ConfigFilePath);



配置文件為：ServerLoader.exe.config

<configuration>

<system.runtime.remoting>

<application name = "ServerLoader">

<service>

<wellknown

mode="SingleCall"

type="PB.Plouffe_Bellard,Plouffe_Bellard"

objectUri="Plouffe_Bellard"/>

</service>

<channels>

<channel ref="tcp server" port="9000"/>

</channels>

</application>

</system.runtime.remoting>

</configuration>





l 4．2）　Plouffe_bellard

這就是.NET Remoting中的實(shí)際被調(diào)用的遠(yuǎn)程對(duì)象，它被置于每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。它是繼承自System.MarshalByRefObject，這樣的派生對(duì)象從來都不會(huì)離開它的應(yīng)用域，客戶就可以通過代理對(duì)象調(diào)用遠(yuǎn)程對(duì)象的方法。

它是用來計(jì)算圓周率PI的小數(shù)點(diǎn)位數(shù)的程序，Plouffe_Bellard算法具有很好的并行性，它可以指定要計(jì)算的小數(shù)點(diǎn)的位置，如第二節(jié)所述。

其函數(shù)形式為：



public class Plouffe_Bellard : System.MarshalByRefObject

{

public String CalculatePiDigits(int n)

{ … }

}



l 4．3）DigitsOfPi

此子基礎(chǔ)上為整個(gè)項(xiàng)目核心部分，可作為客戶端程序運(yùn)行。它主要實(shí)現(xiàn)主界面UI處理、節(jié)點(diǎn)配置，多線程創(chuàng)建與同步，計(jì)算任務(wù)分配與匯總的功能，只需要在任何一臺(tái)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行即可。包括以下幾個(gè)對(duì)象：

MainForm，SolutionArray，SolutionItem，RemotingObject，CalculationThread。

n mainForm：即處理UI對(duì)象

n SolutionArray是并行線程分配與管理程序，如:任務(wù)池創(chuàng)建、任務(wù)分配、線程創(chuàng)建、同步線程, 匯聚結(jié)果等。

n SolutionItem即任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括要計(jì)算的小數(shù)點(diǎn)位, 計(jì)算的結(jié)果, 計(jì)算的在機(jī)器。

n RemotingObject是RemotePiCalculator，用于獲取遠(yuǎn)程對(duì)象。

n CalculationThread：計(jì)算模塊，在線程中運(yùn)算（由SolutionArray產(chǎn)生和調(diào)用），并不斷從任務(wù)池中取得任務(wù)進(jìn)行計(jì)算。



以下為這幾個(gè)對(duì)象的序列圖：








當(dāng)遠(yuǎn)程對(duì)象的CalculatePiDigits被客戶端程序調(diào)用時(shí)，此要求即被發(fā)送到遠(yuǎn)程機(jī)器的ServerLoader對(duì)象。然后服務(wù)器上的對(duì)象就會(huì)計(jì)算結(jié)果。最后將計(jì)算的結(jié)果返回給客戶端程序，顯示在文本框中。



五． 結(jié)果分析

機(jī)器配置說明

MOORE 700MHz AMD Duron 192M SDR

LOZIT 1.8GHz Batumn 256M DDR

時(shí)間比較




由于算法的特性，計(jì)算到高位時(shí)可以看到計(jì)算速度逐漸變慢。在我們的機(jī)器上，算到第3000位附近速度已經(jīng)是非常之慢，忍受不住終于中斷，一共計(jì)算了3330位，共耗時(shí)719545 ms，即12分鐘。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)只能與同一子網(wǎng)中其它節(jié)點(diǎn)相連才有效，要與子網(wǎng)外的節(jié)點(diǎn)相連，可能要涉及.net 中的更高級(jí)話題，就不太清楚了。



六． 后記：

本文中的并行算法相對(duì)簡單，沒有涉及并行計(jì)算的高級(jí)算法及其它內(nèi)容，如子任務(wù)間并沒有傳遞數(shù)據(jù)。使用.net remoting是否適合作并行計(jì)算呢？當(dāng)在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中已經(jīng)有現(xiàn)成的MPI，MVP等并行通訊庫可用時(shí)？如果可以出現(xiàn)MPI for C#，那真是一大福音。（好像俄羅斯的專家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)項(xiàng)目，叫做T-System[2]）。如果有時(shí)間，希望會(huì)在以后我文章中繼承研究用.net remoting進(jìn)行并行計(jì)算。國外的一些研究組好像已經(jīng)有不少開始這方面的研究，希望有興趣的朋友和本人聯(lián)系，一同探討。