О рекурсивно-параллельном алгоритме решения задачи о рюкзаке

In this paper, we offer an efficient parallel algorithm for solving the NP-complete Knapsack Problem in its basic, so-called 0-1 variant. To find its exact solution, algorithms belonging to the category ”branch and bound methods” have long been used. To speed up the solving with varying degrees of efficiency, various options for parallelizing computations are also used. We propose here an algorithm for solving the problem, based on the paradigm of recursive-parallel computations. We consider it suited well for problems of this kind, when it is difficult to immediately break up the computations into a sufficient number of subtasks that are comparable in complexity, since they appear dynamically at run time. We used the RPM ParLib library, developed by the author, as the main tool to program the algorithm. This library allows us to develop effective applications for parallel computing on a local network in the .NET Framework. Such applications have the ability to generate parallel branches of computation directly during program execution and dynamically redistribute work between computing modules. Any language with support for the .NET Framework can be used as a programming language in conjunction with this library. For our experiments, we developed some C# applications using this library. The main purpose of these experiments was to study the acceleration achieved by recursive-parallel computing. A detailed description of the algorithm and its testing, as well as the results obtained, are also given in the paper.Предлагается эффективный параллельный алгоритм решения NP-полной задачи о рюкзаке в ее исходном, так называемом 0-1 варианте. Для нахождения ее точного решения издавна применяются алгоритмы, относящиеся к категории "методов ветвей и границ". Для ускорения получения результата с разной степенью эффективности применяются также различные варианты организации параллельных вычислений. Мы предлагаем здесь алгоритм решения задачи, основанный на парадигме рекурсивно-параллельных вычислений. Он представляется нам хорошо пригодным для задач такого рода, когда трудно сразу разбить вычисления на достаточное количество сравнимых по трудоемкости подзадач, поскольку она проявляется динамически во время вычислений. В качестве основного инструмента для программной реализации алгоритма использовалась разработанная автором библиотека RPM_ParLib, позволяющая создавать эффективные приложения для вычислений на локальной сети в среде .NET Framework. Такие приложения обладают способностью порождать параллельные ветви вычислений непосредственно во время выполнения программы и динамически перераспределять работу между вычислительными модулями. При этом в качестве языка программирования может использоваться любой язык с поддержкой .NET Framework. Для проведения экспериментов было написано несколько программ на языке C# с использованием упомянутой библиотеки. Основной целью этих экспериментов было исследование ускорения, достигаемого за счет рекурсивно-параллельной организации вычислений. Подробное описание алгоритма и эксперимента, а также полученные результаты приводятся в работе.