高性能计算-第二次课

1Chapter3基于MPI分布式内存编程AnIntroductiontoParallelProgrammingPeterPachecoHigh-performanceComputing&ApplicationsHigh-performanceComputing&Applications2Roadmap编写第一个MPI程序.常见的MPI函数.用MPI来实现梯形积分法.集合通信.MPI的派生数据类型.MPI程序的性能评估.并行排序算法.MPI程序的安全性.#ChapterSubtitleHigh-performanceComputing&Applications3分布式内存系统High-performanceComputing&Applications4消息传递并行程序设计MPI消息传递并行程序设计用户必须通过显式地发送和接收消息来实现处理机间的数据交换每个并行进程均有自己独立的地址空间，相互之间访问不能直接进行，必须通过显式的消息传递来实现适用于大规模并行处理机（MPP）和机群（Cluster）High-performanceComputing&Applications5并行计算粒度大，适合大规模可扩展并行算法消息传递程序设计要求用户很好地分解问题,组织不同进程间的数据交换,并行计算粒度大,特别适合于大规模可扩展并行算法High-performanceComputing&Applications消息传递并行程序设计MPI6什么是MPI?MassagePassingInterface:是消息传递函数库的标准规范，由MPI论坛开发，支持Fortran和C。一种新的库描述，不是一种语言；共有上百个函数调用接口，在Fortran和C语言中可以直接对这些函数进行调用；是一种标准或规范，而不是特指某一个对它的具体实现；MPI是一种消息传递编程模型，并成为这种编程模型的代表和事实上的标准。High-performanceComputing&Applications7为什么要使用MPI?高可移植性MPI已在PC机、MSWindows以及所有主要的Unix工作站上和所有主流的并行机上得到实现使用MPI作消息传递的C或Fortran并行程序可不加改变地在上述平台实现High-performanceComputing&Applications8MPI的发展过程发展的两个阶段1994年5月完成1.0版支持C和Fortran77制定大部分并行功能1997年4月完成2.0版动态进程并行I/O支持Fortran90和C++High-performanceComputing&Applications9常用的MPI版本MPICH是MPI最流行的非专利实现,由Argonne国家实验室和密西西比州立大学联合开发,具有更好的可移植性当前最新版本有MPICH3.2LAMMPI美国Indiana大学OpenSystems实验室实现更多的商业版本MPIHP-MPI，MS-MPI，……所有的版本遵循MPI标准，MPI程序可以不加修改的运行High-performanceComputing&Applications10HelloWorld!(aclassic)High-performanceComputing&Applications11从简单入手下面我们首先分别以C语言的形式给出一个最简单的MPI并行程序Hello该程序在终端打印出HelloWorld!字样.High-performanceComputing&Applications12识别MPI进程在并行编程中，常见的是将进程按照非负整数来进行标注.p个进程被编号为0,1,2,..p-1High-performanceComputing&Applications1314编译，生成hello的可执行代码mpicc-g-Wall-ompi_hellompi_hello.cC语言编译器的包装脚本打印警告信息源文件创建编译后的输出文件(默认为a.out)加入调试信息High-performanceComputing&Applications15Executionmpiexec-nnumberofprocessesexecutablempiexec-n1./mpi_hellompiexec-n4./mpi_hello用1个进程运行程序用4个进程运行程序High-performanceComputing&Applications16Executionmpiexec-n1./mpi_hellompiexec-n4./mpi_helloGreetingsfromprocess0of1!Greetingsfromprocess0of4!Greetingsfromprocess1of4!Greetingsfromprocess2of4!Greetingsfromprocess3of4!High-performanceComputing&Applications173.1.2MPI程序C语言.包含了main函数.标准头文件stdio.h,string.h,etc.包含mpi.h头文件.所有MPI定义的标识符都由字符串“MPI_”开始.下划线后的第一字母大写。表示函数名和MPI定义的类型避免混淆High-performanceComputing&Applications18MPI程序的框架结构头文件包含MPI库相关变量的声明定义与通信有关的变量程序开始调用MPI初始化函数程序结束调用MPI结束函数程序体计算与通信调用MPI其它函数High-performanceComputing&Applications19第三部分第五部分第一部分用C+MPI实现helloworld!#includempi.h#includestdio.h#includemath.hvoidmain(intargc,char*argv[]){intmyid,numprocsnamelen;charprocessor_name[MPI_MAX_PROCESSOR_NAME];MPI_Init(&argc,&argv);/*程序初始化*/MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myid);/*得到当前进程号*/MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&numprocs);/*得到总的进程数*/MPI_Get_processor_name(processor_name,&namelen);/*得到机器名*/printf(“helloworld!Process%dof%don%s\n,myid,numprocs,processor_name);MPI_Finalize();/*结束*/}第二部分第四部分High-performanceComputing&Applications20执行结果High-performanceComputing&Applications21MPI基本调用MPI为程序员提供一个并行环境库，程序员通过调用MPI的库程序来达到程序员所要达到的并行目的，可以只使用其中的6个最基本的函数就能编写一个完整的MPI程序去求解很多问题。这6个基本函数，包括启动和结束MPI环境，识别进程以及发送和接收消息：High-performanceComputing&Applications22从理论上说，MPI所有的通信功能可以用它的6个基本的调用来实现:MPI_Init:启动MPI环境MPI_Comm_size:确定进程数MPI_Comm_rank:确定自己的进程标识符MPI_Send:发送一条消息MPI_Recv:接收一条消息MPI_Finalize:结束MPI环境High-performanceComputing&Applications23(1)MPI初始化：通过MPI_Init函数进入MPI环境并完成所有的初始化工作，参数可直接设置为NULL。intMPI_Init(int*argc,char***argv)/*返回错误编码*/(2)MPI结束：通过MPI_Finalize函数从MPI环境中退出intMPI_Finalize(void)High-performanceComputing&Applications24(3)获取进程的编号：调用MPI_Comm_rank函数获得当前进程在指定通信域中的编号，将自身与其他程序区分。intMPI_Comm_rank(MPI_Commcomm,int*rank)*通信子：一组可以互相发送消息的进程集合。(4)获取指定通信域的进程数：调用MPI_Comm_size函数获取指定通信域的进程个数，确定自身完成任务比例。intMPI_Comm_size(MPI_Commcomm,int*size)High-performanceComputing&Applications25(5)消息发送：MPI_Send函数用于发送一个消息到目标进程。intMPI_Send(void*buf,intcount,MPI_Datatypedataytpe,intdest,inttag,MPI_Commcomm)(6)消息接受:MPI_Recv函数用于从指定进程接收一个消息intMPI_Recv(void*buf,intcount,MPI_Datatypedatatyepe,intsource,inttag,MPI_Commcomm,MPI_Status*status)High-performanceComputing&Applications26最简单的hello.c#includestdio.h#includempi.h“main(intargc,char*argv[]){MPI_Init(&argc,&argv);printf(“HelloWorld!\n);MPI_Finalize();}High-performanceComputing&Applications27MPI初始化-MPI_INITintMPI_Init(int*argc,char**argv)MPI_INIT(IERROR)MPI_INIT是MPI程序的第一个调用，完成MPI程序的所有初始化工作。所有的MPI程序的第一条可执行语句都是这条语句启动MPI环境，标志并行代码的开始并行代码之前，第一个mpi函数(除MPI_Initialize外)要求main必须带参数运行。否则出错High-performanceComputing&Applications28MPI结束-MPI_FINALIZEintMPI_Finalize(void)MPI_Finalize(IERROR)MPI_INIT是MPI程序的最后一个调用，它结束MPI程序的运行，它是MPI程序的最后一条可执行语句，否则程序的运行结果是不可预知的。标志并行代码的结束,结束除主进程外其它进程之后串行代码仍可在主进程(rank=0)上运行(如果必须)High-performanceComputing&Applications29运行MPI程序hello.c编译：mpicc-ohellohello.c运行：./hello[0]Abortingprogram!Couldnotcreatep4procgroup.Possiblemissingfileorprogramstartedwithoutmpirun.运行：mpiexec-np4helloHelloWorld!HelloWorld!HelloWorld!HelloWorld!High-performanceComputing&Applications30Hello是如何被执行的？SPMD:SingleProgramMultipleData(MIMD)#includestdio.h#incl