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Submitted on 26 Apr 2009
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Programmation parallèle orientée objet et réutilisabilité appliquée à l’algèbre linéaire
Eric Noulard
To cite this version:
Eric Noulard. Programmation parallèle orientée objet et réutilisabilité appliquée à l’algèbre linéaire.
Informatique [cs]. Université de Versailles-Saint Quentin en Yvelines, 2000. Français. �tel-00378738�
et reutilisabilite appliquee a l'algebre
lineaire
TH
ESE
presentee etsoutenue publiquement le 5Deembre2000
p ourl'obtention du
Dotorat de l'universite de Versailles St-Quentin-en-Yvel in es
(speialite informatique)
par
Eri Noulard
Comp osition du jury
President : William Jalby Professeur,UVSQ, Versailles
Rapporteurs : Yousef Saad Professeur,Universityof Minnesota,Minneap olis
Jean-Mar J
ezequel Professeur,Universitede Rennes 1,Rennes
Examinateurs : Denis Caromel Professeur,Universitede Nie,Sophia-Antip olis
Nahid Emad Ma^tre de Conferenes, UVSQ,Versailles
Paul Feautrier Professeur,UVSQ, Versailles
Je remerieNahid EMAD, maître deonférenes àl'UVSQ d'avoiraeptéd'ena-
drer mathèseainsiquePaulFEAUTRIER,Professeuràl'UVSQd'avoiraeptéd'être
mon direteurdethèse.
Je remerie Laurene FLANDRIN et Jean-Yves CHATELIER de la So iété
ADULIS d'avoirégalement enadrémon travail. Leurs enouragements,leurs remarques
ainsi que leur éouteplusieursfois renouvelésm'ontététrès b énéques.
JetiensàremerierJean-MarJEZEQUEL,Professeur àl'UniversitédeRennes1,
d'avoir aepté et pris le temps de rapp orter ette thèse. Les remarques dont il m'a fait
part, m'ont p ermis de onnaître des référenes imp ortantes et d'améliorer la qualité du
rapp ort.
Je tiens à remerier Yousef SAAD, Professeur à l'Universitédu Minnesota, d'avoir
aeptéetpris letempsderapp orter ette thèse.Jeleremeriedoublementarilm'avait
également aueilli, dans son équip e aux Etats-Unis, parmi les bagages d'un herheur
invité,avant ledébut dema thèse.
Je remerie sinèrement Denis CAROMEL, à la fois p our avoir aepté de faire
partie du jury, mais aussi p our la ollab oration que nous avons eue autour du méa-
nismeSharedOnRead p our C++//. J'aiappris b eauoup dehosesintérressanteslors de
ette ollab orationavelui etDavid SAGNOL, quee soit lors de mavisiteà Sophia-
Antip olis,ou par lasuite, lors de nos ontats életroniquesou téléphoniques.
JeremeriedontoutautantDavidSAGNOL,avequisefûtunplaisirdetravailler.
Iladusubirlesbugsduseondprototyp edemabibliothèqueetrép ondaittoujoursprésent
à mes questions onernant C++//. Sans lui le méanisme SharedOnRead n'aurait pas
vu le jour.
Je remerie William JALBY, Professeur à l'UVSQ et Direteur du Lab oratoire
PRiSM d'avoir aepté de présider le jury. Je lui dois aussi un grand meri p our avoir
partiip é, par son approbation, à l'obtention demadisp ense de DEA,ar elaa grande-
mentfailitémon travail etmon emploi du temps durant mapremièreannée dethèse.
Je remeriela Soiété ADULIS, d'avoir aepté ette onvention CIFRE qui m'a
p ermis de faire ette thèse tout en vivant en milieuindustriel. Je remeriepar la même
o asion, toutes les p ersonnes d'ADULISavequi j'ai eul'o asion de travailler, dedis-
uter du travailet du reste et deb oirede nombreuxafés,plus partiulièrementAgnès,
Annik, Arnaud, Christine, Cyril, Florene, Jean-Mar (L. et K.), Jean-Yves,
Laurene, Maude,Olivieret Sabine.
Un meri sp éial à François qui a toujours rép ondu présent à mes demandes et a
notablementontribuéàl'améliorationdemesonditionstehniquesdetravaildurantma
dernièreannéedethèse.Sesomp étenestehniquesm'ontégalementp ermisd'apprendre
b eauoup à son ontat.
Je remerie le lab oratoire PRiSM et plus partiulièrementles membres de l'équip e
du monastère du 4 ième
, de l'aueil qu'ils m'ont aordé lors de mes passages plus ou
moins réguliersau PRiSM. Un merisp éial à Chantal DUCOIN et Isabelle MOU-
DENNER qui ont été d'une eaité redoutable onernant mes diverses démarhes
serétario-administratives.
JeremerieAnid'avoirutilisé mabibliothèquep our son stage deDEAet dem'avoir
de m'avoirp ermisdévelopp eret tester mabibliothèquesur le T3E.
Jeremerietous mesamisquipar leursempiternellequestion Euhau fait? Tu en es
où de ta thèse? , ont ertainementontribué à la faireavaner. Je remerieplus parti-
ulièrementErietNiolas,quim'ontfaitgrandplaisirenselib érantdeleursobligations
p our assister à masoutenane.
Finalementjeremerietoutemafamille,etpluspartiulièrementp our l'aidelogistique
imp ortantequ'ils ont déployéeles quelquesjours préédantmasoutenane.
Il y aurait pu y avoir des non-meri, mais je préfère laisser à Cyrano le soin de les
servir.
Je ne remerie ni Caroline, ni Louis, p our ette thèse ar je préfère le faire tous
les jours de l'année, p our la joie et l'amour qu'ils me pro urent quotidiennementet qui
dépassent largementetravail dethèse.
et tous euxque j'aimeet que j'aimerai.
Introdution
Chapitre 1
Langages à objets et parallélisme
1.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Mo dèle deprogrammation vs mo dèled'exéution . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Critèresdehoixd'un mo dèledeprogrammation . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Calulsientiqueeteaité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Les oneptsdu parallélisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Lesmo dèlesd'exéutionparallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Lesmo dèlesdeprogrammation parallèle . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 Lesmoyens de programmationparallèle . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4 Autresasp ets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Les oneptsorientés-objet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1 Dénitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.2 Coneption,réalisation, maintenaneorientées-objet . . . . . . . . . 35
1.5 Les langages à objets parallèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.1 Classiations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.2 QuelquesexemplesdeLAOsparallèles . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.6 Développ ementetmaintenanedes appliationsparallèles. . . . . . . . . . 50
1.6.1 Choix deparallélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.7 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Chapitre 2 Méthodes itératives d'algèbre linéaire 2.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2 Objetifs deLAKe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 La métho de d'Arnoldi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1 Pro essusd'Arnoldi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.2 Pro essusd'Arnoldi par blo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 Avantages des métho des par blo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.4 Estimationdes résidus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.5 Redémarrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.6 Tailledeblo variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.5 Caratéristiques des métho des itérativesd'algèbre linéaire. . . . . . . . . . 68
2.5.1 Lesop érations élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.2 Critèresd'arrêtet redémarrages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.3 Complexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6 ParallélismeetMétho des Itératives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.1 Mo dèledeprogrammation deLAKe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.2 Distributiondes aluls et/ou des données . . . . . . . . . . . . . . 73
2.6.3 Implantationdes op érations élémentairesdistribuées . . . . . . . . 74
2.7 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Chapitre 3 Ative-LAKe: utilisation d'un modèlede programmation à objets atifs 3.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2 Le mo dèled'ateurdeC++// . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Métho dologie deoneption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2 Quelsméanismesderéutilisation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Coneption objet de LAKe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.1 Coneptionséquentielle:arhitetureobjet de LAKe . . . . . . . . 79
3.3.2 Coneptionparallèle:arhitetureobjet d'Ative-LAKe . . . . . . . 82
3.4 Le mo dèleàobjets atifset lesreopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Le méanismeSOR -SharedOnRead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.1 Sp éiationsde lalasse SharedOnRead . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.2 Réalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6 Appliationet résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6.1 Implantationdans Ative-LAKe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6.2 Performane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.7 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 Une implémentationdeLAKe aveMPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 Lesavantages et les inonvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.2 Uneappro he objet aveMPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.3 Enapsulation du parallélismeetp olymorphisme. . . . . . . . . . . 95
4.3 Polymorphisme,génériitéet parallélisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 Contravariane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.2 Motifdeoneption Servie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.3 Génériitéet distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4 Matries ave formeetformes dematrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.1 Formesde matries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.2 Matriesave formes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.3 La génériitérésout leproblème deontravariane . . . . . . . . . . 115
4.4.4 Lesavantages des matriesaveformes . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.5 Polymorphismeuniverselparamétriqueou par inlusion . . . . . . . 117
4.5 Op érations basiques etalgorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6 Exp érimentationsnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.6.1 Travaux onnexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.7 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Chapitre 5 Intégration du parallélismedans uneméthodologiede développement ob- jet 5.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 Conevoirave réutilisation ou pour réutiliser . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3 Les étap es dela métho de DEMRAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.1 Analysededomaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.2 Coneptiondedomaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.3 Réalisation dedomaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4 Intégration des élémentsdu parallélisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4.1 Lesidées ommunesissues de LAKeet DEMRAL . . . . . . . . . . 128
5.4.2 Intégrer lesontraintesliéesau Parallélisme . . . . . . . . . . . . . 129
5.5.1 Programmation/implantationouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.5.2 Programmationpar asp ets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.5.3 Programmationgénérative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.4 Formesde matries:un langage d'asp ets? . . . . . . . . . . . . . . 133
5.6 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Conlusion Annexes Annexe A High Performane Fortran (HPF) A.1 Intro dution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.2 Diretivesde ompilations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Annexe B The Message Passing Interfae (MPI): Une introdution B.1 Les fontions prinipalesde MPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B.1.1 Lesfontions intrinsèques àlalibrairie . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B.1.2 Lesfontions deommuniationsp oint-à-p oint . . . . . . . . . . . . 139
B.1.3 Lesfontions deommuniationsolletives . . . . . . . . . . . . . 140
B.2 Autres fontionnalités deMPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B.3 MPI-2, nouvellesfontionnalités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliographie 144
