Programming 版 (精华区)

发信人: JJason (C++ Primer), 信区: Programming
标  题: 使用POOMA进行科学计算(节选)
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年11月17日22:47:34 星期天), 站内信件

这本是发表在C++ User Journal 2002.11 期上面的一篇文章，
我已经将全本贴在本版。现在试着翻译了起面的两段，
贴出来给大家看看，如果有用，你尽量再去查看原文。
首次翻译，斗胆贴了出来，肯定有不少错误的地方，还望多多指教：）

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                    使用POOMA进行科学计算(节选)
                                    作者: Jeffery D. Oldham     翻译: JJason
 
科学家和程序员们将科学变成算法，并用程序实现了它们。科学和算法对科学家的确很
有趣，但用程序实现它们就不那么有趣了。科学家希望实现算法的程序正确、高效，又灵活
快速。

由洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的POOMA( Parallel Object-Oriented Methods and 
Application, 并行面向对象方法及应用 )工具包，解决了这个难题。这个工具包提供了一
组高级的C++工具，可以快速地用程序实现许多科学算法。这个工具包让科学家能够方便地
使用诸如数组、场、数据并行表达式之类的工具，同时将底层的计算机知识隐藏起来。
在本次话题中，我将向读者介绍POOMA工具包，并且展示POOMA工具包如何简化"将科学算法
翻译为程序"的任务。随后，我将说明如何使用POOMA实现二维扩散算法。我将对程序进行
个别改动，让它可以使用上千个处理器地计算机上运行。通过本文，读者将看到卡方源码
工具包可以大大简化并且加快科学算法的编程。

从算法到程序的容易转变

POOMA的概念和语法符号常用于描述科学算法。因此，采用POOMA撰写的科学的程序是这样
的：

●   易于编写；
●   非常简短；
●   易于调试；
●   通常正确。

例如，一个数学公式x=3sin((v-w)/π)-4.2cos(w*w) 可以直接转化为C++代码：
x = 3.0*sin((v-w)/M_PI)
    -4.2*cos(w*w)
式中v,w,和x可以是标量数值，可以是向量，可以是矩阵，甚至可以是数值的容器。由于PO
OMA容器自动地分配和释放内存来存储数据，内存的分配和释放错误概率降低了。此外，容
器是最好的概念，因此它们能用做函数文件，也可以像内建数据一样简单第进行拷贝。

由于工具包可以自动地进行处理器之间的通信，熟悉顺序编程的程序员可以容易地写出运
行在数千个处理器上的程序。由于同样的可执行程序可以运行在任意多个处理器上，许多P
OOMA程序都在单处理器工作站上调试，然后在多处理器计算机上运行而不需任何额外的工
作。

所有的这些益处加速了将算法转化为程序的速度，因此科学家可以将时间用于对他们重要
的事情：科学。例如，洛斯阿拉莫斯国家实验室的4人小组利用POOMA来实现广泛的物理仿
真试验，平均仅用两天就可以将一篇科学论文转化问程序。

有三个概念是你要利用POOMA工作所必须理解的：
●   容器：POOMA的容器支持数据的存取。POOMA的数组(Array)扩展了C++的数组的功能，
支持多维和数据并行的表达式。其他POOMA的容器，包括场(Field)( 其支持以场为基础的
科学计算，这种计算数值是存放在网格中 )，向量(Vectors)，矩阵(Matrixes)，和张量(T
ensors)。
●   计算方式：计算方式是描述容器中存储的数据的计算语法。C和C++程序员习惯按元素
计算方式，这种方式容器中的每个值都是单独取得的。许多常见的数学操作符需要的是数
据并行方式，这种方式许多数值是同时取得的( 参考工具条，"POOMA数据并行计算语法")
。其他计算公式包括模板(原文为stencils)( 本文后面有说明 )和关连计算(原文为relati
onal computation)。关连计算实现了懒散赋值，这样一个容器的值依赖于其他几个容器的
值。
●   计算环境：计算环境将要运行程序的机器和操作系统。使用执行程序的一个线程的顺
序计算对于程序员是很熟悉的。POOMA也支持采用SPMD( Single-program, 
Multiple-data )模型的分布式编程，这种模型非常适用于科学计算。任意个处理器都可以
使用不同的数据来执行相同的程序。

POOMA工具包

POOMA工具包是实现科学和技术算法的多用途库。它曾经被用于仿真天气模型中的水平对流
，仿真扩散过程，例如本文描述的中子扩散程序( 可从<www.cuj.com/code>下载 )，还可
以解决线性方程系统问题。它可以用于存油池的建模，或者预言经济观点的价值。POOMA已
经用于实现Conway的生命的游戏(John Conway以某些规则来模拟生命细胞生、死等等，不
过不是真正的游戏，而是比较经典的程序，译者非科班出身，不知确切翻译)。这些程序已
经运行于台式计算机和拥有数千个处理器的大型平行计算机上。POOMA工具包提供了一套广
泛的工具。为了存储成组的数据，它提供了一维和多维数组和场等容器。经常编写科学和
技术性程序的人都知道，数值的数组(或网格)是程序的核心。场容器扩充了三维空间的概
念，这样数值不但可以存储而且数值之间的距离也可以计算。容器中的数值可以单独进行
处理，但数据并行处理数据的操作类似于Fortran 90。模板(原文为stencils)支持局部计
算，如在Conway的生命的游戏中，细胞的生和死都取决于期周围它相邻的值。这个工具包
提供了向量、矩阵和张量类以及数学操作符。它可以支持多处理器计算，并以最小的代价
实现处理器间的通讯。程序员只需要指定容器中的数据如何分发到各个处理器中，POOMA就
可以自动保证处理器间的通讯。这样,同样的石油存油池计算程序可以在台式计算机模拟小
的场，也可以在许多计算机上来模拟巨大的场。
 
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     人生，就是一团欲望：
     欲望没有满足的时候就是痛苦，
     欲望被满足的时候就是无聊；
     人生就是在痛苦与无聊之间徘徊。

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.229.69]
※ 修改:·JJason 於 11月18日08:54:50 修改本文·[FROM: 202.118.229.69]