构建自己的基于Java的超级计算机

构建自己的基于 Java 的超级计算机 作者：转载自：如果您曾想过构建自己的超级计算机，但却对用 C 语言进行并行编程望而生畏，那么伪远程线程可以帮您解决这一问题。这种获奖的 Java 编程模型极大地简化了集群上的并行编程，并使超级计算走出实验室，使每一位 Java 程序员都能使用它。
在过去的三年里，并行集群已在改变着超级计算的面貌。一旦价值数百万美元的单体机占了主导，并行集群很快就会成为超级计算机的选择。可以想像得到，开放源码圈内的高涨热情已导致产生了数百 -- 如果不是数千的话 -- 并行集群项目。第一个同时也是最著名的开放源码集群系统是 Beowulf。在 NASA 赞助下，由 Thomas Sterling 和 Donald Becker 在 1994 年发布的 Beowulf，开始是作为一个 16 节点演示集群推出的。今天，Beowulf 已有数百种实现，从 Oak Ridge 国家实验室的 Stone SouperComputer 到 ASPen 系统公司的定制构建的商业性集群（请参阅参考资源）。

对 Java 程序员不利的是，多数集群系统都是围绕基于 C 语言的软件消息传递 API — 如消息传递接口（MPI）或并行虚拟机（PVM）— 来实现的。用 C 语言进行并行编程不是件容易的事，因此我设计了一个替代方案。本文将说明如何综合运用 Java 线程和 Java 远程方法调用（RMI）来创建自己的基于 Java 的超级计算机。

请注意，本文假定您有 Java 线程和 RMI 的应用知识。

超级计算机内有什么？
超级计算机的定义是：由八个或更多的节点组成、作为单个高性能机器工作的集群。基于 Java 的超级计算机包含一个作业调度器和任意数量的运行服务器（也称为主机）。作业调度器生成多个线程，每个线程包含执行不同子任务的代码。各个线程将其代码迁移到不同的运行服务器上。然后，每个运行服务器执行迁移给它的代码并将结果返回给作业调度器。最后，作业调度器将各个线程的结果组合起来。

这种并行集群系统之所以被称为伪远程线程，是因为线程是在作业调度器上调度的，但线程内的代码却是在远程计算机上执行的。

该系统有哪些组件？
组件一词是指组成“伪远程线程”并行集群系统的逻辑模块。该系统包含以下组件：


Job dispatcher（作业调度器） 是执行控制的机器。它生成不同的线程，每个线程都包含此集群要处理的主任务的一个子任务。每个线程内的代码都被发送到一台远程计算机去执行。线程在作业调度器上调度，所以理论上讲，该机器不应该用于执行任何子任务。


SubTask 是一个用户定义类，该类定义主任务的一个数据或功能独立的部分。您可以为主任务的不同部分定义不同的类。类名 SubTask 是一个示例。您可以为一个 SubTask 类取任何名字，不过这个名字应该能描述分配给它的子任务。在定义 SubTask 类时，您必须实现 JobCodeInt 接口以及 jobCode() 方法，下面对其进行说明。


JobCodeInt 是一个 Java 接口。您必须在定义子任务的类中实现该接口和 jobCode() 方法。jobCode() 方法描述了将在远程执行的代码。如果您打算在远程使用某个本地资源，您必须在 jobCode() 方法外部初始化这个资源。比方说，您要将一组图像发送到远程处理，就必须在 jobCode() 方法外部初始化 Image 对象。您可以在该方法中调用标准 Java 库中的类，因为远程计算机上存在这些库。


RunServer 是一个 Java 对象，该对象允许远程过程调用其方法。它的一个方法以实现了 JobCodeInt 接口的对象作为参数。 RunServer 就在运行该对象的计算机（运行服务器）上执行该对象内的代码，并将计算结果作为 Object 类的一个实例返回。Object 是 Java 类层次结构中最高一级的类。


PseudoRemThr 是一个 Java 类，该类封装了一个线程并接受给定 SubTask 类的一个实例。它选择一台远程主机，并将 SubTask 实例发送到这台主机上执行。如果您要利用某台主机上可用的特定资源（诸如数据库或是打印机），则可以指定主机。


HostSelector 是一个模块。如果您没有指定远程主机，PseudoRemThr 类就会调用 HostSelector 模块来选择特定的主机。如果没有空闲的主机，HostSelector 会返回负载最小的远程计算机。如果某个远程计算机是一个多处理器系统，HostSelector 可能会不止一次地返回该主机名。目前，HostSelector 无法根据给定任务的复杂程度来选择主机。
伪远程线程的工作方式
要使用伪远程线程，您必须实现作业调度器和运行服务器。本节将说明如何实现各个部分。

实现作业调度器
首先，将主任务分解为数据或功能独立的子任务。针对每个子任务，定义一个实现 JobCodeInt 接口（从而实现 jobCode() 方法）的类。在 jobCode() 方法中，定义各给定子任务要执行的代码。

请注意，您不能调用作业调度器上用户定义的的本地资源。请在该方法外部初始化所有这类资源。例如，您可以在 SubTask 类的构造函数中初始化这类资源。

创建类 PseudoRemThr 的若干实例，并将 SubTask 的实例传递给 PseudoRemThr 的各个实例。如果您要明确指定一台远程主机,您可以通过调用 PseudoRemThr 对象的另一个构造函数来完成。

等待这些线程完成。调用 getResult() 方法来获取 PseudoRemThr 的各个实例的执行结果。如果计算没有完成，结果返回一个值为 false 的 Boolean 对象；否则，将返回 Object 类的一个实例，其中包含了计算结果。您必须将此实例转换为您所希望的类类型。将所有的子任务结果组合为最终结果。

实现运行服务器
实现运行服务器是一项简单的工作：

启动 RMI 注册程序。
启动 RunServer。
运行服务器在启动时接通作业调度器，并通知作业调度器它已准备就绪，可以接受要执行的任务了。

一个计算示例
现在该测试这一模型了。以下计算示例使用两台计算机并行运行。一台是运行 Windows 98 的 333 MHz Pentium II 计算机，另一台是运行 Windows 2000 专业版的 500 MHz Pentium III 计算机。

为了计算从 1 到 10^9 的所有整数的平方根之和，我创建了 Sqrt 类，它计算 dblStart 和 dblEnd 之间所有整数的平方根之和。

Sqrt 实现 JobCodeInt 接口，因此也实现了 jobCode() 方法。在 jobCode() 方法中，我定义了完成这一计算的代码。

构造函数用于将数据传递给 Sqrt 类，并初始化作业调度器上的所有本地资源。必须将要计算其平方根之和的整数的起止点发送给构造函数。清单 1 是 Sqrt 类的定义

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