網(wǎng)格中比較CPU計算能力的一種方法

引 言

在網(wǎng)格計算中，常常需要使用多臺計算機(jī)協(xié)同工作完成一臺超級計算機(jī)才能完成的計算任務(wù)，為實現(xiàn)上述目標(biāo)，首先應(yīng)通過網(wǎng)格信息服務(wù)獲得網(wǎng)格中各臺主機(jī)CPU計算能力的指標(biāo)，然后進(jìn)行判斷選擇，決定由哪些主機(jī)參與計算。

當(dāng)前，已有的網(wǎng)格信息服務(wù)模塊、網(wǎng)格監(jiān)控模塊，如MDS2將系統(tǒng)平均負(fù)載作為反映CPU狀態(tài)的動態(tài)指標(biāo)提供給用戶；另外，通過系統(tǒng)命令或系統(tǒng)調(diào)用也可以獲得 CPU使用率這個動態(tài)指標(biāo)。系統(tǒng)平均負(fù)載是在特定時間間隔內(nèi)運(yùn)行隊列中的平均進(jìn)程數(shù)，CPU使用率表示CPU使用程度的指標(biāo)，能夠反映出CPU的工作狀態(tài)，但由于網(wǎng)格中CPU型號性能的差異，因此，無法用它們直接比較網(wǎng)格中CPU的計算能力。

為直接比較網(wǎng)格中主機(jī) CPU的計算能力，獲得具有可比性的反映CPU計算能力的指標(biāo)，我們采用計算量動態(tài)選擇算法，在各臺主機(jī)上周期性地瞬間執(zhí)行計算量適中的Whestone 基準(zhǔn)計算，通過PAPI接口編程對CPU所完成的浮點數(shù)計算進(jìn)行精確計數(shù)，用得到的每秒百萬浮點數(shù)MFLOPS作為比較主機(jī)CPU計算能力的指標(biāo)，定義為 WMFLOPS。得到WMFLOPS后，通過Globus提供的監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)服務(wù)（Monitoring and Discovery Service，MDS），將該指標(biāo)作為資源信息進(jìn)行發(fā)布，作為比較網(wǎng)格節(jié)點CPU計算能力的依據(jù)，為用戶選擇計算節(jié)點提供參考。我們編寫了程序 WfpSensor用于上述方法的實現(xiàn)。WfpSensor作為傳感器工作于網(wǎng)格中的各個節(jié)點，周期性地對CPU進(jìn)行計算測試，獲得WMFLOPS的返回值，同時，WfpSensor也是MDS服務(wù)中的本地信息提供者，定時將最新的WMFLOPS值傳遞給MDS系統(tǒng)，供用戶查閱。

計算測試子程序

CPU 的計算能力主要體現(xiàn)在浮點數(shù)計算能力、定點數(shù)計算能力和矩陣計算能力等方面，其中某一類程序在CPU上運(yùn)行的效果并不能全面地反映CPU的計算能力，所以許多國際基準(zhǔn)組織開發(fā)了測試CPU計算能力的基準(zhǔn)測試程序，在這類程序中進(jìn)行的操作和運(yùn)算可以相對全面客觀地考察CPU的計算能力。本文方法采用綜合型基準(zhǔn)測試程序Whestone作為WfpSensor的計算測試子程序，Whestone程序中主要包括浮點運(yùn)算、整數(shù)運(yùn)算、涉及到數(shù)組下標(biāo)索引、子程序調(diào)用、參數(shù)傳遞、條件轉(zhuǎn)移和三角/超越函數(shù)等，可以綜合考察CPU提供的計算能力。

返回指標(biāo)WM FLOPS

WfpSensor 進(jìn)程對CPU進(jìn)行計算測試后，取出CPU在測試過程中的指標(biāo)來反映CPU的計算能力。絕大多數(shù)網(wǎng)格計算都是科學(xué)計算，而浮點計算是科學(xué)計算程序中最主要的計算，所以選用每秒百萬浮點數(shù)MFLOPS作為反映CPU計算能力的指標(biāo)。MFLOPS反映了CPU的浮點計算能力，并且MFLOPS是基于操作而非指令的，可以用它來比較兩種不同CPU的計算能力。由于是調(diào)用Whestone程序進(jìn)行測試所得的結(jié)果，因此定義該指標(biāo)為WMFLOPS。

指標(biāo)精確計數(shù)

指標(biāo)確定后，如何在WfpSensor中精確得到Whestone計算結(jié)束后的WMFLOPS值成為問題的關(guān)鍵。由美國田納西大學(xué)計算機(jī)學(xué)院創(chuàng)新計算實驗室開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口PAPI（ portable application programming interface）能夠滿足上述要求。該軟件通過CPU上的硬件計數(shù)器，對CPU運(yùn)行時產(chǎn)生的某些事件進(jìn)行計數(shù)，并建立了一個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口方便用戶讀出計數(shù)器的值，通過這些值就可以了解當(dāng)前CPU的工作狀態(tài)。由于CPU生產(chǎn)廠商及型號的不同，CPU硬件計數(shù)器所計數(shù)的硬件事件會有所不同，為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的名稱，使同一工具可以計數(shù)相似的可比較事件，促進(jìn)跨平臺調(diào)試程序的能力，PAPI開發(fā)者選擇了一套和調(diào)試應(yīng)用程序相關(guān)的硬件事件稱為預(yù)定義事件，作為反映CPU當(dāng)前工作狀態(tài)的指標(biāo)。這些指標(biāo)是跨平臺的通用事件，包括了大部分主流RISC類事件，并且盡可能把這些預(yù)定義事件映射到給定CPU的硬件計數(shù)器事件中。在本文方法中，使用了PAPI_FP_INS這個PAPI預(yù)定義事件，它表示進(jìn)程執(zhí)行過程中完成的浮點數(shù)計算。PAPI提供了精確的計時器，精確到微秒，能夠準(zhǔn)確地對進(jìn)程的執(zhí)行時間進(jìn)行計時，如果經(jīng)計數(shù)，PAPI_FP_INS事件總數(shù)為n，計算執(zhí)行時間為t（單位：μs） ，那么WMFLOPS=n/t。

計算量動態(tài)選擇

采用計算測試CPU的計算能力，必須保證以下兩點：

（1） 測試進(jìn)程應(yīng)盡可能不影響CPU的正常工作，當(dāng)然由于測試進(jìn)程的引入必將影響到CPU正常運(yùn)行，應(yīng)設(shè)法讓這種影響降到一個可以接受的程度，并且使計算給系統(tǒng)帶來的開銷盡可能小。

（2） 測試進(jìn)程要有一定的計算量，如果計算量過小，會使初始化、函數(shù)調(diào)用等操作消耗的時間在進(jìn)程的執(zhí)行時間t中占有較大的比重，從而使WMFLOPS的值比真實值小，影響測試結(jié)果的精確性。

為同時保證（1）需要較小的計算量和（2）需要較大的計算量，選擇合適的測試計算量十分重要，為此，提出采用計算量動態(tài)選擇的算法確定計算量。

計算量的大小控制可以通過改變WfpSensor中調(diào)用Whestone程序的次數(shù)（NUM_LOOPS）實現(xiàn)。假定使計算執(zhí)行時間t（單位：s）在 0.5～1.5的計算量是合理值，計算量調(diào)節(jié)系數(shù)為xs。WfpSensor啟動時，NUM_LOOPS賦初值。調(diào)用Whestone計算結(jié)束后，如果：

（1） 0.5≤t≤1.5，在合理區(qū)間內(nèi)，NUM_LOOPS的值保持不變。

（2） t>1.5，計算量偏大，下次測試應(yīng)減小Whestone的調(diào)用次數(shù)，則NUM_LOOPS=NUM_LOOPS/xs。xs為t四舍五入后的整數(shù)值。

（3） t<0.5，計算量偏小，下次測試應(yīng)增加Whestone的調(diào)用次數(shù)，則NUM_LOOPS=NUM_LOOPS3xs。xs為（1/t）四舍五入后的整數(shù)值。

具體算法如下：

start_usec=PAPI_get_real_usec（）；//通過PAPI函數(shù)獲得計算開始時的時刻

do_wst（NUM_LOOPS）；//Whestone寫成函數(shù)，對它進(jìn)行調(diào)用，NUM_LOOPS是調(diào)用次數(shù)

end_usec=PAPI_get_real_usec（）；//通過PAPI函數(shù)獲得計算結(jié)束時的時刻

t=（end_usec-start_usec）；//獲得計算執(zhí)行的時間

if（t>1.5）//根據(jù)本次計算執(zhí)行時間決定下次測試的調(diào)用次數(shù)

{

if（（t-floor（t））>0.5）//取最靠近t的整數(shù)

xs=floor（t）+1；

else

xs=floor（t）

NUM_LOOPS=NUM_LOOPS/xs；//修改調(diào)用次數(shù)

}

else

if（t<0.5）

{

if（（1/t-floor（1/t））>0.5）//取最靠近1/t的整數(shù)

xs=floor（1/t）+1；

else

xs=floor（1/t）；

NUM_LOOPS =NUM_LOOPS3xs；//修改調(diào)用次數(shù)

}

性能評價

為證實本文方法檢測CPU計算能力的效果，在使用Intel賽揚(yáng)1.3 GHz CPU的主機(jī)上（操作系統(tǒng)為WindowsXP），運(yùn)行WfpSensor，做以下實驗。在實驗中，使用計算π值的科學(xué)計算軟件Superπ和另一基準(zhǔn)測試軟件Linpack作為主機(jī)的計算任務(wù)，WfpSensor設(shè)置為每10s采樣一次。為使檢測效果具有可比性，我們編寫了檢測CPU使用率的另一程序 CPUusage對CPU的使用率進(jìn)行記錄，CPUusage也是每10s采樣一次。在同樣的計算條件下，分別由WfpSensor和CPUusage對 CPU的計算能力進(jìn)行測試。

穩(wěn)定性

本實驗檢測WfpSensor和 CPUusage測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，機(jī)器啟動后，不運(yùn)行任何程序，分別用WfpSensor和CPUusage進(jìn)行5min測試，所得 WMFLOPS，NUM_LOOPS和CPU使用率如圖1所示，NUM_LOOPS初始值為4000。

由圖1可見，在未運(yùn)行任何用戶程序時，與CPUusage所測數(shù)據(jù)一樣，WfpSensor所測數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，都可以反映出CPU的計算能力。

圖1

靈敏性

檢測WfpSensor和CPUusage對CPU計算負(fù)載變化的靈敏性。在監(jiān)控程序啟動35s后，運(yùn)行Superπ（計算1M位π值），再過45s運(yùn)行 Linpack。5min15s結(jié)束測試，所得WMFLOPS，NUM_LOOPS和CPU使用率如圖2所示。

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網(wǎng)格中比較CPU計算能力的一種方法 （3）

2012-04-06 18:58:21   作者：郭　東，鞠九濱，胡　亮    來源：吉林大學(xué)學(xué)報

關(guān)鍵字：網(wǎng)格 CPU 計算能力 發(fā)現(xiàn)服務(wù)

圖2

由圖2可見，WfpSensor能夠根據(jù)CPU當(dāng)前狀態(tài)自動選擇計算量，WMFLOPS的值能夠反映出CPU計算能力的動態(tài)變化情況，而CPU使用率的值則不能動態(tài)反映CPU的計算能力。

測試開銷

用測試計算的運(yùn)行時間說明這個問題。在圖2（A）的實驗中，記錄了測試計算的執(zhí)行時間如圖3所示。在設(shè)計算法時，已假定測試計算執(zhí)行時間在0.5～1.5 s范圍內(nèi)是合理值，即為可以接受的測試開銷。如圖3所示，除4個拐點的測試計算執(zhí)行時間值外，其他測試計算執(zhí)行時間值穩(wěn)定于1s左右，符合要求。當(dāng)然，如果認(rèn)為1 s的測試執(zhí)行時間開銷較大，還可以根據(jù)實際情況修改算法，設(shè)置合理的測試計算執(zhí)行時間的區(qū)間。

圖3

實驗結(jié)論

以上實驗數(shù)據(jù)證明，WfpSensor將PAPI和Whestone結(jié)合使用測試CPU計算能力的方法是可行的，而且準(zhǔn)確、有效。動態(tài)計算量的選擇保證了 WfpSensor的測試計算開銷保持在合理的范圍內(nèi)，PAPI提供的獨立于硬件和操作系統(tǒng)的編程接口保證了返回指標(biāo)計數(shù)的精確性。

WfpSensor的網(wǎng)格應(yīng)用

WfpSenor跨平臺使用的可行性

WfpSensor 的返回指標(biāo)WMFLOPS可以反映出一臺主機(jī)CPU不同時刻的計算能力，可以用于相同平臺或不同平臺主機(jī)CPU計算能力的比較。首先，WMFLOPS是 Whestone程序結(jié)束后返回的MFLOPS值，浮點計算是基于操作而非指令的，所以它可以用來比較不同CPU的計算能力。其次，WMFLOPS是使用 PAPI編程接口通過CPU硬件計數(shù)器對PAPI_FP_INS事件進(jìn)行計數(shù)的值除以測試進(jìn)程的執(zhí)行時間t得到的，PAPI具有跨平臺性，這為 WfpSensor應(yīng)用于具有較大物理異構(gòu)性的網(wǎng)格環(huán)境提供了極大的支持；同時，PAPI_FP_INS是PAPI定義的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)定義事件，對于不同 CPU的比較更具參考性。

WfpSensor數(shù)據(jù)的發(fā)布

采用Globus中的監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)服務(wù)（MDS）將WfpSensor測得的WMFLOPS值發(fā)布出來，供用戶查詢和訂閱。MDS的功能包括信息的發(fā)現(xiàn)、注冊、查詢、修改、注銷等。WfpSensor作為WMFLOPS信息的提供者通過軟狀態(tài)注冊協(xié)議向MDS進(jìn)行注冊，并定期向MDS提供數(shù)據(jù)，用戶可以通過MDS系統(tǒng)查詢網(wǎng)格中各主機(jī)CPU的WMFLOPS值，用戶也可以向MDS訂閱WMFLOPS信息，從而了解WMFLOPS值的更新和變化。

CPU計算能力的比較

WMFLOPS 值反映了某一時刻主機(jī)CPU所能提供給新進(jìn)程的計算能力，因此WMFLOPS值越大，則說明主機(jī)CPU所能提供的計算能力越強(qiáng)。例如，用戶需要選取網(wǎng)格中的幾個節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)格計算，通過MDS查詢得到網(wǎng)格中5個節(jié)點A，B，C，D，E的最新WMFLOPS值分別為 150.78，89.65，225.38，50.22，189.62，如果僅從CPU計算能力方面考慮，則節(jié)點選擇的順序依次為C，E，A，B，D。也可以將WMFLOPS值結(jié)合MDS提供的內(nèi)存使用率等系統(tǒng)信息綜合考慮選擇計算節(jié)點。

綜上可見，本文提出了一種對網(wǎng)格中各節(jié)點CPU計算能力進(jìn)行直接比較的方法?；鶞?zhǔn)計算測試程序的應(yīng)用保證了測試的全面性、客觀性；計算量動態(tài)選擇算法保證了測試進(jìn)程既能精確地進(jìn)行測試，又不至于給系統(tǒng)帶來過多的開銷；通過PAPI接口，利用CPU計數(shù)器對指標(biāo)精確計數(shù)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；PAPI的跨平臺性保證了本方法可以應(yīng)用于軟硬件差別較大的網(wǎng)格環(huán)境中。實驗證明，本文方法能夠穩(wěn)定、靈敏地反映CPU的計算能力，用其比較不同CPU的計算能力正確、有效。