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Integración de elementos visuales y animaciones en las prácticas de

programación paralela

José Miguel Mantas Daniel Guerrero Sergio RodríguezDepartamento de Lenguajes y Sistemas InformáticosUniv. Granada. Daniel Saucedo s/n, 18071 Granada

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Resumen

Dada la importancia actual del procesamiento pa-ralelo y su complejidad, este trabajo pretende inte-grar el elemento visual y la animación dentro de laenseñanza y aprendizaje de la programación para-lela. Con dicha orientación, se presentan las prin-cipales aportaciones de un proyecto de innovacióndocente que extiende el material web existente enlas prácticas de una asignatura de programación pa-ralela, dotándolo de elementos visuales dinámicosy cierto grado de interactividad para favorecer elaprendizaje. Asimismo, se introduce en las prácti-cas, el uso de herramientas de visualización de pro-cesos y trazado gráfico de la ejecución que facilitanla comprensión y depuración de los programas pa-ralelos. Las ideas presentadas pueden ser fácilmen-te aplicables a cualquier asignatura de programaciónque integre contenidos de concurrencia.

Palabras clave

Programación paralela, Visualización y anima-ción de algoritmos paralelos, análisis y depuraciónde programas paralelos, Paso de mensajes, MPI.

1. Introducción

La programación paralela ha cobrado una granimportancia en los últimos años debido a la difusióny uso extendido de los procesadores multinúcleo, lacomputación en red y los procesadores gráficos pro-gramables. Dado que hoy en día, casi todos los sis-temas de cómputo son paralelos, se le debe prestaruna mayor atención a la enseñanza de la programa-ción paralela y los algoritmos paralelos en los gradosde Ingeniería informática [4]. Por otro lado, la pro-gramación paralela es mucho más compleja que laprogramación secuencial y este hecho se agudiza pa-ra el caso, de gran importancia, de la programaciónde plataformas distribuidas usando paso de mensa-jes [2, 14]. La dificultad de la programación paralela

se debe principalmente al comportamiento dinámi-co de los programas, en los que múltiples entidadesde ejecución (procesos o hebras) interactúan entre sípara lograr un propósito común. La sincronización ycomunicación entre estas entidades hace que la com-prensión del funcionamiento de los programas para-lelos y la detección de errores sean especialmentecomplicados.

Es un hecho aceptado que la representación gráfi-ca favorece la comprensión de sistemas complejos,ya que el sistema visual humano está más preparadopara asimilar información en formato gráfico que enformato textual. En particular, para el aprendizaje dela programación y la algoritmia, el uso de enfoquesbasados en la visualización y animación del com-portamiento han mostrado ser muy efectivos [9, 12].Dada la mayor complejidad que exhiben los algorit-mos paralelos, la adopción de enfoques de enseñan-za basados en la visualización y animación [6] re-sulta aún más necesaria en este ámbito que en el ám-bito de la programación secuencial. La comprensiónde los algoritmos paralelos puede mejorarse tremen-damente usando representaciones gráficas animadas,como se pone de manifiesto en algunos trabajos pre-vios [8, 13]. Estas representaciones abstraen los as-pectos fundamentales del algoritmo (forma en que seha descompuesto el problema, sincronización entrelas unidades de trabajo, transferencia de datos, etc.)y los presentan de una forma amigable al estudiante,permitiéndole captar más fácilmente el proceso deresolución paralela del problema.

En este trabajo, se presentan las principales apor-taciones de un proyecto de innovación para mejorarel material web docente existente en las prácticas deuna asignatura de programación paralela, dotándolode elementos visuales dinámicos y cierto grado deinteractividad.

La asignatura objeto de mejora pertenece al se-gundo ciclo de la Ingeniería Informática y abordael diseño, análisis e implementación de algoritmosparalelos y distribuidos. En las prácticas, los estu-

152 Sesión 3A: Arquitectura de computadores / Sistemas operativos / Sistemas distribuidos y paralelos

diantes aprenden a programar y analizar algoritmosparalelos y distribuidos usando la interfaz de paso demensajes MPI [2, 14] y en menor medida programanalgoritmos paralelos basados en memoria comparti-da usando directivas y funciones de OpenMP [2, 5].Se plantean varios guiones de prácticas como mate-rial de prácticas. En algunos guiones, el alumno tra-baja con un tutorial web que sirve de introduccióna la notación particular a usar (MPI u OpenMP).En estos tutoriales, se plantean problemas sencillosde programación paralela (ordenación, cuadraturanumérica, cálculos de diferencias finitas, etc.) paraque el alumno intente resolverlos, y más adelante semuestra el programa solución. El resto de guionesplantean proyectos de implementación paralela depequeña envergadura (por ejemplo, implementaciónparalela de algoritmos de grafos). Estos guiones des-criben de forma esquemática un algoritmo paralelopara resolver el problema, y el alumno debe comple-tar el desarrollo del proyecto incluyendo el análisisdel rendimiento de su implementación paralela.

A lo largo de varios cursos, se han ido detectan-do problemas de aprendizaje en las prácticas, debi-do tanto a la dificultad para entender las funcionesde paso de mensajes y la dinámica de los algoritmosdistribuidos, como al arduo proceso de detección ycorrección de errores en los programas paralelos. Pa-ra mitigar estos problemas, se propuso el proyecto deinnovación docente cuyas aportaciones se presentanen este trabajo.

La sección 2 presenta el enfoque general seguidopara mejorar las prácticas de programación paralela,mientras que los aspectos más relevantes de la im-plementación particular que se ha hecho de las ideasgenerales se describirá en la sección 3.

2. Enfoque general para introducir ele-

mentos visuales en asignaturas relacio-

nadas con la programación paralela

El enfoque que se ha seguido para mejorar lasprácticas (véase la Figura 1) está basado en las treslíneas de actuación que se presentan a continuación.

• Creación en la web de tutoriales, ayudas y guio-nes de prácticas que incluyan gráficos y anima-ciones interactivas. Estas animaciones descri-ben los pasos principales de los algoritmos pa-ralelos y la funcionalidad de las funciones sub-

Figura 1: Visión general del enfoque propuesto

yacentes.• Fomentar y apoyar en las prácticas el uso de

herramientas de análisis y visualización de pro-cesos que permitan comprender la interacciónentre procesos en programas distribuidos.

• Adoptar el uso en prácticas de un entorno dedesarrollo que integre una herramienta de depu-ración paralela con una alta componente visual.

2.1. Inserción de Animaciones en Tutoriales y

guiones de prácticas

Entender cómo funciona un algoritmo puede sercomplicado, si además este debe funcionar parcial ototalmente de forma distribuida, la situación se vuel-ve aún más difícil. Generalmente el problema se en-cuentra asociado a la falta de entendimiento sobrequé parte del trabajo realiza cada proceso partici-pante y, especialmente, en qué puntos se compartenlos datos y qué datos son estrictamente necesariospara el correcto funcionamiento del algoritmo. Enocasiones, dichos datos se transmiten usando ope-raciones de comunicación colectivas (transferenciade uno a muchos, reparto de uno a muchos, reco-lección de muchos a uno, etc.) pensadas específica-mente para simplificar la programación sin mermarel rendimiento del programa. Explicar este tipo deproblemas claramente usando sólo un formato tex-

XVII Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática 153

tual es complicado y no asegura el adecuado apren-dizaje del estudiante.

Desde nuestro punto de vista, un desarrolladornuevo en el mundo del paralelismo carece de una es-tructura firme sobre la que recrear el funcionamien-to de algoritmos distribuidos. Para solventar las di-ficultades de comprensión planteadas, recurrimos aldicho "más vale una imagen que mil palabras", y sison imágenes en movimiento que describan la natu-raleza dinámica de un algoritmo paralelo, mejor.

En el enfoque propuesto se combinan dos aproxi-maciones diferentes, usando imágenes estáticas in-troductorias junto con animaciones para dar una des-cripción más detallada. La imagen representativapuede describir de forma abstracta el funcionamien-to del algoritmo u operación relacionándolo con unentorno cotidiano. Usar una imagen de estas caracte-rísticas permite reducir el tiempo dedicado al apren-dizaje, y además, una vez aprendida la finalidad, elusuario tan solo deberá contemplar de nuevo la ima-gen para recordarla en un futuro.

Las animaciones, en cambio, tienen como finali-dad mostrar los puntos clave en el tiempo de cadaalgoritmo u operación, así como los datos más rele-vantes que participan. Para facilitar el aprendizaje alargo plazo, todas las animaciones deberían usar elmismo modelo. De de esta forma un usuario inex-perto, tras visualizar unas pocas animaciones, ya seencontraría familiarizado con los conceptos básicosde cada una de ellas y esto también le ayudaría paraentender situaciones futuras.

Un ejemplo sencillo de explicación para el mode-lo gráfico es el caso de una operación de difusiónde datos entre procesos. En esta operación, un únicoproceso envía exactamente los mismos datos a to-dos los procesos de un grupo determinado. La Figu-ra 2 presenta una imagen que podría representar estaoperación y la Figura 3 muestra algunos fragmentosde una animación descriptiva de la misma.

2.2. Herramientas de visualización de procesos

en programas basados en paso de mensajes

Cuando nos proponemos validar, analizar o com-prender un programa paralelo, la tarea se vuelve máscomplicada que en un programa secuencial. Esteanálisis no es tan simple como hacer un seguimientode la traza de una ejecución secuencial. En el ca-so de un programa paralelo de paso de mensajes, la

Figura 2: Imagen representativa de una difusión

existencia de múltiples procesos interactuando entresí con operaciones de transferencia de datos, algunasde ellas bastante complejas, hace que analizar dichosprogramas sea una tarea ardua.

Una forma de abordar el análisis de programas ba-sados en paso de mensajes consiste en usar herra-mientas de análisis del rendimiento de programasdistribuidos [10, 15]. Entre otras posibilidades, estasherramientas permiten generar la información nece-saria durante la ejecución de los programas para po-der procesarla e interpretarla después de forma grá-fica. Para visualizar la información recopilada porla herramienta, se hace uso de aplicaciones específi-cas para visualizar el comportamiento de un progra-ma distribuido [3, 17]. Estas aplicaciones generanrepresentaciones gráficas de los procesos donde lasflechas denotan el paso de mensajes.

Los análisis visuales que permiten este tipo deherramientas favorecen la comprensión de los pro-gramas paralelos a los estudiantes que se inician enesta materia.

2.3. Uso de entornos de desarrollo con extensio-

nes para depuración multiproceso

Para cualquier principiante en programación, dis-poner de la ayuda de un Entorno de Desarrollo In-tegrado (IDE) sobre el que poder trabajar de formacentralizada es una gran ventaja. Con estas herra-mientas a disposición del programador, el desarro-llo de programas paralelos se facilita sustancialmen-te. El usuario puede dedicarse enteramente al desa-rrollo de aplicaciones sin preocuparse por detallessobre compilación, dependencias y, en algunos ca-sos, pueden recibir ayuda sobre errores sintácticos.A la hora de encontrar errores en la ejecución, los


Figura 3: Animación para la difusión de uno a muchos

depuradores se convierten en una herramienta pri-mordial, y cuando hablamos de depurar programasparalelos, más aún. Es muy común entre los progra-madores utilizar la salida por consola como méto-do de depuración simple. Sin embargo esto no es lomás aconsejable en programas paralelos, puesto queintervienen múltiples procesos o hebras que avan-zan de forma simultánea. Sin embargo, la mayoríade los depuradores tienen un problema añadido paraprincipiantes, ya que suelen funcionar por consolay el usuario debe aprender a manejarlo. Por consi-guiente, para facilitar lo máximo posible la tarea dedepuración de programas paralelos, disponer de undepurador con representación gráfica es esencial.

Para que entorno de desarrollo y el depurador in-tegrado sean útiles para nuestros propósitos, el es-tudiante debe poder visualizar algún tipo de repre-sentación gráfica de las unidades de ejecución, yasean hebras y/o procesos, durante el trazado de laejecución del programa paralelo, pudiendo consul-tar el estado de cada unidad de forma independienteen diferentes puntos de la ejecución.

3. Implementación particular en una pla-

taforma web de una asignatura de pro-

gramación paralela

El enfoque propuesto en la sección anteriorha sido implementado dentro de la página webhttp://lsi.ugr.es/ jmantas/pdp, dirigida a alumnos conun nivel considerable de programación secuencial,pero con poca experiencia en programación para-lela. La web se encuentra centrada principalmenteen la enseñanza práctica de la programación para-lela mediante los métodos anteriormente descritos,incluyendo los siguientes recursos

• Animaciones dentro de los guiones prácticos.• Un completo tutorial de MPI que describe los

problemas planteados con ayuda de animacio-nes, así como un tutorial de OpenMP.

• Documentación web sobre MPI y OpenMP ne-cesaria para abordar las prácticas, incluyendoanimaciones para describir funciones de MPI.

• Guías de instalación en Linux y manuales deuso de las principales herramientas usadas.Dentro de las herramientas se incluyen:

1. Una Herramienta de análisis y visualiza-ción de programas paralelos, denominada


Figura 4: Ejemplo de animación Flash interactiva

TAU [15].2. El IDE Eclipse y su depurador para pro-

gramas paralelos.

3.1. Diseño de las animaciones

Siguiendo la filosofía propuesta, todas las anima-ciones se introducen mediante una imagen que ilus-tra del funcionamiento descrito (véase un ejemplo enla Figura 2). Si el usuario necesita aún más informa-ción, pulsando sobre la imagen se desplegará la ani-mación (véase la Figura 3). Esta forma de funcionarpermite que un mayor número de dispositivos veanla web correctamente y también permite evitar lacarga de la animación cuando no se dispone de cone-xiones rápidas. Para el diseño de animaciones hemosrecurrido al ampliamente utilizado Flash [1, 11], loque permite que sean visualizadas por prácticamen-

Figura 5: Ejemplo de animación Flash cinemática

te cualquier navegador actual, además de poder dotara las animaciones de cierto grado de interactividad.Todas las imágenes y animaciones siguen el mismomodelo para lograr una mayor adaptación del usua-rio y permitirle centrarse antes en el contenido queen el funcionamiento de la propia animación. Parael caso de las animaciones, siempre siguen la mis-ma secuencia: una secuencia de introducción anima-da, presentación del cuadro de ayuda y ocultacióndel mismo, y reproducción del resto de la animación(véase la Figura 4).

Cuando se presenta texto en pantalla, se muestrancontroles del flujo de la presentación y las opcionesdisponibles son: pulsar sobre la pantalla, para conti-nuar con la siguiente secuencia; pulsar sobre pausapara detener la animación; o no hacer nada, en cu-yo caso la animación continuará cuando pase tiemposuficiente (véase la Figura 5).

Las animaciones para las funciones muestran sufuncionamiento en un orden temporal, destacandoel uso de los parámetros (véase la Figura 3). Lasanimaciones para los tutoriales muestran qué debehacer el programa que resuelve el problema plan-teado y algunos detalles sobre cómo lograrlo. Comomuestra, la Figura 6 esboza un algoritmo distribuidode ordenación Mergesort. En las animaciones paraprácticas, se explica cuál es el comportamiento quese debe lograr, utilizando representaciones similaresa las ya presentadas, para que el usuario pueda reco-nocerlas fácilmente. Así, en la Figura 7 se muestrael marco de una animación que describe una imple-mentación paralela del algoritmo de Floyd para bus-


Figura 6: Ejemplo de animación en tutorial

Figura 7: Ejemplo de animación en guión de prácticas

Figura 8: Salida de la herramienta TAU

car los caminos más cortos en un grafo.

3.2. Integración de una herramienta de análisis

de programas de paso de mensajes

Para facilitar su uso a los estudiantes, se ha op-tado por implantar un software gratuito de análisisde programas MPI denominado TAU (Tuning andAnalysis Utilities). TAU es un conjunto de utilida-des que nos permiten analizar programas paralelosescritos en lenguaje Fortran, C, C++, Java y Python.TAU nos permite hacer un análisis en profundidadde los programas paralelos de forma parecida a losanalizadores convencionales, además de realizar unanálisis del trazado de las comunicaciones entre pro-cesos. Los resultados de dichos análisis pueden ser


Figura 9: Depuración con Eclipse y PTP

visualizados de forma gráfica gracias a herramientascomo Paraprof [17], destinada a realizar estadísticasdel análisis, y Jumpshot [3] que muestra el trazadode las funciones de comunicación entre los procesosen una línea temporal.

El uso de TAU para visualización es sencillo. Seusa un script específico para compilación y enlacedel programa MPI que genera un ejecutable exten-dido. Al lanzar este ejecutable, además de la sali-da normal del programa, se guardan datos en fiche-ros durante su ejecución. Estos ficheros pueden serunificados y visualizados con Jumpshot. La Figura8 muestra la visualización obtenida para un progra-ma MPI sencillo. En la parte inferior se muestra unalínea temporal y los diferentes procesos aparecen co-mo barras horizontales divididas en franjas de dife-rentes colores que pueden hacer referencia a la eje-cución de diferentes funciones de MPI (tal como in-dica la leyenda que aparece en el lado izquierdo).Los puntos de comunicación entre procesos se indi-can claramente con elipses y flechas que unen dife-rentes instantes de tiempo en la representación grá-fica de los procesos.

3.3. IDE con depurador paralelo

Se ha optado por un IDE lo suficientemente sen-cillo de usar, extensible y gratuito, por lo cual elpopular IDE Eclipse [7] cumplía las característicasbuscadas para nuestros propósitos, además de serde código abierto. A través del sistema de extensio-nes del que dispone, Eclipse cuenta en su repertorio

Figura 10: Control de hebras con un IDE

con la mejor de las opciones para un desarrolladorde programas distribuidos, un depurador gratuito, li-bre, gráfico y con la capacidad de controlar progra-mas distribuidos, hablamos de la extensión Parallel

Tools Platform (PTP) [16]. Esta herramienta permitedepurar programas divididos en varios procesos. Entiempo de ejecución, el programa permite seleccio-nar cualquiera de los procesos y controlar su ejecu-ción mostrando el depurador en qué línea de códigose encuentra el proceso, pausar el resto de procesoso hacer que avancen hasta el mismo punto que elproceso seleccionado. La Figura 9 muestra el IDEdurante el proceso de depuración, distinguiéndose elproceso seleccionado y la línea de código que estáejecutando.

La herramienta es incluso capaz de controlar he-bras dentro de cada proceso, por lo que está indica-da también para trazar programas paralelos que usanOpenMP, como se muestra en la Figura 10.

3.4. Evaluación

Aunque no se ha tenido tiempo de realizar unaevaluación rigurosa, se ha pasado a los alumnos uncuestionario para detectar posibles deficiencias delsistema implantado. La Tabla 3.4 resume los resul-tados obtenidos (la máxima valoración es 5) y reflejaen general una buena aceptación del uso de las ani-maciones. La implantación de las herramientas deanálisis y depuración ha sido parcial ya que se pre-tende ir introduciendo los nuevos elementos paulati-namente en dos cursos académicos. No obstante, losestudiantes que han optado por usar Eclipse con el


Pregunta Med.

Calidad y efectividad de las guías de ayuda 4,2Comprensión del texto en ayuda de MPI 4,2Efectividad de imágenes en la ayuda de MPI 4,4Efectividad de animaciones en la ayuda de MPI 4,5Comprensión del texto en la ayuda de OpenMP 3,7Comprensión del texto en tutoriales y prácticas 4,2Efectividad de imágenes en tutoriales y prácticas 4,4Efectividad de animaciones en tutoriales y prácticas 4,5

Cuadro 1: Resumen de resultados del cuestionario

plugin PTP se han mostrado muy satisfechos con losbeneficios obtenidos tanto en la detección de errorescomo en la comprensión de la ejecución paralela.

4. Conclusiones y Trabajos Futuros

En este trabajo se proponen tres tipos de actua-ciones para mejorar el aprendizaje de la programa-ción paralela. Estas ideas están inspiradas en enfo-ques basados en la animación y visualización y sehan implementado en la página web de una asigna-tura de programación paralela. La combinación deanimaciones para describir el comportamiento de losalgoritmos paralelos, junto con el uso de herramien-tas de análisis, visualización y depuración gráfica deprogramas paralelos, se muestra como una via ade-cuada para mejorar el aprendizaje de los aspectosmás complejos de la programación paralela. Ademásestas ideas se pueden implantar fácilmente en asig-naturas de fundamentos de programación y algorit-mia en las que se decida impartir contenidos sobrecomputación y algoritmos paralelos.

Actualmente, se está trabajando en la extensióndel trabajo con las siguientes mejoras:

• Insertar animaciones para enriquecer el mate-rial web dedicado a OpenMP y extender el ma-terial web con recursos para el aprendizaje dela programación de GPUs.

• Desarrollar una aplicación web interactiva quepermita la edición de imágenes y animaciones,siguiendo las líneas guía ya introducidas.

Agradecimientos

El trabajo se ha financiado con los proyectos 09-162 de la Univ. de Granada (Innovación Docente) yMTM2008-06349-C03-03 (MEC).

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