浅谈面向对象的并行计算

【摘要】现实世界的行为是并行的，因此为了研究现实世界的并行行为并且将其抽象模拟到计算机世界中，对于面向对象的并行技术的研究变得非常有意义。本文主要讨论了什么是面向对象的并行技术，并行技术的主要方式是并行计算，并行计算的一些新的发展趋势，并行计算面临的新挑战等问题。

【关键词】面向对象；并行程序设计；分布对象；并行计算；多线程

在过去的30年间，中国各大高校的研究团队已经形成了一个研究体系，专门研究计算机的并行技术。这个体系用一个通俗的话来概括就是并行技术研究的生态环境，在此环境中我们对并行技术做了个简明的概括，并且对并行技术中的各个知识点以及近年来的发展趋势、面临的一些新的挑战做了一个展望。

1.并行技术的简介

1.1 什么是面向对象技术

长久以来计算机学者们就在研究一种系统的方法能够使现实世界抽象到计算机世界中。面向对象就是在这个大环境下产生的。面向对象的基本思想就是，客观世界是由不同的对象组成，每种对象都有各自的属性和运动规律（或者称为自己主动发生的方法和被外部对象触发的事件）。不同对象之间是可以相互作用和联系的，而这些就构成了我们所说的客观世界。

面向对象的技术面世以来首先是在编程语言方面取得了长足的发展如：C语言、VB语言、Java语言、C++语言等等，慢慢的又延伸到软件开发的前期过程（即软件的分析与设计阶段），现在面向对象的技术已经渗透到软件行业的各个环节之中（包括面向对象的程序设计语言，面向对象的数据库设计（SQL）、面向对象的用户界面设计等）。为了理解“面向对象”的概念，我们首先要对“对象”这个术语进行解释。

“对象”是一个现实世界中的实体，它是“数据”和“程序”结合的产物。以手机为例，手机是我们现实世界中的一个实体，它在计算机就是一个对象，手机有一些自身的属性，包括手机的颜色为黑色，手机的重量为100g等，这些属性我们称之为数据；手机还有一些功能，包括手机可以播放音乐，视频，拨打电话、发信息，当手机来电时还可以接听电话。这些功能有一些是手机主动做的，还有一些事被触发的，如接听来电就是属于被触发事件，这些都是属于对象的程序。

我们常常说一个对象“封装”了数据和程序，这意味着用户不能看见对象“封闭壳”的内部，但可以通过调用对象的程序部分来使用对象。这和传统程序设计最大的区别就在于，传统程序设计中我们必须要清楚的指出计算机的每个步骤，即清楚的告诉计算机如何做，而现在我们只需要在开始时输入参数就可以在最后得到结果，即现在只需要告诉计算机做什么。

术语“面向对象”粗略地说就是对象封装和继承的组合。术语“继承”有时也称为“重用”。继承的大致意思是一个新对象可以通过扩充一个已存在的对象来追寻。现在让我们更精确地理解术语“继承”。以刚才的手机为例，手机有一个基础功能，但是新款的手机还是有一些新的功能，这就是说在老的对象的基础上沿用了原来的老技术，即我们所说的“继承”。

总的来说现实世界在计算机中的模拟的实现是将具体对象抽象到概念，表示成相应的计算机内部形式，再生成计算机对象，其过程用下图示意之（见图1）。

1.2 什么是面向对象并行技术

并行工程是相对串行工程来的，它是指工作不是先完成一件再做第二件的串行完成，而是在做一件事的同时进行着第二件甚至是第三件乃至第N件事情。实现并行性的中心问题是什么活动和谁的活动应当并行执行，以及这些并发活动应当怎样相互作用。

面向对象程序设计语言的并行性表现在两个方面，第一个方面称为对象间的并行性，是指：对象可以单独执行，并且与其他对象之间通过同步或是异步协议进行通信，这样就使得对象之间可以并行执行；第二个方面是指：对象内的并行性，这主要是指对象之内有可以有子对象，我们可以把子对象作为线程，子对象之间又可以单独执行或者与其他子对象之间通过同步或者异步协议进行通信，这样就使得对象内部可以并行执行。

对象之间的通讯方式可分为两种，粗略地可分为同步（请求对象等待结果返回才允许继续执行）、异步（请求对象无需等待即可继续执行）。

1.3 并行计算

并行计算是计算机科学中重要的研究内容，计算机学者们已经对这个概念进行了数十年的研究，用并行计算求解问题的大致过程为：对于一个给定的应用问题，首先，由计算机科学家对这个应用问题进行建模，即将这个应用问题转化为一个数值问题；然后由软件工程师对这个数学问题进行分析，并得出并行算法，接着由程序员用编程语言实现这个算法；最后由应用领域的专家在某台具体的并行计算机上运行此软件解决现实世界中的应用问题。由此，我们可以很自然的发现并行计算由以下几个部分构成：硬件平台（并行计算机），并行算法（并行计算的理论基础），并行程序设计（并行计算的软件支撑），并行应用（并行计算的发展动力）。这些部分涉及到许多方面的研究者，包含了数学家、软件工程师、程序员和应用领域专家等。

2.并行计算近几年的发展趋势

并行计算的发展和一切新兴事物的发展一样，除了受自身学科发展的制约意外也受到整个业界环境的影响，近期随着IT技术的飞速发展，并行计算也有了新的发展趋势，我们下面将简单介绍几个并行计算的新发展：

2.1 以多核为主流的体系结构

过去，CPU的发展主要源于工艺的提高和体系结构的改革，从工艺方面来看，晶体管面积越来越小，使得中央处理器的集成度越来越高；从体系结构的改革来看，主要是指指令集并行执行操作的形成。但是虽然指令级可以实现并行操作，但是就程序集来说整体上还是串行结构，只是部分采用了并行的技术。最近几年，随着集成度极限的逼近，工艺达到了一个瓶颈，在此基础上，具有多核结构的产品出现了。

所谓的多核技术就是在同一个CPU内部集成N被完整而又相对简单的计算机未处理器，让他们可以并行的执行指令，这样就可以实现在一个芯片内线程级的并行，甚至在一定的时间段内实现任务级的并行。

多核系统在学术界的探讨和研究具有较长的历史，在20世纪90年代初就已有初步的研究工作，但那个时候只是一个概念雏形，并没有成为主流产品。近年来，随着主流芯片生产商将多核系统作为它们的主要产品推出，使得多核的技术和产品逐渐成为主流。全球主要芯片生产商纷纷推出自己的多核通用微处理器。目前Intel公司和AMD公司都推出了自己的多核处理器。双核和四核处理器目前已经投入市场。现在多核技术已经成为目前市场上的主流产品。

2.2 以数据为中心的云计算

云计算（cloud computing），是指基于当前已相对成熟与稳定的互联网的新型计算模式，即把原本存储于个人PC、U盘等个人存储设备上的大量信息集中在一起存储到强大的服务器上，并且让各个服务器端协同工作。云计算这种新兴的共享计算资源的方法，是顺应现在的大环境而产生的，这些大环境包括（Internet的发展与日趋成熟，搜索引擎的普及、以及当今社会的商务政务要求，另外各种硬件设备的大规模普及和发展也对它的发展做出了卓越贡献），它能够将巨大的系统连接在一起以提供各种计算服务。

云计算是在分布式计算（distributed com-puting）、并行计算（parallel computing）和网格计算（gridcomputing）的基础上发展而来的，它的产生和成长来自于业界的需要和推动。云计算的功能主要在服务器端实现，所以它对于服务器端的并行计算要求非常高，在服务器端计算出结果后，会将结果反馈给用户的浏览器端。换句话来说，它又降低了对用户端的要求。

云计算还在不断的发展过程中，在信息存储与挖掘、信息安全等方面的研究是相对重要的方向。

3.并行计算面临的新挑战

多核技术的出现与主流化，对于并行计算体系结构、并行算法、并行程序设计与并行应用的研究都分别产生了重要的影响，带来了新的挑战。多核技术改变了现在计算机执行程序的面貌使得任务级的并行执行成为可能，并且大大的减少了功耗的问题，但是多核技术的应用也带来了一些新的问题：首先，多核芯片如何管理共享资源，这个问题就是说如何让每个内核独立的访问某种资源，不发生抢占，死锁现象；其次，解决并行计算机系统的高效能问题，虽然多核技术提高了处理器芯片的数量，但每个处理器芯片的性能相对原来来说都简单了许多，而且在这些处理器芯片之间还要进行通信，这些都占用一定的效能；再次，它对并行计算系统的算法和编程带来了一定的困难，以前的算法基础和程序设计都建立在串行执行的基础之上，而现在改由并行执行后，程序代码的迁移即是一个大的问题。

参考文献

[1]李学干.计算机系统结构（第四版）[J].2006.

[2]梁兴琦，欧阳一鸣.并行处理与并行计算机[J].安徽建筑工业学院学报，1999，7.

[3]何秉姣.并行处理技术研究[J].计算机技术与应用进展，2007.

[4]冯博琴.以站好讲台为天职[J].中国大学教学，2004 （11）：16-18.

[5]陈国良.并行算法的设计与分析[M].北京：高等教育出版社，2002.

[6]孙凝晖，陈国良.PHPC：一种普及型高性能计算机[J].中国科学技术大学学报，2008，38（7）：745-752.

[7]张俊霞，张焕杰，李会民.基于龙芯2F的国产万亿次高性能计算机KD-50-I的研制[J].中国科学技术大学学报，2008，38（1）：105-108.

[8]安虹，陈国良.并行程序设计模型和语言[J].软件学报，2002，13（1）：118-124.

作者简介：盛蓓，女，江西旅游商贸职业学院机电分院助教，研究方向：计算机软件技术，计算机软件，数据库技术，教育学。