Использование полиморфизмадля реализации MPMD-модели

Полиморфиз м— одна из основных характеристик объектно-ориентированного програ мм ирования. Если язык претенлует на поддержку объектно-ориентированно г о програ мм ирования, он должен по д держивать инкапсуляцию, нас л едование и по л и м орфиз м. По л и м орфиз м — это способность объекта прини м ать м ножество форм. По л иморфизм по д держивает понятие «один интерфейс — множество реализаций • Пользователь использует одно имя, или интерфейс, реализованный различными способами и различными объекта м и. Чтобы проиллюстрировать концепцию поли м орфизма, рассмотри м класс vehicle, его пото м ков и простую функцию travel (), которая использует класс vehicle. На рис. 9.2 показана простая иерархия нашего се м ейства класса vehicle.

Самолеты, вертолеты, автомобили и подводные лодки — все это потомки класса vehicle (транспортные средства). Объект класса vehicle может заводить мотор, перемещаться вперед, поворачивать вправо, поворачивать влево, останавливаться и пр. В листинге 9.4 демонстрируется, как функция travel () использует объект класca vehicle для совершения компьютеризованного путешестви я.

// Листинг 9.4.

//Функция travel(), которая в качестве параметра использует объект класса vehicle

void travel(vehicle *Transport) {

Transport-> startEngine(); Transport-> moveForward(); Transport-> turnLeft();

//...

Transport-> stop();

}

int main(int argc, char *argv[J) {

//... car *Car;

Transportation = new Vechicle(); travel(Car); //...

}

Функция travel () принимает указатель на объект класса vehicle и вызывает методы объекта класса vehicle. Обратите внимание на то, что функция main() в листинге 9.4 объявляет объект типа саг, а не vehicle, а также на то, что функции travel () вместо объекта типа vehicle передается объект типа car. Это возможно благодаря тому, что в С++ указатель на класс может ссылаться на объект этого типа или на любой объект, который является потомком этого типа. Поскольку класс саг является производным от класса vehicle, то указатель на тип vehicle может ссылаться на объект типа саг. Функция travel () написана без учета того, какими конкретно типами vehicle- объектов она будет манипулировать. Для функции travel () вполне достаточно, чтобы ее vehicle -объекты могли запускать мотор, двигаться вперед, поворачивать влево, вправо и т.д. Если vehicle -объект способен выполнять эти действия, то функция travel () сможет справиться со своей работой. Обратите внимание на то, что на рис. 9.2 методы класса vehicle объявлены как виртуальные (virtual). Объявление методов виртуальными в базовом классе является необходимым условием динамического полиморфизма. В каждом из классов car, helicopter, submarine и airplane будут определены следующие функции.

startEngine(); moveForward(); turnLeft(); turnRight(); stop(); //...

При этом объявление каждой функции будет соответствовать типу транспортного средства. Несмотря на то что транспортное средство каждого типа способно двигаться вперед, метод, в котором обеспечивается движение автомобиля, отличается от метода перемещения подводной лодки. Управление поворотом вправо у самолета отличается от управления таким же поворотом у автомобиля. Следовательно, транспорт-ное средство каждого типа должно реализовать необходимые операции для получения законченного описания «своего» класса. Поскольку эти операции объявляются как виртуальные в базовом классе, они и являются кандидатами для реализации полиморфизма. Если vehicle -указатель, переданный функции travel (), в действительности ссылается на объект типа car, то методами, вызываемыми в этой функции (startEngine (), moveForward() и пр.), реально окажутся те, которые определены в классе car. Если vehicle -указатель, переданный функции travel (), вдействительности ссылается на объект класса airplane, то методами, вызываемыми в этой функции, реально окажутся те, которые определены в классе airplane. Это и есть тот случай, когда много форм реализуется при одном интерфейсе. Несмотря на то что функция travel () вызывает только один набор методов, поведе н ие этих м етодов может радикаль н о отличаться в зависи м ости от то г о, указатель на объект како г о vehicle -класса был назначен vehicle -указателю. По л и м орфиз м фу н кции travel () состоит в то м, что при каждо м вызове о н а м ожет выпо лн ять соверше нн о раз н ые действия. И в самом де л е, поско л ьку фу н кция travel () испо л ьзует указате л ь на к л асс vehicle, в булу щ ем ее можно испо л ьзовать д л я типов, производных от к л асса vehicle, которые бы л и неизвестны и л и не су щ ествовали во время разработки функции travel(). До тех пор пока буду щ ие vehicle -к л ассы будут нас л едовать к л асс vehicle и опреде л ять необходимые методы, ими можно будет управ л ять с помо щ ью фу н кции travel (). Этот тип по л иморфизма называется динамическим (runtime polymorphism), поско л ьку фу н кция travel () н е знает точно, какие и м енно функции startEngine (), moveForward() и л и turnLeft () она будет вызывать, до тех пор, пока про г ра мм а не начнет выпо л няться.

Этот тип полиморфиз м а полезен при реализации MPI-програ мм, которые используют модель MPMD. Если MPI-задачи работают с указател ям и на базовые классы, то полиморфиз м позволяет MPI-классу также работать с любы м и класса м и, производными от не г о. Предположи м, что в м есто объявления с указателе м функция travel () (см. листин г 9.4) имела бы такое объявление: void travel(vehicle Transport);

В этом случае при обра щ ении к функциям startEngine (), moveForward () и прочим вызывались бы м етоды, принадлежа щ ие только классу vehicle, и обращение к производным классам было пробле м атичны м. Использование же указателя на класс vehicle и объявления м етодов в классе vehicle виртуальны м и (virtual) заставляют работать м еханиз м поли м орфиз м а. MPI-задачи, которые м анипулируют указателями на базовые классы, мо г ут точно так же использовать преиму щ ества полиморфизма, как функции travel () удается работать с любым типом vehicle-объекта (настоя щ и м или булу щ им). Этот метод открывает большие перспективы дл я булу щ е г о кластерных приложений, а также приложений SMP (Symmetrical Multiprocessing — симметричнал мно г опроцессорнал обработка) и MPP (Massively Parallel Processing — массовал параллельнал обработка), в которых необходимо реализовать модели MPMD. Чтобы понять, как модель MPMD работает в MPI-контексте, попробуем использовать нашу функцию travel () в качестве МРТзадачи, которая является частью подсистемы поиска. Все MPI-задачи отвечают за выполнение поисково-спасательных операций применительно к vehicle-объектам различного типа. Очевидно, что каждое транспортное средство (vehicle-объект) характеризуется рааличными способами движения. Несмотря на то что проблема, стоя щ ал перед всеми MPI-задачами, заключается в выполнении поиска, все они будут иметь различные коды, поскольку все эти задачи используют различные виды vehicle-объектов, которые работают по-разно м у и требуют различных данных. Код, который содержится в листинге 9.5, необходимо запустить в нашей среде MPICH с по м о щ ью слелую щ ей ко м анды.

$ mpirun -np 16 /trap/search_n_rescue

// Листинг 9.5. Реализация MPI-задачами простого

// поиска и имитации спасения поврежденных

// объектов

template< T> bool travel(vehicle *Transport,

set< T> Location, T Object)

{

//...

Transport-> startEngine(); Transport-> moveForward(XDegrees); Transport-> turnLeft(YDegrees); //...

if (Location.find(Transport-> location() == Object){ //... rescue()

}

//...

}

int main(int argc, char *argv[])

326 Глава 9. Реализация моделей SPMD и MPMD с помощью шаблонов..

{

//...

int Tag = 2; int WorldSize; int TaskRank; MPI_Status Status; MPI_Init(& argc, & argv);

MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, & TaskRank); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, & WorldSize); //...

switch(TaskRank) {

case 1: {

//...

car * Car;

set< streets> SearchSpace

travel< streets> (Car, SearchSpace, Street); //...

}

break;

case 2:

{

//...

helicopter *BlueThunder; set< air_space> NationalAirSpace; travel< air_space> (BlueThunder,

NationalAirSpace,

AirSpace);

//...

}

//case n: //...

}

}

Программа search_n_rescue будет запущена в 16 процессах, причем все процессы потенциально могут выполняться на различных процессорах, а все процессоры — находиться на различных компьютерах. Несмотря на то что все процессы выполняют один и тот же код, их действия могут радикально различаться (как и данные, с которыми они работают). Шаблоны и полиморфизм позволяют отличать одну MPI-задалу от другой (а значит, и данные, которые они будут использовать). Обратите внимание на то, что в листи н ге 9.5 МРI - процесс, у которого TaskRank = 1, будет использовать объект класca Car и контейнер, содержа щ ий streets - объекты. MPI-процесс, у которо г о TaskRank = 2, будет использовать объект класса helicopter и аir_spасе объекты. Обе задачи вызывают шаблонную функцию travel (). Поскольку шаблоннал функция travel () манилулирует указателями на класс vehicle, она может воспользоваться преимущест-вами полиморфизма и выполнять операции с потомками класса vehicle. Это означает, что, хотя все MPI-задачи вызывают одну и гу же функцию travel (), действия, вы полняемые этой функцией, рааличны. Обратите внимание на то, что в функции travel () нет инструкций case или if, которые бы пытались идентифицировать тип vehicle -объекта, с которым она работает. Конкретный vehicle -объект определяется типом, на который используется указатель. Это MPI-приложение может работать потенциально с 16 различными транспортными средствами, каждое из которых характеризуется собственным типом мобильности и областью поиска. Существуют и другие методы, которые можно использовать для реализации модели MPMD в среде MPI, но полиморфический подход обычно требует меньшего объема кода.

Основные два типа полиморфизма, которые мы здесь демонстрируем, — это полиморфизм динамического связывания, по д держиваемый наследованием и виртуальными методами, и параметрический полиморфизм, по д держиваемый шаблонами. Функция travel () в листин г е 9.5 использует оба типа полиморфизма. Полиморфизм, основанный на наследовании, характеризует параметр vehicle *Transport, а параметрический полиморфизм — параметры set< T> и T Object. Параметрический полиморфизм представляет собой механизм, благодаря которому один и тот же код используется для различных типов, передаваемых в качестве параметров. Различные типы полиморфизма, которые позволяют упростить МРТзадачи и сократить код, необходимый для реализации MPI-программы, перечислены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Различные типы полиморфизма, которые можно использовать для упрощения МРI-задач