Studienarbeit von Jan Linxweiler WS 2003/2004

Transkript

1 Studienarbeit von WS 2003/2004

2 Studienarbeit von WS 2003/2004 Institut für Computeranwendungen im Bauingenieurswesen Technische Universität Braunschweig 1. Aufgabenstellung 2. Microsoft.NET 3. Der FlowSim in der Anwendung 4. FlowSim Objektmodell 5. Ergebnisse 6. Ausblick 7. Fragen 2

3 Aufgabenstellung Entwicklung eines auf der Lattice-Boltzmann-Methode basierenden interaktiven Strömungssimulators in C# mit verschiedenen Berechnungskernen 3

4 1. Interaktiver Strömungssimulator 2D-Strömungsprobleme uniforme Gitter Geometrie während der laufenden Simulation modifizierbar 4

5 2. Lattice-Boltzmann-Methode Numerische Algorithmen Simulation von Strömungs- und Transportprozessen Laminare, schwach kompressible Strömungen Im Bauwesen i.a. nicht kompressible Strömungen 5

6 3. C# Von Microsoft entwickelte Programmiersprache für.net Neue Plattform für Anwendungsentwicklung 6

7 4. Verschiedene Berechnungskerne Warum? 7

8 Numerische Simulation bedeutet: N~Re³ Hoher Rechenaufwand Viele Speicherbewegungen Wichtig: performanter Berechnungskern! 8

9 Fragen: 1. Hohe Ausführungsgeschwindigkeiten unter.net? 2. Optimierungsmöglichkeiten? 3. Interoperabilität? (vorhandener Code?) 4. Vergleich:.NET - Nativer Code (C++) 9

10 10

11 .NET (managed Code) Was ist das?.net is surrounded by too many buzzwords and generalities to be understandable. I m not sure the company knows what.net is, or whether anybody does. John Dvorak 11

12 .NET (managed Code) Was ist es nicht Betriebssystem Weiterhin Windows 2003, XP, 2000, Me, 98 Programmiersprache Weiterhin C++, VB, Java, Delphi, Fortran,. Neu: C# ( C sharp ) 12

13 Next Generation Web Services (NGWS) Sommer 2000 Beginn der.net Initiative 13

14 Microsoft.NET.NET Web Services Ständig verfügbare Internetdienste Messenger, Code-Updates, Suchmaschienen.NET Enterprise Server SQL Server 2000, Exchange Server 2000, Integration in.net Anwendungen.NET Framework. 14

15 .NET Framework Komponenten und Richtlinien Anwendungen erstellen, kompilieren und ausführen 15

16 .NET Framework Common Language Runtime (CLR) Framework Class Library (FCL) Common Type System (CTS) Common Language Specification (CLS) 16

18 Common Language Runtime (CLR) (Laufzeitumgebung Kern von.net) Vergleichbar mit der Java-VM Führt managed Code aus 18

19 19

20 Common Intermediate Language (CIL) Compiler erzeugen keinen nativen Code sondern eine prozessorunabhängige Zwischensprache CIL wird oft auch als IL bezeichnet 20

21 Managed Code Sämtlicher Code wird unter Aufsicht der Common Language Runtime ausgeführt Runtime führt Sicherheitsüberprüfungen aus Runtime übernimmt Speicherverwaltung und Fehlerbehandlung Runtime führt Versionsüberprüfungen aus Dieser Code wird als Managed Code bezeichnet 21

22 Common Language Runtime (CLR) (Laufzeitumgebung Kern von.net) JITer Garbage Collector Type Checker Class Loader - Just in Time Compiler - automatische Speicherverwaltung - Überprüfung Typkonvertierungen - Klassen der Laufzeitumgebung laden Versions-, Prozessraum-, Sicherheitsmanagement 22

24 24

25 Framework Class Library (FCL) (.NET-Klassenbibliothek) durchgehend objektorientiert - Basistyp Object mehr als 2400 Klassen in Namespaces organisiert GUI - Windows Forms ASP.NET - Web Forms ADO.NET - Datenbanken Longhorn: Win32-API WinFX 25

26 26

28 Common Type System (CTS) enthält alle verfügbaren Datentypen definiert Vorschriften für eigene Typen Basis für Sprachunabhängigkeit C# (Systemsprache) unterstützt alle verfügbaren Datentypen muß nicht von allen Sprachen unterstützt werden CLS 28

30 Common Language Specification (CLS) Untermenge des CTS muß von allen Sprachen unterstützt werden um Interoperabilität zu gewährleisten 30

31 Allgemeine Vorteile Automatische Speicherverwaltung (keine Zeiger) Einheitliche (komfortable) Klassenbibliothek Plattformunabhängigkeit Sprachunabhängigkeit Ausführungssicherheit XCOPY-Deployment Hoher Entwicklungskomfort 31

32 Spezielle Vorteile Automatische Speicherverwaltung CPU-spezifischer Code Typsicherheit Range Checking CLR - interne Optimierungsfunktionen Vorhandener Code kann integriert werden 32

33 Nachteile Zusätzlicher Verwaltungsaufwand durch die CLR Ausführungsgeschwindigkeit!? (Bindung an Windows) 33

34 numerische Simulation: Nativer Code (unmanaged Code) sequenziell (objektorientiert) C, Fortran, (C++) Plattformspezifisch Unix, Windows Pentium, Athlon Zeiger Speicherverwaltung Aufgabe des Programmieres 34

35 Nativer Code (unmanaged Code).NET (managed Code) sequenziell (objektorientiert) objektorientiert eine Programmiersprache sprachunabhängig plattformspezifisch (plattformunabhängig) Speicherverwaltung!!!! Programmierer Speicherverwaltung automatisch Zeiger Referenzen (Typsicherheit) 35

36 C# 36

37 C# ( C sharp ) Von Anders Hejlsberg bei Micosoft entwickelt.net Systemsprache Vollständig objektorientiert An C++ und Java angelehnt Setzt auf dem CTS auf 37

38 Neues in C# Interfaces Ähnlich einer abstrakten Klasse Interface: Definition Klasse: Implementierung Eine Art Vereinbarung Eigenschaften Kontrollierter Zugriff auf private Felder Getter-, Setter-Methoden 38

39 Hallo Welt in C# 39

40 Vorführung 40

41 Ausgangspunkt 1. FlowSim sequenzieller LBGK-Code 41

42 Rad nicht neu erfinden Details LBGK-Methode Affine Abbildungen Bresenham Algorithmus Formfunktionen 42

43 FlowSim Objektmodell Modularer Aufbau Komponenten Leicht austauschbare Programmteile Unabhängig zu implementieren Kommunikation über Schnittstellen Komponentenbasierte Programmierung.NET Steuerelemente 43

44 Aufgabenteile: 1. GUI (Graphical User Interface) Darstellung der Geometieobjekte Interaktives Erstellen & Modifizieren von geometrischen Objekten Steuerung & Darstellung der Simulation 2. Datenmodell Erstellen, Speichern und Modifizieren von Geometrieobjekten 3. Berechnungskerne Lattice-Boltzmann-Methode Unterschiedliche Technologien (.NET vs. Native C++) Ziel 44

45 FlowSim Objektmodell Drei Schichten GUI Data Simulation 45

46 Drei Schichten GUI Darstellung und Benutzerinteraktion Variierte Darstellung von Geometrieobjekten Interaktives Erstellen und Modifizieren von Geometrieobjekten Darstellung & Steuerung der Simulation Data Simulation 46

47 Drei Schichten GUI Data Datenhaltung und -modifikation Erstellen, Speichern, Modifizieren und Persistieren von Daten Geometrieobjekte, Geometriematrix Simulation 47

48 Drei Schichten GUI Data Simulation Berechnungskerne LBGK-Methode Momentenmodell 48

49 Namespaces FlowSim FlowSim.Core FlowSim.Dialogs FlowSim.GUI FlowSim.Document FlowSim.Document.Editing FlowSim.LB FlowSim.LB.Core FlowSim.LB.MC FlowSim.LB.Qt FlowSim.LB.Remoting FlowSim.Geometries FlowSim.Geometries.GeoData FlowSim.Geometries.GeoVisual } } } GUI Data Simulation Elementare Datentypen 49

50 FlowForm GUI Einstiegspunkt für die Anwendung Menü, Toolbar, Statusleiste FlowPanel Darstellung, Benutzerinteraktion Verwendet WorldToPanelTransformer FlowController Steuerung der Simulation Dialoge 50

51 GUI FlowForm FlowPanel FlowController 51

52 52

53 Elementare Datentypen Namespace Geometries Punkt - Geo2D, GeoWindowCoords Affine Abbildungen - GeoTransformMatrix Geometrieobjekte - (DataCircle, VisCircle, DataRectangle ) Listen - DataGeoList, VisGeoList Matrix der Geometrieobjekte - GeoMatrix 53

54 Trennung: Visualisierung Daten VisCircle - DataCicle VisRectangle - DataRectangle VisPolygon - DataPolygon VisGeoList - DataGeoList GeoVisMatrix - GeoMatrix 54

55 Trennung: Visualisierung Daten GeoData::DataBase -mid : int IVisual -mdatacircle : IDataCircle GeoVisual::VisCircle +Paint(in g : Graphics, in worldtopanel : GeoTransformMatrix) * IDataBase 1 IDataCircle GeoData::DataCircle -mcenter : Geo2D -mrad : double +MaxWindow() : GeoWindowCoords +Discretize(in geomatrix : GeoMatrix) +Move(in delta : Geo2D) 55

56 Data-Layer Namespace Document FlowDocument Projektdaten - FlowProject (speichern - öffnen) Datenhaltung - DataGeoList, VisGeoList - GeoMatrix, GeoVisMatrix Datenmodifikation - FlowGeoEditor (Geo-Objekte modifizieren) - CircleBuilder - RectangleBuilder (Geo-Objekte erstellen) - PolygonBuilder.alle IGeoBuilder 56

57 57

58 Simulation-Layer FlowSimulation Steuerung der Simulation Run(), Stop(), Pause(), Resume(), UpdateMatrices() LBComputationXXX ILBComputation RunLBGK(), RunMRT() calculation(), propagate(), collide(), LBVisComputationXXX ILBVisComputation PaintField() PaintVectors() mehrere Varianten 58

59 59

60 Varianten der Berechnungskerne Verschiedene Array Typen Arrays hohe Bedeutung im Berechnungskern Zeiger in.net Können in C# verwendet werden Interoperabilität Zusammenspiel von verwalteter & unverwalteter Welt 60

61 Arrays Rechteckige Arrays int[,,] Zusammenhängender Speicherbereich 1. Berechnungskern Verschachtelte Arrays Int[ ][ ][ ] Unzusammenhängende Speicherbereiche 2. Berechnungskern 61

62 Zeiger in.net Interoperabilität & Performancesteigerung Keine Sicherheitsüberprüfungen durch CLR Typsicherheit Range Checking Schlüsselwort: unsafe Zeigerarithmetik Schlechte Lesbarkeit des Quelltextes rho=pf[m_ny*9*i+9*j+0]+pf[m_ny*9*i+9*j+1]+... (rho = m_f[i,j,0]+m_f[i,j,1]+m_f[i,j,2]+ ) 3. Berechnungskern 62

63 Interoperabilität C++ Managed Extensions Erweiterung der Sprache C++ Mischen von managed & unmanaged Code Unverwaltete Daten & Verwalteter Code 4. Berechnungskern Rein Unverwalteter Code 5. Berechnungskern 63

64 Berechnungskerne GUI LB- Berechnungskerne managed unmanaged safe unsafe rectangled arrays jagged arrays unsafe arrays 64 managed Code - unmanaged Data pure unmanaged

65 Berechnungkerne regulärer Managed Code 1. Rectangled Arrays 2. Jagged Arrays Managed Code + Zeiger 3. Unsafe Managed Code 4. Managed C++ Nativer Code 5. Unmanaged Code 65

66 Testläufe 5 Berechnungskerne Strömungsgebiet mit Knoten 9 Rechner LBGK & Momentenmodell 66

67 LBGK-Methode Athlon XP GHz, 1,5 GB P4 mobile 1.6 GHz, 500 MB Mobile P4 1.6 GHz, 768 MB P4 1.7 GHz, 1,5 GB DDR Athlon XP GHz, 1,5 GB Athlon XP Ghz, 1,5 GB P4 2.4 GHz; 1,0 GB P4 2.4 GHz, 1,0 GB Opteron 2.0 Dual, 2x 2,75 GB DDR 2,75 2,5 2,25 Millionen nups 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 rectangled Arrays jagged Arrays unsafe unmanaged Data unmanaged Data managed Code managed Code managed Code managed Code unmanaged Code 67

68 Momentenmodell Athlon XP 1800+, 1.53 GHz 1,5 GB P4 mobile 1.6 GHz, 500 MB Mobile P4 1.6 GHz, 768 MB P4 1.7 GHz, 1,5 GB DDR Athlon XP GHz, 1,5 GB P4 2.4 GHz, 1,0 GB P4 2.4 GHz, 1,0 GB Athlon XP Ghz, 1,5 GB Opteron 2.0 Dual, 2x 2,75 GB 2,75 2,5 2,25 Millionen nups 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 rectangled Arrays jagged Arrays unsafe unmanaged Data unmanaged Data managed Code managed Code managed Code managed Code unmanaged Code 68

69 Ergebnisse Jagged Arrays zu bevorzugen CLR kann Range Checking unterdrücken Unmanaged Code i.a. gute Ergebnisse u.u. Managed Code sehr gute Ergebnisse Es gibt nicht DIE Performanceoptimierung Unsafe Code unverhältnismäßig viel Aufwand Managed C++ sehr flexibel 69

70 2. Vorführung 70

71 Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen? 71