使用 dask 进行高效的 n 体模拟

Question

一个N-body simulation用于模拟涉及粒子相互作用的物理系统的动力学，或者将问题简化为某种具有物理意义的粒子。粒子可以是气体分子或星系中的恒星。 Dask.bag 提供了一种简单的方法来分布集群中的粒子，例如，给 dask.bag.from_sequence() 一个自定义迭代器，即 returns 一个粒子对象：

class ParticleGenerator():
    def __init__(self, num_of_particles, max_position, seed=time.time()):
        random.seed(seed)
        self.index = -1
        self.limit = num_of_particles
        self.max_position = max_position
    def __iter__(self):
        return self 
    def __next__(self):
         self.index += 1
         if self.index < self.limit :
             return np.array([self.max_position*random.random(), self.max_position*random.random(), self.max_position*random.random()]) 
         else :
             raise StopIteration
b = db.from_sequence( ParticleGenerator(1000, 1, seed=123456789) )

在这里，粒子对象只是一个 numpy 数组，但可以是任何东西。现在，要计算所有粒子之间的相互作用，必须共享有关位置、速度和类似数量的信息。 dask.bag.map 在集合中的所有元素之间映射一个函数，在这个函数中，计算元素与所有其他粒子之间的相互作用以获得新的粒子状态。

b = b.map(update_position, others=list(b))
b.compute()

为了完整起见，这是 update_position 函数：

def update_position(e, others=None, mass=1, dt=1e-4):
    f = np.zeros(3)
    for o in others:
        r = e - o
        r_mag = np.sqrt(r.dot(r))
        if r_mag == 0 :
            continue 
        f += ( A/(r_mag**7) + B/(r_mag**13) ) * r
    return e + f * (dt**2 / mass)

A 和 B 一些任意值。 dask.bag.map() 可以在循环中多次调用以执行模拟。

Dask.bag是处理这类问题的好集合（抽象）吗？也许 Dask.distributed 是个更好的主意？
以这种方式对模拟进行编程，调度程序是否处理所有通信或有关位置、速度等的信息与工作间通信共享？
有优化代码的意见吗？特别是关于在调用 dask.bag.map() 时将集合转换为列表的过热问题。

Answer 1

一般来说，N 体模拟需要复杂的算法和数据结构才能运行高效。许多常见的解决方案包括使用复杂的树数据结构。您可能想要搜索诸如 kd-tree 或 barnes-hut 之类的术语。

另一方面，

Dask.bag 是您可以想象的 simplest/dumbest 并行编程抽象之一，类似于 MapReduce 和 Spark 等其他大容量数据处理系统。这些系统不够灵活，无法在 N 体模拟等复杂问题上提供良好的性能。

像 dask.array or dask.delayed 这样的东西会提供更多的灵活性，但即使是这些也不会与经过微调的 KD 树相同。

使用 dask 进行高效的 n 体模拟

Efficient n-body simulation with dask

python

dask