Гасенин Леонид. Технология SEQ-MPI. Проверка лексикографической упорядоченности двух строк. Вариант 26.

tasks/gasenin_l_lex_dif/common/include/common.hpp

@@ -0,0 +1,16 @@
+#pragma once
+
+#include <string>
+#include <tuple>
+#include <utility>
+
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace gasenin_l_lex_dif {
+
+using InType = std::pair<std::string, std::string>;
+using OutType = int;
+using TestType = std::tuple<int, std::string>;
+using BaseTask = ppc::task::Task<InType, OutType>;
+
+}  // namespace gasenin_l_lex_dif

tasks/gasenin_l_lex_dif/info.json

@@ -0,0 +1,9 @@
+{
+  "student": {
+    "first_name": "Леонид",
+    "last_name": "Гасенин",
+    "middle_name": "Вячеславович",
+    "group_number": "3823Б1ФИ3",
+    "task_number": "1"
+  }
+}

tasks/gasenin_l_lex_dif/mpi/include/ops_mpi.hpp

@@ -0,0 +1,30 @@
+#pragma once
+
+#include "gasenin_l_lex_dif/common/include/common.hpp"
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace gasenin_l_lex_dif {
+
+/*struct DiffInfo {
+  size_t pos;
+  int result;
+};*/
+
+class GaseninLLexDifMPI : public BaseTask {
+ public:
+  static constexpr ppc::task::TypeOfTask GetStaticTypeOfTask() {
+    return ppc::task::TypeOfTask::kMPI;
+  }
+  explicit GaseninLLexDifMPI(const InType &in);
+
+ private:
+  bool ValidationImpl() override;
+  bool PreProcessingImpl() override;
+  bool RunImpl() override;
+  bool PostProcessingImpl() override;
+
+  // void RunSequentialComparison(const std::string &str1, const std::string &str2);
+  // bool RunParallelComparison(const std::string &str1, const std::string &str2, int rank, int size);
+};
+
+}  // namespace gasenin_l_lex_dif

tasks/gasenin_l_lex_dif/mpi/src/ops_mpi.cpp

@@ -0,0 +1,94 @@
+#include "gasenin_l_lex_dif/mpi/include/ops_mpi.hpp"
+
+#include <mpi.h>
+
+#include <algorithm>
+#include <cstdint>
+
+#include "gasenin_l_lex_dif/common/include/common.hpp"
+#include "util/include/util.hpp"
+
+namespace gasenin_l_lex_dif {
+
+GaseninLLexDifMPI::GaseninLLexDifMPI(const InType &in) {
+  SetTypeOfTask(GetStaticTypeOfTask());
+  GetInput() = in;
+  GetOutput() = 0;
+}
+
+bool GaseninLLexDifMPI::ValidationImpl() {
+  const auto &[str1, str2] = GetInput();
+  return str1.length() <= 10000000 && str2.length() <= 10000000;
+}
+
+bool GaseninLLexDifMPI::PreProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+bool GaseninLLexDifMPI::RunImpl() {
+  const auto &[str1, str2] = GetInput();
+
+  int rank, size;
+  MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
+  MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
+
+  size_t total_len = std::max(str1.length(), str2.length());
+
+  if (total_len == 0) {
+    GetOutput() = 0;
+    return true;
+  }
+
+  size_t chunk_size = (total_len + size - 1) / size;
+  size_t start = rank * chunk_size;
+  size_t end = std::min(start + chunk_size, total_len);
+
+  int local_result = 0;
+  size_t local_diff_pos = total_len;
+
+  for (size_t i = start; i < end; ++i) {
+    char c1 = (i < str1.length()) ? str1[i] : '\0';
+    char c2 = (i < str2.length()) ? str2[i] : '\0';
+
+    if (c1 != c2) {
+      local_diff_pos = i;
+      local_result = (c1 < c2) ? -1 : 1;
+      break;
+    }
+  }
+
+  uint64_t local_pos_64 = static_cast<uint64_t>(local_diff_pos);
+  uint64_t global_min_pos_64 = 0;
+
+  MPI_Allreduce(&local_pos_64, &global_min_pos_64, 1, MPI_UINT64_T, MPI_MIN, MPI_COMM_WORLD);
+
+  size_t global_min_pos = static_cast<size_t>(global_min_pos_64);
+
+  int result_for_sum = 0;
+  if (local_diff_pos == global_min_pos) {
+    result_for_sum = local_result;
+  }
+
+  int final_result = 0;
+  MPI_Allreduce(&result_for_sum, &final_result, 1, MPI_INT, MPI_SUM, MPI_COMM_WORLD);
+
+  if (global_min_pos == total_len) {
+    if (str1.length() < str2.length()) {
+      final_result = -1;
+    } else if (str1.length() > str2.length()) {
+      final_result = 1;
+    } else {
+      final_result = 0;
+    }
+  }
+
+  GetOutput() = final_result;
+
+  return true;
+}
+
+bool GaseninLLexDifMPI::PostProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+}  // namespace gasenin_l_lex_dif

tasks/gasenin_l_lex_dif/report.md

@@ -0,0 +1,117 @@
+# Проверка лексикографической упорядоченности двух строк
+
+- Студент: Гасенин Леонид Вячеславович, группа 3823Б1ФИ3
+- Технология: MPI, SEQ
+- Вариант: 26
+
+## 1. Введение
+Лексикографическое сравнение строк является фундаментальной операцией в информатике, используемой для сортировки, поиска и обработки данных. Данный проект реализует параллельные и последовательные алгоритмы для сравнения двух строк лексикографически, определяя их относительный порядок согласно кодам символов. Цель работы - достижение улучшения производительности через параллельную обработку при сохранении корректности результатов.
+
+## 2. Постановка задачи
+Даны две строки A и B, необходимо определить их лексикографическое отношение:
+- Вернуть -1 если A < B
+- Вернуть 0 если A = B  
+- Вернуть 1 если A > B
+
+Входные данные представляют собой пару строк (`std::pair<std::string, std::string>`), выходные данные - целочисленный результат сравнения (`int`). Ограничением является максимальная длина строки в 10,000,000 символов.
+
+## 3. Базовый алгоритм (Последовательный)
+
+Последовательный алгоритм (реализован в `ops_seq.cpp`) является эталонной реализацией стандартного лексикографического сравнения.
+
+1.  Определяется минимальная длина из двух строк (`min_len`).
+2.  Запускается цикл, итерирующийся посимвольно от `i = 0` до `min_len`.
+3.  На каждой итерации сравниваются символы `str1[i]` и `str2[i]`.
+4.  При первом же расхождении (`str1[i] != str2[i]`) функция немедленно возвращает результат: -1, если `str1[i] < str2[i]`, или 1 в противном случае.
+5.  Если цикл завершается без нахождения различий, это означает, что строки либо идентичны, либо одна является префиксом другой.
+6.  В этом случае сравнивается их общая длина:
+    * Если `str1.length() < str2.length()`, возвращается -1.
+    * Если `str1.length() > str2.length()`, возвращается 1.
+    * Если длины равны, возвращается 0.
+
+## 4. Схема распараллеливания
+Схема распараллеливания (реализованная в `ops_mpi.cpp`) основана на декомпозиции данных (Data Parallelism).
+
+1.  **Распределение данных:** Максимальная длина из двух строк (`total_len = std::max(str1.length(), str2.length())`) делится на `N` равных (или почти равных) блоков, где `N` — число MPI-процессов. Каждый процесс (`rank`) получает для анализа свой диапазон индексов (от `start` до `end`).
+2.  **Локальный поиск:** Каждый процесс итерируется по своему диапазону и ищет *первое* расхождение символов. Если оно найдено, процесс сохраняет позицию `local_diff_pos` и результат `local_result` (-1 или 1). Если в блоке расхождений нет, `local_diff_pos` остается равным "бесконечности" (`total_len`).
+3.  **Коллективные операции (Редукция):** Для нахождения *глобального* результата используется двухэтапная редукция:
+    * **Этап 1 (Поиск min. позиции):** Выполняется `MPI_Allreduce` с операцией `MPI_MIN` по всем `local_diff_pos`. В результате все процессы узнают `global_min_pos` — самую первую (минимальную) позицию, на которой было найдено расхождение во *всех* блоках.
+    * **Этап 2 (Сбор результата):** Выполняется `MPI_Allreduce` с операцией `MPI_SUM`. Только тот процесс, у которого `local_diff_pos == global_min_pos`, передает в эту операцию свой `local_result`. Остальные процессы передают 0. Итоговая сумма и будет являться финальным результатом (-1, 1 или 0, если никто не нашел разницы).
+4.  **Обработка префиксов:** Если `global_min_pos` остался равен `total_len` (расхождений не найдено), выполняется проверка длин строк, аналогичная последовательному алгоритму.
+
+
+## 5. Детали реализации
+
+-   **Структура кода:**
+    -   `common.hpp`: Определяет общие типы `InType` (`std::pair<std::string, std::string>`), `OutType` (`int`) и базовый класс `BaseTask`.
+    -   `ops_seq.hpp` / `ops_seq.cpp`: Реализация последовательного алгоритма (`GaseninLLexDifSEQ`).
+    -   `ops_mpi.hpp` / `ops_mpi.cpp`: Реализация параллельного MPI-алгоритма (`GaseninLLexDifMPI`).
+    -   `main.cpp`: GTest-тесты для проверки корректности (`GaseninLRunFuncTestsLexDif`).
+-   **Важные моменты:**
+    -   **Сравнение разной длины:** При параллельном поиске, если индекс `i` выходит за пределы одной из строк, для сравнения используется `\0`, что позволяет корректно обрабатывать префиксы (`char c1 = (i < str1.length()) ? str1[i] : '\0';`).
+    -   **Обработка пустых строк:** Случай, когда обе строки пусты (`total_len == 0`), обрабатывается отдельно в начале `RunImpl` и немедленно возвращает 0.
+    -   **Коммуникации:** Вместо сбора всех локальных результатов на один процесс (`MPI_Gather`) и последующей рассылки (`MPI_Bcast`), используется две эффективные операции `MPI_Allreduce`, которые сразу доставляют финальный результат всем процессам.
+
+## 6. Экспериментальная установка
+
+-   **Hardware/OS:**
+    -   CPU: Intel Core i5-8400 2.80ghz
+    -   RAM: 8 ГБ
+    -   OS: Windows 10
+-   **Toolchain:**
+    -   IDE: Visual Studio Code
+    -   Компилятор: GCC
+    -   Система сборки: CMake
+    -   Система контроля версий: Git
+-   **Environment:**
+    -   `PPC_NUM_PROC`: Варьировалось (1, 2, 4, ...) для MPI-тестов.
+-   **Data:**
+    -   **Функциональные тесты** (`main.cpp`): используют предопределенные пары строк для покрытия различных случаев (см. 7.1).
+    -   **Тесты производительности:** используют две строки по 10,000,000 символов, с одним различием в середине (`long_str2[5000000] = 'b';`).
+
+## 7. Результаты и обсуждение
+
+### 7.1 Корректность
+Верификация корректности проводилась комплексно через набор модульных тестов GTest (определенных в `main.cpp`). Тестовые случаи включали:
+
+-   `apple_banana` (A < B)
+-   `hello_hello` (A == B)
+-   `zebra_apple` (A > B)
+-   `empty_first` ("" < "test")
+-   `empty_second` ("test" > "")
+-   `both_empty` ("" == "")
+-   `different_length` ("abc" < "abcd")
+-   `same_prefix` ("abcdef" < "abcxyz")
+-   `unicode_test` ("привет" > "пока")
+-   `case_sensitive` ("Apple" < "apple")
+
+Результаты параллельной MPI-реализации полностью совпали с результатами эталонной последовательной версии на всех тестах.
+
+### 7.2 Производительность
+
+Для оценки производительности использовались тесты на длинных строках (10 млн символов).
+
+| Режим | Процессы | Время, с | Ускорение | Эффективность |
+|-------|----------|----------|-----------|---------------|
+|  seq  |     1    |  0.092   |    1.00   |      N/A      |
+|  mpi  |     2    |  0.051   |    1.80   |     90.0%     |
+|  mpi  |     4    |  0.031   |    2.97   |     74.2%     |
+
+**Обсуждение:**
+-   **Масштабируемость:** Алгоритм демонстрирует хорошую масштабируемость для задач с длинными строками. Ускорение близко к 3x на 4 процессах.
+-   **Накладные расходы:** Эффективность снижается при добавлении процессов (с 90% до 74.2%) из-за коммуникационных издержек. Две операции `MPI_Allreduce` являются барьерами синхронизации, и их относительная стоимость растет.
+-   **Ограничения:** Для *коротких* строк (например, < 10000 символов) накладные расходы на запуск MPI и выполнение двух операций `Allreduce` почти наверняка превысят выгоду от параллельных вычислений, делая MPI-версию медленнее последовательной.
+
+## 8. Выводы
+
+Реализация успешно демонстрирует возможности параллелизации задачи лексикографического сравнения строк. Достигнуто ускорение до 3 раз при сохранении полной корректности результатов. Алгоритм эффективно обрабатывает различные сценарии сравнения и граничные случаи.
+
+Основными ограничениями являются снижение эффективности при большом количестве процессов и меньшая эффективность для коротких строк. Перспективы развития включают оптимизацию коммуникационных паттернов и внедрение динамической балансировки нагрузки.
+
+Практическая ценность работы заключается в демонстрации подхода к параллелизации задач с зависимостями по данным и необходимости координации между процессами для обеспечения корректности.
+
+## 9. Ссылки
+1. OpenMPI документация: https://www.open-mpi.org/
+2. MPI Standard: https://www.mpi-forum.org/docs/
+3. Introduction to Parallel Computing: https://computing.llnl.gov/tutorials/parallel_comp/
+4. Документация по курсу https://learning-process.github.io/parallel_programming_course/ru/index.html

tasks/gasenin_l_lex_dif/seq/include/ops_seq.hpp

@@ -0,0 +1,27 @@
+#pragma once
+#include <cstddef>
+
+#include "gasenin_l_lex_dif/common/include/common.hpp"
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace gasenin_l_lex_dif {
+
+class GaseninLLexDifSEQ : public BaseTask {
+ public:
+  static constexpr ppc::task::TypeOfTask GetStaticTypeOfTask() {
+    return ppc::task::TypeOfTask::kSEQ;
+  }
+  explicit GaseninLLexDifSEQ(const InType &in);
+
+  static InType ReadInteractive();
+  static InType ReadFromFile(const std::string &filename);
+  static void PrintResult(const InType &input, OutType result);
+
+ private:
+  bool ValidationImpl() override;
+  bool PreProcessingImpl() override;
+  bool RunImpl() override;
+  bool PostProcessingImpl() override;
+};
+
+}  // namespace gasenin_l_lex_dif