高性能并行计算面试-核心概念-问题理解

目录

1.什么是并行计算？高性能从哪些方面体现？

2.CPU常见的并行技术

3.GPU并行

4.并发与并行

5.常见的并行计算模型

6.如何评估并行程序的性能？

7.描述Am达尔定律和Gustafson定律，并解释它们对并行计算性能的影响

8.并行计算中的同步与通信

9.关于并行算法设计：如何设计一个有效的并行算法？举例说明如何将一个串行算法转换为并行算法。

10.解释多核处理器、众核处理器和GPU在并行计算中的作用

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1.什么是并行计算？高性能从哪些方面体现？

并行计算是一种计算方法，它允许多个计算任务同时进行，以提高计算效率和速度。在并行计算中，一个大问题被分解成多个小问题，这些小问题可以独立地在多个处理器或计算节点上同时解决。当所有小问题解决后，它们的结果被合并以形成最终答案。

并行计算的特点：
多任务处理：并行计算可以同时处理多个任务，而不是按顺序一个接一个地处理。
提高效率：通过同时执行多个任务，可以显著减少总体计算时间。
可扩展性：并行计算系统可以扩展到更多的处理器或节点，以处理更大的问题集。
复杂性管理：并行计算可以帮助管理复杂性，因为它允许问题分解成更小、更易于管理的部分。
高性能的体现：
处理速度：高性能并行计算系统能够以更快的速度处理数据和执行计算。
可扩展性：系统能够随着需求的增长而扩展，无论是增加处理器数量还是增加存储容量。
高吞吐量：系统能够处理大量数据，同时保持高效率。
低延迟：高性能系统能够快速响应请求，减少等待时间。
可靠性和稳定性：高性能系统通常具有高可靠性，能够在长时间内稳定运行，减少故障和停机时间。
能效比：高性能计算系统在提供高计算能力的同时，也注重能源效率，减少能耗。
先进的硬件支持：高性能并行计算通常依赖于最新的处理器技术，如多核CPU、GPU、TPU等。
优化的软件和算法：高性能计算需要专门优化的软件和算法，以充分利用硬件资源。
通俗易懂的解释：
想象一下，你有一个巨大的拼图需要完成，如果只有你一个人，可能需要很长时间才能完成。但是，如果你有很多朋友帮忙，每个人都负责拼图的一部分，那么整个拼图很快就能完成。这就是并行计算的基本概念：多人同时工作，完成一个共同的任务。

高性能并行计算就像是拥有一支训练有素、装备精良的团队。他们不仅工作速度快，而且能够处理更大的拼图，同时还能确保拼图的质量。此外，他们还能在不耗尽体力的情况下工作很长时间，这意味着系统既快速又可靠。

在实际应用中，高性能并行计算可以用于天气预报、基因测序、物理模拟、大数据分析等领域，这些领域需要处理大量数据并快速得出结果。通过并行计算，我们可以更快地得到答案，从而做出更及时的决策。

2.CPU常见的并行技术

CPU的并行技术是指在单个处理器内部或多个处理器之间实现多个任务或指令同时执行的技术。这些技术可以显著提高计算效率和性能。以下是一些常见的CPU并行技术：

多线程（Multithreading）：
多线程允许单个CPU核心同时处理多个任务，通过时间分片技术在任务之间快速切换，给用户一种任务同时进行的错觉。
多核处理器（Multi-core Processing）：
多核处理器在单个芯片上集成了多个处理核心，每个核心可以独立执行任务，实现真正的并行处理。
超标量架构（Superscalar Architecture）：
超标量CPU能够在单个时钟周期内执行多条指令，通过动态调度技术，同时处理多条指令流水线。
向量处理（Vector Processing）：
向量处理器使用SIMD（单指令多数据）指令集，可以同时对多个数据元素执行相同的操作，常用于科学计算和图形处理。
乱序执行（Out-of-Order Execution）：
乱序执行技术允许CPU重新排序指令执行顺序，以避免数据依赖和等待，从而提高指令的执行效率。
分支预测（Branch Prediction）：
分支预测技术通过预测程序中的条件分支结果，提前加载和执行后续指令，减少因分支造成的延迟。
缓存并行性（Cache Parallelism）：
通过优化缓存层次结构和数据预取策略，CPU可以同时处理来自不同缓存级别的数据访问请求。
硬件事务内存（Transactional Memory）：
硬件事务内存是一种简化并发编程的技术，它通过硬件支持事务的开始、执行和提交，减少锁的开销。
SIMD指令集扩展（SIMD Extensions）：
如Intel的SSE（Streaming SIMD Extensions）和AVX（Advanced Vector Extensions），这些扩展提供了更高效的数据并行处理能力。
通俗易懂的解释：
想象一下，CPU就像一个工厂，而并行技术就是让这个工厂更高效地工作的方法。

多线程：就像工厂里的工人可以同时处理多个任务，比如一边打包一边接电话。
多核处理器：就像工厂里有多个车间，每个车间可以独立完成不同的生产任务。
超标量架构：就像工厂的流水线可以同时处理多个产品，每个产品在不同的工位上进行不同的操作。
向量处理：就像工厂使用机器同时对一大批相同的产品进行同样的操作，比如同时给多个瓶子贴标签。
乱序执行：就像工厂的工人可以根据实际情况调整工作顺序，以避免等待某个特定的零件。
分支预测：就像工厂的工人能够预测下一步需要什么，提前准备好，这样就不会因为缺少材料而停下来。
缓存并行性：就像工厂有多个仓库，可以同时从不同的仓库调取材料，加快生产速度。
硬件事务内存：就像工厂有一个自动化系统，可以确保多个工人同时工作时，生产过程不会出错。
SIMD指令集扩展：就像工厂引进了新的机器，可以更快地处理大量相似的任务。
通过这些技术，CPU能够更快、更有效地处理大量数据和任务，就像一个高效运转的工厂。

3.GPU并行

GPU（图形处理单元）并行是一种利用GPU的高并行性来加速计算的技术，特别是在处理图形渲染和大规模数据处理任务时。与CPU相比，GPU拥有更多的处理核心，这使得它能够同时执行大量相似的计算任务。

GPU并行的关键概念：
核心数量：GPU拥有成百上千个较小的处理核心，而CPU通常只有几个较大的核心。
数据并行性：GPU设计用于同时处理大量数据，每个核心可以执行相同的操作，但作用于不同的数据集。
线程块（Thread Block）：在GPU编程中，线程被组织成块，每个块可以独立地在不同的数据子集上工作。
网格（Grid）：线程块进一步被组织成网格，整个网格代表了所有要处理的数据。
共享内存（Shared Memory）：GPU中的线程块可以访问共享内存，这是一种快速的内存，用于存储线程块内所有线程共享的数据。
流（Stream）：GPU编程中，流允许程序同时启动多个并行任务，每个任务可以独立执行。
内核（Kernel）：内核是GPU上执行的并行函数，可以被成千上万的线程并行调用。
内存带宽：GPU拥有高内存带宽，可以快速地读写大量数据，这对于并行处理至关重要。
通俗易懂的解释：
想象一下，GPU就像一个大型的工厂，这个工厂有成千上万的工人（核心），他们可以同时工作来完成大量的任务。

核心数量：这个工厂有成千上万的工人，而不是像传统工厂那样只有几个工人。
数据并行性：每个工人都做同样的工作，但是他们处理的是不同的产品。比如，如果工厂在生产玩具车，每个工人都在组装玩具车，但他们组装的是不同的玩具车。
线程块：工人们被分成小组，每个小组负责一部分特定的任务。比如，一些小组负责安装轮子，另一些小组负责安装电池。
网格：所有的小组一起工作，形成了一个大的生产网络，覆盖了所有的生产任务。
共享内存：工人们可以快速地访问共享的工具和零件，这样他们就不需要等待别人用完再使用。
流：工厂的生产线可以同时启动多个任务，比如同时开始生产玩具车和玩具飞机。
内核：这是工厂的指令，告诉每个工人他们需要做什么。每个工人都按照这个指令工作。
内存带宽：工厂有一条非常宽的传送带，可以快速地将材料和成品在工厂内部移动。
通过这种方式，GPU可以非常快速地处理大量的数据，就像一个高效的工厂可以快速地生产大量的产品一样。这种并行处理能力使得GPU在科学计算、机器学习、图像处理等领域非常有用。

4.并发与并行

并发和并行是两个在计算机科学和编程中常见的概念，它们虽然经常被一起提及，但实际上有着不同的含义和应用场景。

并发（Concurrency）
定义：
并发是指在计算机系统中，多个任务（或进程）在宏观上看起来是同时执行的，但在微观上，它们可能是交替执行的。并发的关键在于任务之间的切换足够快，以至于给用户一种它们同时进行的错觉。

特点：

并发不一定需要多个处理器，单个处理器通过时间分片也可以实现并发。
并发任务可能共享相同的硬件资源，如CPU和内存。
并发编程需要处理任务之间的同步和通信问题，以避免竞态条件和死锁。
并行（Parallelism）
定义：
并行是指在计算机系统中，多个任务或计算过程在物理上同时进行。这通常需要多个处理器或核心来实现。

特点：

并行需要多个处理器或核心，每个处理器或核心可以独立地执行任务。
并行任务通常不共享处理器资源，但可能共享内存或其他资源。
并行编程需要考虑数据的分割、任务的分配以及结果的合并。
通俗易懂的解释：
想象一下，你有一份工作需要完成，这份工作可以分成几个小任务。

并发：就像你在一天中有多个约会，你不能同时参加所有的约会，但你可以在不同的时间点参加不同的约会。在计算机中，这就像是操作系统在不同的时间点切换执行不同的任务，让你感觉它们是同时进行的。
并行：就像你有多个朋友同时帮你完成这份工作，每个人都在做不同的部分，你们可以同时工作，这样可以更快地完成整个任务。在计算机中，这就像是多个处理器或核心同时执行不同的任务。
应用场景：
并发：适用于需要处理多个任务，但这些任务可能需要等待外部事件（如用户输入、网络响应等）的场景。例如，Web服务器可以同时处理来自多个用户的请求。
并行：适用于需要大量计算，且可以分解为多个独立子任务的场景。例如，科学计算、图像处理和机器学习等领域，可以利用并行计算来加速处理过程。
总结：
并发和并行都是提高系统性能和效率的方法，但它们的实现方式和应用场景有所不同。并发侧重于任务的快速切换，而并行侧重于任务的物理同时执行。在实际应用中，两者往往可以结合使用，以实现更高效的计算和处理。

5.常见的并行计算模型

并行计算模型是设计并行算法和并行程序的理论基础，它们定义了任务如何在多个处理器上分配和执行。以下是一些常见的并行计算模型：

单指令多数据（SIMD）模型：
在SIMD模型中，多个处理器执行相同的指令，但作用于不同的数据元素上。这种模型非常适合于数据并行性高的应用，如图像和信号处理。
多指令多数据（MIMD）模型：
MIMD模型允许不同的处理器执行不同的指令，同时处理不同的数据。这种模型提供了更高的灵活性，适用于复杂的并行应用。
单指令多线程（SIMT）模型：
SIMT是GPU中常见的模型，它结合了SIMD和MIMD的特点。在SIMT中，一组线程执行相同的指令，但每个线程可以有自己的执行路径。
多指令单数据（MISD）模型：
MISD模型较为少见，其中一个数据元素通过不同的处理器执行不同的指令。这种模型在某些特定的应用中可能有用，但在实际中很少使用。
任务并行（Task Parallelism）模型：
在任务并行模型中，一个大任务被分解成多个可以独立执行的子任务，这些子任务可以在不同的处理器上并行执行。
数据并行（Data Parallelism）模型：
数据并行模型专注于将大量数据分割成小块，然后在多个处理器上同时处理这些数据块。这种模型适用于可以自然分解为多个独立数据集的任务。
流水线（Pipeline）模型：
流水线模型将任务分解成一系列阶段，每个阶段由不同的处理器执行。数据在各个阶段之间流动，类似于工厂流水线。
向量处理（Vector Processing）模型：
向量处理模型专注于执行向量运算，即对数组或向量中的每个元素执行相同的操作。这种模型在科学计算和工程模拟中非常有效。
分布式共享内存（DSM）模型：
在DSM模型中，多个处理器共享一个统一的内存空间，但每个处理器有自己的本地缓存。这种模型隐藏了内存访问的复杂性，简化了并行编程。
分布式内存（Distributed Memory）模型：
分布式内存模型中，每个处理器有自己的独立内存，处理器之间通过消息传递来通信。这种模型适用于大规模并行系统。
通俗易懂的解释：
想象一下，你有一个大型的团队，需要完成一个复杂的项目。

SIMD模型：就像每个人都在做同样的工作，但是每个人负责项目的不同部分。
MIMD模型：就像每个人都有自己的任务，每个人都在独立地工作。
SIMT模型：就像团队中的小组，每个小组成员都在做同样的工作，但是可以根据需要调整自己的工作方式。
MISD模型：就像一个项目的不同部分被不同的人用不同的方法处理，这种情况很少见。
任务并行模型：就像一个大项目被分解成多个小任务，每个人都可以独立地完成自己的任务。
数据并行模型：就像你有大量的数据需要处理，每个人都在同时处理数据的不同部分。
流水线模型：就像工厂的流水线，每个人都负责流水线上的一个特定阶段，项目在各个阶段之间流动。
向量处理模型：就像每个人都在对一组数据执行相同的操作，比如计算或分析。
DSM模型：就像团队成员共享一个大型的资源库，每个人都可以从中获取和存储信息。
分布式内存模型：就像每个人都有自己的工具箱，团队成员之间通过交流来共享信息。

6.如何评估并行程序的性能？

评估并行程序的性能是一个复杂的过程，涉及到多个方面和指标。以下是一些关键的评估方法和性能指标：

吞吐量（Throughput）：
吞吐量是指在单位时间内系统能处理的数据量或任务数。高吞吐量意味着程序能高效地处理大量数据。
延迟（Latency）：
延迟是指从开始处理到任务完成所需的时间。在很多应用中，尤其是实时处理，低延迟是非常重要的。
加速比（Speedup）：
加速比是指使用并行计算相对于串行计算的加速程度。理想情况下，如果有P个处理器，加速比应该是P倍。
效率（Efficiency）：
效率是指加速比与处理器数量的比值，用于衡量并行程序的扩展性。理想效率是100%，但实际中很难达到。
可扩展性（Scalability）：
可扩展性是指程序在增加处理器数量时性能提升的能力。一个好的并行程序应该具有良好的可扩展性。
负载均衡（Load Balancing）：
负载均衡是指在所有处理器上均匀分配任务，避免某些处理器过载而其他处理器空闲。
通信开销（Communication Overhead）：
并行程序中的处理器需要通过通信来协调工作，通信开销会影响程序的性能。
计算与通信的比率（Compute-to-Communication Ratio）：
这个比率衡量了计算工作与通信工作的比例。一个高的比率通常意味着更好的性能。
内存访问模式（Memory Access Patterns）：
内存访问模式，包括缓存命中率和内存带宽的使用，对并行程序的性能有很大影响。
并行算法的正确性（Correctness of Parallel Algorithms）：
并行算法必须保证在所有并行执行中都能得到正确的结果。
容错性（Fault Tolerance）：
并行程序应该能够处理单个或多个处理器的故障，不影响整体性能和结果的正确性。
通俗易懂的解释：
想象一下，你正在组织一个大型的团队接力赛跑。

吞吐量：就像你的团队在一定时间内能跑多少圈。
延迟：就像你的团队完成整个比赛所需的时间。
加速比：就像你增加了更多的队员，期望他们能跑得更快。
效率：就像你的队员增加，但速度提升的比例。
可扩展性：就像你的团队能否在增加更多队员后仍然保持速度。
负载均衡：就像确保每个队员都有足够的机会跑步，没有人过度疲劳。
通信开销：就像队员之间传递接力棒所需的时间。
计算与通信的比率：就像跑步的时间与传递接力棒的时间的比例。
内存访问模式：就像队员记住路线和策略的能力，以避免浪费时间。
并行算法的正确性：就像确保每个队员都按照正确的路线跑，并且按照规则传递接力棒。
容错性：就像如果有队员摔倒了，其他队员能够继续比赛而不受影响。

7.描述Am达尔定律和Gustafson定律，并解释它们对并行计算性能的影响

 通俗易懂的解释：

• Am达尔定律：想象你有一个固定的任务量，无论你有多少人帮忙，总有一些任务是必须你自己完成的。如果你的任务中有很大一部分是别人不能帮忙的，那么即使增加更多的人，你的任务完成速度也不会有太大提升。

• Gustafson定律：现在想象你的任务量是可以随着帮忙人数的增加而增加的。如果你的任务量足够大，那么即使只有一小部分任务可以由别人帮忙，增加更多的人也能帮助你更快地完成任务。

8.并行计算中的同步与通信

在并行计算中，同步和通信是两个关键概念，它们对于确保程序的正确性和效率至关重要。

同步（Synchronization）
定义：
同步是指在并行程序中，多个线程或进程在执行过程中需要按照特定的顺序协作，以保证数据的一致性和程序的正确性。同步机制确保了在多线程环境中共享资源的访问不会发生冲突。

重要性：

同步用于防止多个线程同时访问和修改同一资源，这可能导致数据不一致或竞态条件。
同步机制可以保证程序的执行顺序，满足特定的逻辑要求。
实现方式：

使用锁（Locks）、信号量（Semaphores）、屏障（Barriers）等同步原语来控制线程的访问。
条件变量（Condition Variables）可以用来暂停线程的执行，直到某个条件满足。
通信（Communication）
定义：
通信是指在并行程序中，不同的线程或进程之间交换信息的过程。有效的通信机制是实现数据并行和任务并行的基础。

重要性：

通信允许分布式系统中的各个部分协同工作，共享计算结果。
通信机制可以支持任务分配、结果收集和数据聚合等操作。
实现方式：

消息传递（Message Passing）是最基本的通信方式，如MPI（Message Passing Interface）。
共享内存（Shared Memory）允许多个线程直接访问同一块内存区域，但需要同步机制来避免冲突。
同步与通信的关系
在并行计算中，同步和通信通常是紧密相关的：

同步可能需要通信来协调不同线程的行为。
通信过程中可能需要同步来保证数据在传输过程中的一致性。
影响性能的因素
过多的同步可能导致线程阻塞，降低并行效率。
通信开销可能影响程序性能，尤其是在分布式系统中。
负载不均衡可能导致某些线程空闲等待，而其他线程过载。
通俗易懂的解释
想象一下，你和几个朋友正在合作完成一项任务，比如画一幅大型壁画。

同步：就像你们需要协调每个人画的部分，以确保整幅画看起来协调一致。比如，你画天空，你的朋友画地面，我们需要确保颜色和风格统一。
通信：就像你告诉你的朋友你已经完成了天空部分，现在轮到他们开始画云朵。你们需要交流各自的进度和计划。
同步与通信的关系：就像在画壁画时，你们需要沟通（通信）来决定谁先画哪一部分（同步），以避免大家画到同一个地方。
性能影响：如果你们经常需要停下来等待别人完成他们的部分（同步），或者花很多时间讨论下一步怎么画（通信），那么完成这幅画的速度就会变慢。

9.关于并行算法设计：如何设计一个有效的并行算法？举例说明如何将一个串行算法转换为并行算法。

设计一个有效的并行算法是一个挑战，因为它需要考虑数据的划分、任务的分配、同步和通信等多个方面。以下是设计并行算法的一些关键步骤：

确定并行性：
分析问题和现有的串行算法，确定哪些部分是可以并行化的。
数据划分：
将数据分割成多个子集，以便在不同的处理器上同时处理。
任务分解：
根据数据划分的结果，将算法分解为多个可以独立执行的子任务。
设计通信策略：
确定子任务之间需要交换哪些信息，以及如何高效地进行通信。
同步机制：
设计必要的同步点，以确保数据的一致性和算法的正确性。
负载均衡：
确保所有处理器的工作量大致相等，避免某些处理器空闲而其他处理器过载。
考虑可扩展性：
设计算法时考虑其在更多处理器上运行时的性能。
容错性：
考虑算法如何在处理器失败时继续执行或恢复。
性能分析：
分析并行算法的性能，包括加速比、效率和可扩展性。
举例：将串行算法转换为并行算法
假设我们有一个简单的串行算法，用于计算一个大型数组的所有元素之和。串行算法如下：

def serial_sum(array):total = 0for value in array:total += valuereturn total

要将这个算法转换为并行算法，我们可以按照以下步骤进行：

数据划分：
将数组分割成多个子数组，每个子数组由一个处理器处理。
任务分解：
每个处理器计算其子数组的元素之和。
并行计算：
使用并行编程技术（如OpenMP、MPI或多线程）来同时执行所有子任务。
结果合并：
所有处理器完成计算后，将它们的结果汇总得到最终的总和。
并行算法的伪代码可能如下：

def parallel_sum(array, num_processors):# 确定每个处理器处理的数组段的大小chunk_size = len(array) // num_processorspartial_sums = [0] * num_processors# 并行区域开始for i in range(num_processors):# 每个处理器计算其子数组的和partial_sums[i] = sum(array[i * chunk_size:(i + 1) * chunk_size])# 并行区域结束# 汇总所有子和total = sum(partial_sums)return total

在这个例子中，我们首先将数组分割成num_processors个部分，然后使用并行编程技术来同时计算每个部分的和。最后，我们将所有部分的和加起来得到最终结果。

注意事项
并行算法设计需要考虑实际硬件的特性，如处理器数量、内存大小和网络通信能力。
并行算法的性能可能受到数据划分、通信开销和同步开销的影响。
并行算法的正确性需要通过仔细的设计和测试来保证。

10.解释多核处理器、众核处理器和GPU在并行计算中的作用

多核处理器、众核处理器和GPU都是并行计算中的关键硬件组件，它们各自具有不同的特点和优势，适用于不同类型的并行计算任务。

多核处理器（Multi-core Processors）
定义：
多核处理器是指在一个芯片上集成了两个或更多独立的核心（CPU核心），每个核心可以独立执行程序和任务。

作用：

提高计算能力：多个核心可以同时处理多个任务或程序，提高了整体的计算能力。
多任务处理：适合同时运行多个操作系统级别的任务，如不同的应用程序或服务。
对称多处理（SMP）：在SMP架构中，操作系统可以管理所有核心，实现任务在核心之间的均衡分配。
众核处理器（Many-core Processors）
定义：
众核处理器是指在一个芯片上集成了非常多的处理核心，通常超过8个核心，甚至达到上百个。

作用：

高并行性：适合执行高度并行的任务，如视频编码、科学计算和复杂的图形处理。
能效比较高：众核处理器通常设计为低功耗，适用于移动设备和嵌入式系统。
特定领域优化：某些众核处理器针对特定类型的应用进行了优化，如图形处理或数字信号处理。
GPU（Graphics Processing Units）
定义：
GPU原本设计用于处理图形和图像的渲染，但现代GPU具有高度并行的架构，非常适合通用并行计算。

作用：

大规模并行处理：GPU拥有成百上千个小核心，可以同时执行大量计算任务，非常适合数据并行性高的应用。
高吞吐量：GPU的高内存带宽和大量核心使其能够快速处理大量数据。
通用计算：通过CUDA、OpenCL等技术，GPU被用于各种非图形计算任务，如机器学习、物理模拟和大数据分析。
并行计算中的协同作用
在并行计算中，多核处理器、众核处理器和GPU可以协同工作，以实现最大的计算效率：

多核处理器可能用于运行操作系统和处理复杂的任务调度。
众核处理器可能专门用于处理特定类型的并行任务，如音频和视频处理。
GPU通常用于执行计算密集型和数据并行的任务，如深度学习训练和科学计算。
通俗易懂的解释
多核处理器就像一个有多个部门的公司，每个部门可以独立处理自己的工作，同时也能协作完成更大的项目。
众核处理器就像一个大型工厂，有成百上千的工人，每个人都专注于一项简单的任务，通过大家的协作，可以快速生产出大量的产品。
GPU就像一个超级市场，有大量的收银台（核心），可以同时为很多顾客（数据）结账，非常适合处理大量相似的小任务。
在并行计算中，这些不同的硬件组件可以根据它们的优势被用于处理不同类型的任务，以达到最佳的性能和效率。

END～

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其实我本以为最终上岸一定是很激动的，但却出奇的平静，但却又那么符合常理。出奇的是自己当初焦虑到做梦都是相关场景，理应非常激动，而不出奇的是与之前打比赛时的经历不谋而合，付出得越多反而越平静。此时的平静自许为成熟的平静，是对于一切结果的坦然，以及聚焦于当下道路的注意力，表现出来的就是当下没有多余的心情让我消费在结果上面，因为我认为人在与环境交互的过程中，总是需要学会接受一切正面和负面的反馈，并且使之不对自己当下的步伐产生负面影响，而这我认为是最大化我们目标的重要学习策略之一。