MPI Reduce and Allreduce

以下内容翻译自：MPI Reduce and Allreduce

在上一课中，我们介绍了使用MPI_Scatter和MPI_Gather执行MPI并行排序计算的应用示例。我们将通过MPI_Reduce和MPI_Allreduce进一步扩展集合通信例程。

注——本网站的所有代码均位于GitHub上。本教程的代码位于tutorials/mpi-reduce-and-allreduce/code下。

规约简介

Reduce是函数式编程的经典概念。数据规约涉及通过函数将一组数字缩减为一个较小的集合。例如，假设我们有一个数字列表[1,2,3,4,5]。用sum函数缩减这个数字列表将产生sum（[1,2,3,4,5]）= 15。同样，乘法规约将产生乘法([1, 2, 3, 4, 5]) = 120。

正如您可能想象的那样，将规约函数应用于一组分布式数字可能非常麻烦。除此之外，很难编制非交换规约，即必须按照设定的顺序进行规约。幸运的是，MPI有一个方便的MPI_Reduce函数，它可以处理程序员在并行应用程序中需要做的几乎所有常见的规约。

MPI_Reduce

与MPI_Gather类似，MPI_Reduce在每个进程上接收一组输入元素，并将一组输出元素返回到根进程。输出元素包含规约的结果。 MPI_Reduce的原型如下所示：

MPI_Reduce(
    void* send_data,
    void* recv_data,
    int count,
    MPI_Datatype datatype,
    MPI_Op op,
    int root,
    MPI_Comm communicator)

send_data参数是一组每个进程准备规约的数据，其类型为datatype。 recv_data只与具有根rank的进程相关。recv_data数组包含规约的结果并且其大小为sizeof(datatype) * count。op参数是对数据应用的操作。MPI包含一组可以使用的通用约简操作。虽然可以定义自定义规约操作，但这超出了本课的范围。MPI定义的规约操作包括：

• MPI_MAX ——返回最大元素。
• MPI_MIN ——返回最小元素。
• MPI_SUM ——元素求和。
• MPI_PROD——将所有元素相乘。
• MPI_LAND——执行元素逻辑与。
• MPI_LOR ——执行元素逻辑或。
• MPI_BAND ——对元素的位进行按位与。
• MPI_BOR ——对元素的位进行按位或。
• MPI_MAXLOC ——返回最大值及对应的进程rank。
• MPI_MINLOC ——返回最小值及对应的进程rank。

下面是MPI_Reduce通信模式的图示。

在上面，每个进程都包含一个整数。根进程0调用MPI_Reduce以并使用MPI_SUM作为缩减操作。将这四个数字加起来并存储在根进程中。

查看当进程包含多个元素时会发生什么对我们的理解非常有帮助。下图展示了每个进程中多个数字的规约。

上面的插图中每个进程都有两个元素。由此产生的求和发生在每个元素的基础上。 换句话说，不是将所有数组中的所有元素合并到一个元素中，而是将来自每个数组的第i个元素合并到进程0的结果数组中的第i个元素。

现在您已经了解了MPI_Reduce的概念，我们可以进入一些代码示例。

用MPI_Reduce计算数字的平均值

在上一课中，我向您展示了如何使用MPI_Scatter和MPI_Gather来计算平均值。 使用MPI_Reduce可以简化上一课的代码。以下是本课示例代码中reduce_avg.c的摘录。

float *rand_nums = NULL;
rand_nums = create_rand_nums(num_elements_per_proc);

// Sum the numbers locally
float local_sum = 0;
int i;
for (i = 0; i < num_elements_per_proc; i++) {
  local_sum += rand_nums[i];
}

// Print the random numbers on each process
printf("Local sum for process %d - %f, avg = %f\n",
       world_rank, local_sum, local_sum / num_elements_per_proc);

// Reduce all of the local sums into the global sum
float global_sum;
MPI_Reduce(&local_sum, &global_sum, 1, MPI_FLOAT, MPI_SUM, 0,
           MPI_COMM_WORLD);

// Print the result
if (world_rank == 0) {
  printf("Total sum = %f, avg = %f\n", global_sum,
         global_sum / (world_size * num_elements_per_proc));
}

在上面的代码中，每个进程创建随机数并进行local_sum计算。然后使用MPI_SUM将local_sum规约到根进程。全局平均值是global_sum / (world_size * num_elements_per_proc)。如果您从repo的tutorials目录运行reduce_avg程序，则输出应与此类似。

>>> cd tutorials
>>> ./run.py reduce_avg
mpirun -n 4  ./reduce_avg 100
Local sum for process 0 - 51.385098, avg = 0.513851
Local sum for process 1 - 51.842468, avg = 0.518425
Local sum for process 2 - 49.684948, avg = 0.496849
Local sum for process 3 - 47.527420, avg = 0.475274
Total sum = 200.439941, avg = 0.501100

现在是时候继续讨论`MPI_Reduce的兄弟——MPI_Allreduce了。

MPI_Allreduce

许多并行应用程序需要所有进程访问规约的结果，而不仅是根进程。与MPI_Allgather对MPI_Gather的补充类似，MPI_Allreduce进行规约并将结果分发给所有进程。函数原型如下：

MPI_Allreduce(
    void* send_data,
    void* recv_data,
    int count,
    MPI_Datatype datatype,
    MPI_Op op,
    MPI_Comm communicator)

正如您可能已经注意到的，MPI_Allreduce与MPI_Reduce相同，不同之处在于它不需要根进程ID（因为结果分发到所有进程）。以下说明了MPI_Allreduce的通信模式：

MPI_Allreduce相当于MPI_Reduce后跟MPI_Bcast。很简单，对吧？

用MPI_Allreduce计算标准差

许多计算问题需要多次规约才能解决。该类问题的一个例子是找到分布的一组数字的标准差。也许有人已经忘记了，标准差是衡量数字与他们平均数之间的分散程度。较低的标准偏差意味着数字间更接近，反之亦然。

要找到标准偏差，首先必须计算所有数字的平均值。在计算平均值之后，计算与平均值的平方差的和。平方差的和的平方根是最终结果。鉴于问题描述，我们知道至少会有两个所有数的和，转化为两个规约。课程代码中的reduce_stddev.c节选显示了MPI中的实现方法。

rand_nums = create_rand_nums(num_elements_per_proc);

// Sum the numbers locally
float local_sum = 0;
int i;
for (i = 0; i < num_elements_per_proc; i++) {
  local_sum += rand_nums[i];
}

// Reduce all of the local sums into the global sum in order to
// calculate the mean
float global_sum;
MPI_Allreduce(&local_sum, &global_sum, 1, MPI_FLOAT, MPI_SUM,
              MPI_COMM_WORLD);
float mean = global_sum / (num_elements_per_proc * world_size);

// Compute the local sum of the squared differences from the mean
float local_sq_diff = 0;
for (i = 0; i < num_elements_per_proc; i++) {
  local_sq_diff += (rand_nums[i] - mean) * (rand_nums[i] - mean);
}

// Reduce the global sum of the squared differences to the root
// process and print off the answer
float global_sq_diff;
MPI_Reduce(&local_sq_diff, &global_sq_diff, 1, MPI_FLOAT, MPI_SUM, 0,
           MPI_COMM_WORLD);

// The standard deviation is the square root of the mean of the
// squared differences.
if (world_rank == 0) {
  float stddev = sqrt(global_sq_diff /
                      (num_elements_per_proc * world_size));
  printf("Mean - %f, Standard deviation = %f\n", mean, stddev);
}

在上面的代码中，每个进程计算元素的local_sum并使用MPI_Allreduce对它们进行求和。每个进程都获得全局和之后，计算平均值以便计算local_sq_diff。一旦计算出所有局部平方差，就可以使用MPI_Reduce找到global_sq_diff。然后，根进程可以通过取全局平方差的平均值的平方根来计算标准差。

使用运行脚本运行示例代码会生成如下所示的输出：

>>> ./run.py reduce_stddev
mpirun -n 4  ./reduce_stddev 100
Mean - 0.501100, Standard deviation = 0.301126

接下来

现在您已经熟悉了所有常见集合——MPI_Bcast、MPI_Scatter、MPI_Gather和MPI_Reduce，我们可以利用它们构建复杂的并行应用程序。在下一课中，我们将开始MPI组和通信者。

对于所有课程，请参阅MPI教程章节。

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