BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** VŨ ĐÌNH TRUNG SONG SONG HÓA BÀI TOÁN JSP TRÊN MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG TÍNH TOÁN SONG SONG VÀ PHÂN TÁN Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã ngành: 60 48 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN VĂN LĂNG Đồng Nai – Năm 2012 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin “Song song hóa bài toán JSP trên môi trường tính toán song song và phân tán” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu khoa học độc lập, nghiêm túc. Các số liệu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn và có tính kế thừa, phát triển từ các số liệu, tạp chí, các công trình nghiên cứu đã được công bố, trên các website. Các phương pháp nêu trong luận văn được rút từ những cơ sở lý luận và quá trình nghiên cứu tìm hiểu. Đồng Nai, tháng 09 năm 2012 Vũ Đình Trung -ii- LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS. TS. Trần Văn Lăng đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua, và hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài này Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ thông tin, nơi tôi công tác và nghiên cứu đã tạo điều kiện và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn người thân, bạn bè đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn. Chân thành cảm ơn ! Biên Hòa, ngày 31 tháng 8 năm 2012 Vũ Đình Trung -iii- TÓM TẮT Lập lịch công việc là bài toán đã ra đời từ rất lâu, nhưng đến nay vẫn chưa có một phương pháp nào giải quyết bài toán lập lịch công việc một cách chính xác với thời gian ngắn. Những nghiên cứu gần đây theo xu hướng nhắm vào mục đích làm giảm đến mức thấp nhất thời gian hoàn thành bài toán, ưu điểm lớn của những hướng đi này là kết quả đạt được với thời gian thấp nhưng lịch trình tìm được chỉ đạt mức gần đúng trong khả năng chấp nhận được. Từ mục đích và hạn chế đó tác giả tiến hành nghiên cứu một thuật toán có thể cải thiện được về mặt thời gian mà kết quả lịch trình cho ra vẫn chính xác. Qua nhiều nghiên cứu của những công trình trước, thì nhánh cận được xác định là thuật toán tốt nhất trong các phương pháp tìm kiếm chính xác. Nhưng vấn đề của thuật toán này là thời gian hoàn thành cho ra kết quả chậm. Do đó thuật toán nhánh cận là thuật toán được chọn để thực hiện yêu cầu công việc trên. Công việc cần đạt được tại thời điểm này là tìm ra giải pháp để cải tiến làm giảm thời gian hoàn thành của thuật toán. Những năm gần đây tính toán song song đang dần trờ thành xu hướng sử dụng để cải thiện tốc độ các thuật toán. Vì vậy tác giả đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra phướng án cải tiến thuật toán nhánh cận thành thuật toán song song, và có thể triển khai trên các môi trường tính toán song song là mục đích cuối cùng của luận văn. Cấu trúc luận văn như sau, chương thứ nhất giới thiệu tổng quan về bài toán lập lịch công việc, chương thứ hai trình bày các môi trường tính toán song song và các mô hình tính toán song song, chương thứ ba trình bày các nội dung nghiên cứu và đề xuất các thuật toán song song sẽ sử dụng, chương thứ bốn thử nghiệm các thuật toán trên môi trường tính toán song song và đánh giá kết quả, cuối cùng là kết luận. -iv- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC BIỂU ĐỒ vii DANH MỤC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Lý do chọn đề tài 2 3. Mục tiêu 4 4. Đối tượng nghiên cứu 4 5. Nội dung nghiên cứu 4 6. Phương pháp nghiên cứu 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH CÔNG VIỆC 6 1.1. Định nghĩa bài toán lập lịch 6 1.1.1. Mô tả bài toán 6 1.1.2. Dữ liệu bài toán 6 1.1.3. Các loại lịch trình 6 1.2. Tình hình nghiên cứu thuật toán tuần tự để giải quyết bài toán lập lịch công việc 9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9 1.2.1.1. Phương pháp chính xác 11 1.2.1.2. Phương pháp gần đúng 12 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 25 1.2.3. Một số công trình biêu biểu 26 -iv- 1.3. Tình hình nghiên cứu thuật toán song song để giải quyết bài toán lập lịch công việc 43 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 43 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 43 1.3.3. Một số công trình tiêu biểu 44 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 51 2.1. Tổng quan về tính toán song song 51 2.1.1. Sự cần thiết của tính toán song song và phân tán 51 2.1.2. Mô hình máy tính song song 52 2.1.2.1. Phép phân loại Flynn 52 2.1.2.2. Chia sẻ bộ nhớ cục bộ 55 2.1.3. Mô hình máy tính phân tán 56 2.1.4. Kỹ thuật lập trình song song 56 2.1.4.1. Những mô hình lập trình song song 56 2.1.4.2. Phương pháp xây dựng thuật toán song song 57 2.2. Tổng quan về mô hình lập trình truyền thông điệp – MPI 58 2.2.1. Giới thiệu mô hình truyền thông điệp 58 2.2.2. Lập trình truyền thông điệp – MPI 59 2.2.2.1. Giới thiệu MPI 59 2.2.2.2. Đặc điểm của lập trình với MPI 61 2.2.2.3. Các khái niệm cơ bản 62 2.2.2.4. Cấu trúc chương trình MPI 63 2.3. Tổng quan về GPU 63 2.3.1. Giới thiệu GPU 63 2.3.2. Lịch sử phát triển GPU 64 2.3.3. Kiến trúc GPU 67 2.3.3.1. Đường ống dẫn đồ họa 67 2.3.3.2. Tiến hóa của kiến trúc GPU 69 2.3.3.3. Kiến trúc GPU hiện đại 70 2.3.3.4. Mô hình lập trình trên GPU 72 -iv- CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHÁNH CẬN SONG SONG ĐỂ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN LẬP LỊCH 74 3.1. Lý do chọn thuật toán 3.2. Thuật toán nhánh cận tuần tự giải quyết bài toán lập lịch công việc 74 3.2.1. Giới thiệu thuật toán nhánh cận 74 3.2.2. Mô tả thuật toán nhánh cận tuần tự giải quyết bài toán lập lịch công việc… 77 3.2.3. Thuật toán nhánh cận cải tiến 85 3.3. Thuật toán nhánh cận song song giải quyết bài toán lập lịch công việc 89 3.3.1. Phương án song song thứ nhất 90 3.3.2. Phương án song song thứ hai 92 3.3.3. Triển khai thuật toán trên môi trường tính toán song song 93 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 97 4.1. Kết quả thử nghiệm trên thuật toán nhánh cận song song giải quyết bài toán lập lịch trên nhiều máy tính 97 4.2. Kết quả thử nghiệm thuật toán nhánh cận song song giải quyết bài toán lập lịch công việc trên môi trường CPU – GPU 99. KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO -v- DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CA Clustering agorithm d Due date f Fitness GCA Genetic clustering algorithm GPU Graphics processing unit JSP Job shop problem MIMD Multiple instruction stream, multiple data stream MPI Message passing interface MISD Multiple instruction stream, single data stream L Lateness LB Lower bound LIS Language independent specifications O Operation PU Processor Unit r Realease date SISD Single instruction stream, single data stream SIMD Single instruction stream, multiple data stream SPMD Single program multiple data -vi- DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Bảng mô tả công việc và trình tự thực hiện công việc 1 21 Bảng 1.2: Bảng mô tả công việc và trình tự thực hiện công việc 2 24 Bảng 1.3: Bảng mô tả công việc và trình tự thực hiện công việc 3 27 Bảng 1.4: Bảng mô tả công việc và trình tự thực hiện công việc 4 30 Bảng 1.5: Bảng mô tả công việc và trình tự thực hiện công việc 5 33 Bảng 1.6: Bảng mô tả sự thay đổi E qua từng giai đoạn 38 Bảng 4.1: Bảng mô tả kết quả thực hiện công việc 1 97 Bảng 4.2: Bảng mô tả kết quả thực hiện công việc 2 100 -vii- DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1.1: Lịch trình không phải là bán chủ động 7 Biểu đồ 1.2: Lịch trình bán chủ động 7 Biểu đồ 1.3: Biểu đồ biểu diễn công việc khi thay đổi vị trí O 32 và O 31 8 Biểu đồ 1.4: Lịch trình chủ động sau khi thay đổi trình tự công đoạn 9 Biểu đồ 1.5: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 1 22 Biểu đồ 1.6: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 2 31 Biểu đồ 1.7: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 3 34 Biểu đồ 1.8: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 4 35 Biều đồ 1.9: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 5 36 Biều đồ 1.10: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 6 37 Biều đồ 1.11: Biểu đồ Gantt mô tả trình tự thực hiện công việc 7 38 [...]... thuật toán trên môi trường tính toán song song thì sẽ góp phần giải quyết được nhược điểm về chi phí tìm kiếm của thuật toán Do 4 đó việc cải tiến thuật toán nhánh cận từ môi trường máy đơn thành thuật toán có thể xử lý song song trên môi trường tính toán song song là phù hợp với yêu cầu đặt ra 3 Mục tiêu Nghiên cứu thuật toán song song để giải quyết bài toán lập kế hoạch thông qua việc giải quyết bài toán. .. của thuật toán song song 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH CÔNG VIỆC 1.1 Định nghĩa bài toán lập lịch 1.1.1 Mô tả bài toán Giả sử có tập m máy Mj (j=1,…,m) và tập n công việc Ji (i=1,…,n) Lịch biểu cho mỗi công việc là sự phân công xử lý công việc đó trên một hay nhiều máy Bài toán lập lịch có một số ràng buộc sau: ▪ Một máy chỉ có thể thực hiện một công việc tại một thời điểm ▪ Một công việc... thức phân nhánh và tính toán cận trong thuật toán nhánh cận 5 ▪ Nghiên cứu các mô hình song song, lựa chọn mô hình tính toán song song phù hợp để áp dụng thuật toán ▪ Cải tiến thuật toán bằng cách song song hóa thuật toán để giải bài toán JSP ▪ Đánh giá so sánh kết quả của thuật toán tìm kiếm tối ưu ban đầu với thuật toán tìm kiếm tối ưu sau khi song song hóa 6 Phương pháp nghiên cứu ▪ Đọc các bài báo... lịch JSP để hiểu được cách thức áp dụng các thuật toán tìm kiếm tối ưu vào bài toán lập lịch ▪ Nhận xét các ưu và nhược điểm của các thuật toán áp dụng trong các bài báo ▪ Từ các nhận xét rút ra thuật toán sẽ sử dụng để giải quyết bài toán lập lịch ▪ Phân tích thuật toán sử dụng để rút ra các đặc điểm phục vụ cho mục đích song song hóa thuật toán ▪ Thử nghiệm một số dữ liệu đã chạy thử từ thuật toán. .. thông qua việc giải quyết bài toán JSP Từ đó có được sự đánh giá và so sánh với thuật toán tuần tự Bên cạnh đó, cũng đề ra mục tiêu hiện thực thuật toán trên môi trường mạng các máy tính song song (Networked Parallel Computer) và môi trường khai thác đồng thời CPU lẫn GPU 4 Đối tượng nghiên cứu Với việc áp dụng thuật toán nhánh cận để giải quyết bài toán lập lịch thì một lời giải tối ưu sẽ được tìm ra... Panwalker và Iskander (1977), Haupt (1989) Xa hơn nữa là một số thuật 10 toán mạnh mẽ được nghiên cứu với các phương pháp tiếp cận tối ưu, năm 1985 Barker và McMahon công bố công trình nghiên với phương pháp giải quyết bài toán lập lịch bằng cách sử dụng cấu trúc lân cận dựa vào thuật toán tìm kiếm địa phương (local search) Năm 1982, bài toán lập lịch JSP xuất hiện tại Pháp và được xem là dạng bài toán. .. chương trình song song Các thuật toán tuần tự cũng được chuyển biến thành thuật toán song song Khi phần cứng và phần mềm đã tương thích với nhau thì hiệu suất thực hiện 2 công việc sẽ tăng lên đáng kể và nhu cầu khối lượng công việc cần xử lý cũng như thời gian hoàn thành công việc sẽ được đáp ứng Với phương hướng trên, thì việc xây dựng hoặc cải tiến các thuật toán để tạo nên thuật toán song song là cần... tạo, phân công ca lái xe cho các nhân viên công ty vận tải, … Với nhiều ứng dụng như vậy, bởi lẽ đó thì việc nghiên cứu để đưa ra một thuật toán song song có thể thống kê một lịch trình để thực hiện các công việc hoàn thành trong thời gian tối ưu nhất là cần thiết 2 Lý do chọn đề tài Năm 1955, bài toán lập lịch bắt đầu được triển khai nghiên cứu và áp dụng thực hiện trên máy tính Cho đến nay, bài toán. .. lịch JSP được hình thành từ năm 1955, ý tưởng về bài toán này có thể được tìm thấy trong công trình nghiên cứu của Akers và Friedman Tiếp sau đó là công trình nghiên cứu của Bowman (1959) và Wagner (1959), khi đó thì các công việc chỉ có thể được xử lý trên 3 máy tính hoặc ít hơn Năm 1963 là năm đánh dấu cột mốc lịch sử quan trọng về bài toán lập lịch JSP, khi đó Fisher và Thompson đã giới thiệu công. .. tả bằng một đồ thị nối rời (disjunctive graph) Tất cả các công đoạn cùng một công việc được nối thành một chuỗi các cung nối liền và các cung nối rời giữ các công đoạn thực hiện trên cùng một máy Việc lập lịch sẽ trở thành việc sắp thứ tự các công việc trên từng máy, nghĩa là làm cố định mối liên hệ trước sau giữa các công đoạn trên cùng một máy bằng cách thay đổi hướng các cung nối rời theo một hướng . GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** VŨ ĐÌNH TRUNG SONG SONG HÓA BÀI TOÁN JSP TRÊN MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG TÍNH TOÁN SONG SONG VÀ PHÂN TÁN Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã. nghệ thông tin Song song hóa bài toán JSP trên môi trường tính toán song song và phân tán là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu khoa học độc lập, nghiêm túc. Các số liệu trong luận. luận văn. Cấu trúc luận văn như sau, chương thứ nhất giới thiệu tổng quan về bài toán lập lịch công việc, chương thứ hai trình bày các môi trường tính toán song song và các mô hình tính toán