并行与分布式编程范例及相关高级语言解析

### 并行与分布式编程范例及相关高级语言解析 在并行与分布式编程领域，有多种强大的工具和框架可供使用，它们能帮助开发者高效处理大规模数据和复杂计算任务。下面将详细介绍Dryad、DryadLINQ、Sawzall、Pig Latin等技术，并探讨应用程序在并行和分布式系统中的映射分类。 #### Dryad框架 Dryad在将数据流图映射到底层资源时，会考虑数据和计算的局部性。当数据流图映射到一组计算引擎上时，每个集群节点会运行一个轻量级守护进程来执行分配的任务，这些任务由用户使用特定应用程序定义。运行时，作业管理器会与每个守护进程通信，以监控节点的计算状态以及它与前后节点的通信情况。 Dryad作业的执行可看作是一个二维分布式管道集合，与传统的一维UNIX管道不同，Dryad的二维分布式管道系统在每个顶点节点有多个处理程序，能同时处理大规模数据。在二维管道执行期间，Dryad定义了许多操作来动态构建和更改有向无环图（DAG），包括创建新顶点、添加图边、合并两个图以及处理作业的输入和输出。 Dryad还内置了容错机制。由于基于DAG，通常有两种类型的故障：顶点故障和通道故障，处理方式不同。对于顶点故障，作业管理器可选择另一个节点重新执行分配给故障节点的相应作业；对于边故障，创建通道的顶点将重新执行，并创建新通道再次连接相应节点。此外，Dryad还提供了除运行时图优化之外的其他机制来提高执行性能，可用于多种场景，如脚本语言支持、MapReduce编程和SQL服务集成。 #### DryadLINQ DryadLINQ构建于微软的Dryad执行框架之上，其目标是让普通程序员也能进行大规模分布式集群计算。它结合了Dryad分布式执行引擎和.NET语言集成查询（LINQ），LINQ特别适合熟悉数据库编程模型的用户。 DryadLINQ的执行流程分为九个步骤： 1. .NET用户应用程序运行，创建DryadLINQ表达式对象，但由于LINQ的延迟求值，表达式的实际执行尚未发生。 2. 应用程序调用ToDryadTable触发数据并行执行，表达式对象被传递给DryadLINQ。 3. DryadLINQ将LINQ表达式编译成分布式Dryad执行计划，表达式被分解为子表达式，每个子表达式在单独的Dryad顶点中运行，同时生成远程Dryad顶点的代码和静态数据，以及所需数据类型的序列化代码。 4. DryadLINQ调用自定义的Dryad作业管理器来管理和监控相应任务的执行流程。 5. 作业管理器使用步骤3中创建的计划创建作业图，并在资源可用时调度和生成顶点。 6. 每个Dryad顶点执行特定于顶点的程序。 7. 当Dryad作业成功完成时，将数据写入输出表。 8. 作业管理器进程终止，控制权返回给DryadLINQ，DryadLINQ创建封装执行输出的本地DryadTable对象，这些对象可能是下一阶段的输入。 9. 控制权返回给用户应用程序，用户可通过DryadTable的迭代器接口将其内容作为.NET对象读取。 并非所有程序都要经过这九个步骤，有些程序可能经过更少的步骤。下面是一个用DryadLINQ编写的直方图程序示例，用于计算文本文件中每个单词的出现频率： ```csharp [Serializable] public struct Pair { string word; int count; public Pair(string w, int c) { word = w; count = c; } public override string ToString() { return word + ":" + count.ToString(); } } public static IQueryable<Pair> Histogram( string directory, string filename, int k) { DryadDataContext ddc = new DryadDataContext("file://" + directory); DryadTable<LineRecord> table = ddc.GetPartitionedTable<LineRecord>(filename); IQueryable<string> words = table.SelectMany(x => x.line.Split(' ').AsEnumerable()); IQueryable<IGrouping<string, string>> groups = words.GroupBy(x => x); IQueryable<Pair> counts = groups.Select(x => new Pair(x.Key, x.Count())); IQueryable<Pair> ordered = counts.OrderByDescending(x => x.Count); IQueryable<Pair> top = ordered.Take(k); return top; } ```