基于Matlab多核并行集群搭建及性能分析

摘 要

為了充分利用多核處理器資源，本文在分析matlab并行計算工具箱中各部件關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用windows環(huán)境實現(xiàn)了matlab多核并行計算集群的搭建，并通過實例，闡明了基于matlab的并行程序設(shè)計方法。經(jīng)測試，并行化處理能有效利用資源優(yōu)勢，縮短運行時間，對進一步研究各類并行處理有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】多核集群 并行計算 PCT

1 多核集群概念

隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，處理器的性價比不斷提高，并行計算已逐漸由傳統(tǒng)的超級計算機轉(zhuǎn)移至擁有多個高性能節(jié)點的集群平臺上。集群是指可提供網(wǎng)絡(luò)資源的一組互連的計算機，每臺計算機為一節(jié)點由集群統(tǒng)一調(diào)度，作為一個并行計算機系統(tǒng)工作。從結(jié)構(gòu)和節(jié)點通信方式理解，集群是一個分布式存儲系統(tǒng)，通過消息傳遞實現(xiàn)各主機之間的通信，由并行編程環(huán)境支持系統(tǒng)完成資源管理和相互協(xié)作。多核集群已成為當(dāng)今公認(rèn)的高效并行開發(fā)模型。隨著多核處理器的廣泛應(yīng)用和集群系統(tǒng)的深入研究，以多核為單個節(jié)點的多核集群應(yīng)運而生。多核集群可靈活的進行任務(wù)分解，具有良好的可移植性和擴展性。

2 Matlab并行機制

Matlab是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算高級技術(shù)的交互式環(huán)境。Matlab提供并完善了并行計算工具箱（Parallel Computing Toolbox）和MATLAB 分布式計算服務(wù)器功能（Distributed Computing Server），為用戶解決龐大計算、數(shù)據(jù)密集型問題。本文充分結(jié)合集群和Matlab兩者優(yōu)勢， 構(gòu)建Windows下進行并行計算環(huán)境。

并行計算集群中，將一個大規(guī)模的工作分解成若干小任務(wù)讓不同的計算機去處理，并將各處理機結(jié)果進行回收，從而提高計算效率。采用Matlab進行并行的集群環(huán)境，每臺節(jié)點機中都將啟動Matlab Parallel Computing Engine 服務(wù)，該服務(wù)能啟動參與計算的 worker 的 Matlab session 和管理各臺計算機 workers 的job manager。既而通過Job manager 對 workers 進行管理，給 workers分配計算任務(wù)，接收 workers 計算后的結(jié)果。client進行任務(wù)分解，交給job manager。jobmanager 根據(jù) workers 的多少和空閑情況，給每個 workers分配任務(wù)，完成后再向job manager反饋結(jié)果。所有 workers 都完成任務(wù)后，client就可以從 job manager 里取回結(jié)果。

3 集群環(huán)境搭建

3.1 軟硬件環(huán)境

在本文配置的硬件環(huán)境中，使用交換機連接3臺獨立的PC機，計算機通過網(wǎng)線與交換機連接，將3臺PC機設(shè)置為同一網(wǎng)關(guān)內(nèi)，保證局域網(wǎng)暢通互聯(lián)。3臺PC機配置如表1所示：

3.2 搭建與配置

在每一臺機器上安裝Matlab，運行Matlab并在MATLAB＼R2013a＼toolbox＼distcomp＼bin下開啟Matlab 分布式計算服務(wù)器（ MDCE） ：！mdce install 以及 ！mdce startk。PCT需要安裝在編寫應(yīng)用程序的機子上。為了打開防火墻中Matlab分布式計算的對應(yīng)端口，此時右鍵點擊左邊的addMatlabToWindowsFirewall.bat，選擇在Windows資源管理器中打開，以管理

員身份運行。所有將參與該計算集群或使用該計算群集功能的服務(wù)器和計算機都需要完成以上操作。

在MATLAB＼R2013a＼toolbox＼distcomp＼bin下，以管理員身份運行admincenter.bat文件，點擊Add or Find，依序完成測試、主機、作業(yè)管理器和節(jié)點等配置工作。節(jié)點數(shù)要不超過每臺PC處理器內(nèi)核數(shù)。

4 實驗測試

針對Matlab平臺，對于繪制正弦曲線，將原來的串行算法做一些改變以適應(yīng)數(shù)據(jù)的并行處理。具體過程如下：

（1）通過matlabpool open cluster；%開啟全部線程。這里進行了4線程、12線程測試。

（2）tic用來保存當(dāng)前時間進行初始時間記錄，將可獨立的循環(huán)部分加入parafor。

（3）循環(huán)算法公式，繪制。

（4）使用toc來記錄程序完成時間記錄。

（5）關(guān)閉線程。

串行程序執(zhí)行時間為：0.516591s，4workers時為0.2242606s，12workers時為0.127789s。

5 結(jié)語

本文通過在windows環(huán)境實現(xiàn)了matlab多核并行計算集群的搭建，分析了matlab的并行機制。通過實驗中程序串行執(zhí)行和并行用時對比，體現(xiàn)出Matlab多核并行計算的優(yōu)勢，為日后在此基礎(chǔ)上開展圖像處理并行化研究具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]劉維編著.實戰(zhàn)Matlab之并行程序設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2]姚尚鋒等.MATLAB并行計算解決方案[J].計算機時代，2016（09）.

[3]阮定益.并行式matlab平臺搭建[J].電腦知識與技術(shù)，2008（08）.

作者簡介

顧慧（1985-），女，講師。主要研究方向為并行計算、計算機教育。

作者單位

內(nèi)蒙古師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010022endprint