使用MPI进行分布式内存编程（1）

其他 2020-05-26 12:48:08 阅读次数: 0

MPI的英文全称为message passing interface,中文名为消息传递接口，他不是一种新的语言，而是一个可以被C，C++，Fortran程序调用的库。

预备知识

1.编译与执行

使用类似此形式进行编译 mpicc -g -Wall -o mpi_hello mpi_hello.c 进行编译，mpicc为C语言的包装脚本(wrapper script)而非编译器(compilier)。

执行的话，可以使用 mpiexec -n <number of processers> ./mpi_hello 来执行，在一些超算平台，如天河二号上，也可以使用yhrun等命令运行

2.MPI Init and MPI Finalize

 MPI_Init是告知MPI系统进行所有必要的初始化设置，如为消息缓冲区分配消息，为进程分配进程号等。

MPI_Finallize告知MPI系统已使用完毕，将MPI占用的资源释放。

一般的MPI程序框架如下：

. . .
#include <mpi.h>
. . .
int main(int argc, char argv[]) f
. . .
/* No MPI calls before this */
MPI Init(&argc, &argv);
. . .
MPI Finalize();
/* No MPI calls after this */
. . .
return 0;

｝

3.通信子，MPI_Comm_size和MPI_Comm_rank

通信子:一组可以相互发送消息的进程集合。

MPI_Comm_size：可以得到通信子的进程数

MPI_Comm_rank：可以得到通信子的进程号

4.MPI_Send和MPI_Recv

MPI_Send语法结构如下：

int MPI_Send(
void msg_buf_p /* in */,
int msg_size /* in */,
MPI Datatype_msg_type /* in */,
int dest /* in */,
int tag /* in */,
MPI_Comm_communicator /* in */);
msg_buf_p ---->指向包含消息内容的内存块的指针
msg_size ---->发生的数据量
Datatype_msg_type --->由于C语言之中的类型，如int，char等不能作为参数传递给函数。所以要使用这个参数作为媒介。

dest--->指定了需要接收信息的进程号
tag --->一个非负int类型数，用于区分看上去完全一样的信息。

MPI_Comm_communicator ---->通信子。


MPI_Recv语法结构如下：
int MPI_Recv(
void msg_buf_p /* out */,
int buf_size /* in */,
MPI_Datatype buf_type /* in */,
int source /* in */,
int tag /* in */,
MPI_Comm communicator /* in */,
MPI_Status status_p /* out */);
msg_buf_p--->指向内存块
buf_size --->指定了内存块之中要储存对象的数量

buf_type --->说明对象的类型
source ---> 指定接受的信息应该由哪个进程发送而来
tag --->一个非负int类型数，用于区分看上去完全一样的信息,需要与发送消息的参数tag相匹配
communicator --->通信子，需要与发送消息的参数communicator 相匹配
status_p ----> 大部分情况下不进行调用。

实例见https://www.cnblogs.com/caishunzhe/p/12935439.html

为了编写能够使用scanf的MPI程序，我们根据进程号来选取分钟。0号进程复制读取数据，并将数据发送给其他进程。程序如下
pro3.5.c
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<mpi.h>

double f(double x)
{
    return x*x+x*x*x+5;
}
double Trap(double left_endpt,double right_endpt,int trap_count,double base_len)
{
    
    
    double estimate,x;
    int i;
    estimate=(f(left_endpt)+f(right_endpt))/2.0; //梯形面积
    for(i =1;i<=trap_count-1;++i)
    {
        x=left_endpt+i*base_len;
        estimate+=f(x);
    }
    estimate=estimate*base_len;
    return estimate;
}

void Get_input(
    int my_rank,
    int comm_sz,
    double* a_p,
    double* b_p,
    int* n_p
)
{    
    int dest;
    if(my_rank==0)
    {
        printf("Enter a,b,and n\n");
        scanf("%lf %lf %d",a_p,b_p,n_p);
        for(dest=1;dest<comm_sz;++dest)
        {
            MPI_Send(a_p,1,MPI_DOUBLE,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
            MPI_Send(b_p,1,MPI_DOUBLE,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
            MPI_Send(n_p,1,MPI_INT,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
        }
    }
    else //rank!=0;
    {
        MPI_Recv(a_p,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
        MPI_Recv(b_p,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
        MPI_Recv(n_p,1,MPI_INT,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
    }
}




int main()
{
    /*
    int my_rank,comm_sz,n=1024,local_n;
    double a=0.0,b=3.0,h,local_a,local_b;
    */
    int my_rank,comm_sz,n,local_n;
    double a,b,h,local_a,local_b;
    double local_int,total_int;
    int source;
    
    MPI_Init(NULL,NULL); //初始化
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&comm_sz); //返回进程数
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&my_rank); //返回进程号
    
    //新加入的函数，处理输入问题
    Get_input(my_rank,comm_sz,&a,&b,&n);
    
    h=(b-a)/n;
    local_n=n/comm_sz;
    
    local_a=a+my_rank*local_n*h;
    local_b=local_a+local_n*h;
    local_int=Trap(local_a,local_b,local_n,h);
    
    if(my_rank!=0)
    {
        MPI_Send(&local_int,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD);
    }
    else
    {
        total_int=local_int;
        for(source=1;source<comm_sz;source++)
        {
            MPI_Recv(&local_int,1,MPI_DOUBLE,source,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); //接受其他节点信息
            total_int+=local_int;
        }
    }
    
    if(my_rank==0)
    {
        printf("With n=%d trapezoids,our estimated\n",n);
        printf("of the intergral from %f to %f=%.15e\n",a,b,total_int);
    }
    
    MPI_Finalize();
    return 0;
    
    
    
    
    
    
    
    
}

从0积分到50，划分的小间隔为100，1000,10000，理论上原函数为F(x)=1/3*x^3+1/4*x^4+5x ,积分值为F(50)-F(0)=1604416.6667

天河超算平台结果

可以看见，随着n的增大，划分的越来越细，结果越接近真实值。

实例上面是比较基本的实现，仔细分析之后发现其通信开销太大，0号进程需要负责所有进程的累加，如果又8个进程，那么就得加7次，随着进程的增长耗时线性增长
我们可以对其进行相应的改进，使用树型结构。
如下图的两种方法均可以，随进程数增长，时间为log（N）

 

 我们选取第一种策略

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<mpi.h>
/*只考虑最简单的2的幂次方情况*/

double f(double x)
{
    return x*x+x*x*x+5;
}
double Trap(double left_endpt,double right_endpt,int trap_count,double base_len)
{
    
    
    double estimate,x;
    int i;
    estimate=(f(left_endpt)+f(right_endpt))/2.0; //梯形面积
    for(i =1;i<=trap_count-1;++i)
    {
        x=left_endpt+i*base_len;
        estimate+=f(x);
    }
    estimate=estimate*base_len;
    return estimate;
}

void Get_input(
    int my_rank,
    int comm_sz,
    double* a_p,
    double* b_p,
    int* n_p
)
{    
    int dest;
    if(my_rank==0)
    {
        printf("Enter a,b,and n\n");
        scanf("%lf %lf %d",a_p,b_p,n_p);
        for(dest=1;dest<comm_sz;++dest)
        {
            MPI_Send(a_p,1,MPI_DOUBLE,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
            MPI_Send(b_p,1,MPI_DOUBLE,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
            MPI_Send(n_p,1,MPI_INT,dest,0,MPI_COMM_WORLD);
        }
    }
    else //rank!=0;
    {
        MPI_Recv(a_p,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
        MPI_Recv(b_p,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
        MPI_Recv(n_p,1,MPI_INT,0,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
    }
}




int main()
{
    /*
    int my_rank,comm_sz,n=1024,local_n;
    double a=0.0,b=3.0,h,local_a,local_b;
    */
    //comm_sz-->进程数  my_rank--->进程号
    int my_rank,comm_sz,n,local_n;
    double a,b,h,local_a,local_b;
    double local_int,total_int;
    int source;
    int t;
    MPI_Init(NULL,NULL); //初始化
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&comm_sz); //返回进程数
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&my_rank); //返回进程号
    
    //新加入的函数，处理输入问题
    Get_input(my_rank,comm_sz,&a,&b,&n);
    
    h=(b-a)/n;
    local_n=n/comm_sz;
    
    local_a=a+my_rank*local_n*h;
    local_b=local_a+local_n*h;
    local_int=Trap(local_a,local_b,local_n,h);
    /*
    if(my_rank!=0)
    {
        MPI_Send(&local_int,1,MPI_DOUBLE,0,0,MPI_COMM_WORLD);
    }
    else //my_rank=0
    {
        total_int=local_int;
        for(source=1;source<comm_sz;source++)
        {
            MPI_Recv(&local_int,1,MPI_DOUBLE,source,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); //接受其他节点信息
            total_int+=local_int;
        }
    }
    */
    
    
    /*
    if(my_rank%2!=0)//奇数向小一位的偶数发送,然后退休
    {
        MPI_Send(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank-1,0,MPI_COMM_WORLD);
    }
    else //偶数先接受奇数还可能有进一步的行动
    {
        //接受奇数节点信息
        total_int=local_int;
        MPI_Recv(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank+1,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); //接受其他节点信息
        total_int+=local_int;
        local_int=total_int;
        
        for(t=2;t<comm_sz;t<<1)
        {
            for(source=t;source<comm_sz;source+=2*t)
            {
                if(my_rank==source)
                    MPI_Send(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank-t,0,MPI_COMM_WORLD);
            }
            for(source=0;source<comm_sz;source+=2*t)
            {
                if(my_rank==source)
                {
                    total_int=local_int;
                    MPI_Recv(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank+t,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); //接受其他节点信息
                    total_int+=local_int;
                    local_int=total_int;
                }
            }
        }
        
    }
    */
        for(t=1;t<comm_sz;t*=2)
        {
            for(source=t;source<comm_sz;source+=2*t)
            {
                if(my_rank==source)
                {
                    MPI_Send(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank-t,0,MPI_COMM_WORLD);
                    break;
                }
            }
            for(source=0;source<comm_sz;source+=2*t)
            {
                if(my_rank==source)
                {
                    total_int=local_int;
                    MPI_Recv(&local_int,1,MPI_DOUBLE,my_rank+t,0,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); //接受其他节点信息
                    total_int+=local_int;
                    local_int=total_int;
                    break;
                }
            }
        }
    
    
    
        
    
    
    if(my_rank==0)
    {
        printf("With n=%d trapezoids,our estimated\n",n);
        printf("of the intergral from %f to %f=%.15e\n",a,b,total_int);
        //printf("comm_sz=%d",comm_sz);
    }
    
    MPI_Finalize();
    return 0;
    
    
    
    
    
    
    
    
}

天河超算平台结果

 





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