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  • 并行程序设计导论》第三章:       用MPI进行分布式内存编程-教程02               (湖南大学并行计算项目组内部学习资料) 三、MPI实现 3.点对点通信 (1)发送: MPI_Send函数: 函数原型: ...

    《并行程序设计导论》第三章:

          用MPI进行分布式内存编程-教程02

                  

    三、MPI实现


    3.点对点通信

    (1)发送: MPI_Send函数:

    函数原型:

    int MPI_Send(
            void*           msg_buf_p,
            int             msg_size,
            MPI_Datatype    msg_type,
            int             dest,
            int             tag,
            MPI_Comm        communicator){...}
    


    参数解释:
      ①void* msg_buf_p:
      消息的地址。
      ②int msg_size:
      消息的大小(字节数)。
      ③MPI_Datatyoe msg_type:
      MPI自己的数据类型。
      ④int dest:
      发送消息的目的地,也就是接收进程的进程号。
      ⑤int tag:
      标签,用于区分多个消息。随意设置(如0、1、2…),但MPI_Send与MPI_Recv的tag值相等接收成功。
      ⑥MPI_Comm communicator:
      通信子名字。
      ⑦返回值:
      错误码。

    函数作用:
      当前调用此函数的进程,将msg_buf_p指向的内存中msg_size大小的msg_type类型的消息,并打上tag标签后,发给名叫communicator通信子中序号为dest的进程。



    (2)接收: MPI_Recv函数:

    函数原型:

    int MPI_Recv(
            void*           msg_buf_p,
            int             buf_size,
            MPI_Datatype    buf_type,
            int             source,
            int             tag,
            MPI_Comm        communicator,
            MPI_Status*     status_p){...}
    


    参数解释:
      ①void* msg_buf_p:
      接收到的消息要存放的地址。
      ②int buf_size:
      消息存放区的大小(字节数)。
      ③MPI_Datatype buf_type:
      消息存放区的数据类型。
      ④int source:
      接收消息的来源地,也就是发送这个消息的进程的进程号。注意,只有在MPI_Recv函数中才存在一个特殊的MPI常量:MPI_ANY_SOURCE意为可以接收任意来源进程的信息。
      ⑤int tag:
      标签,用于区分多个消息。随意设置(如0、1、2…),但MPI_Send与MPI_Recv的tag值相等接收成功。注意,只有在MPI_Recv函数中才存在一个特殊的MPI常量:MPI_ANY_TAG意为可以接收任意标签值的信息。
      ⑥MPI_Comm communicator:
      通信子名字。
      ⑦MPI_Status* status_p
      大部分情况下,我们并不使用这个参数,通常用特殊的MPI常量MPI_STATUS_IGNORE填写参数。更深一步:该参数实际上存放有来源地相关的信息,可以用MPI_Get_count函数来得到。
      ⑧返回值:
      错误码。

    函数作用:
      当前调用此函数的进程接收来自名为communicator通信子中进程号为source的进程发来的消息,并将此消息存放在msg_buf_P指向的buf_type类型且大小为buf_size的内存区域中。

    (3)MPI_Datatype类型

    MPI_Datatype

    (4)send与recv的作用机理
      ①MPI_Recv是阻塞型(挂起型),必须要有与之配对的MPI_Send函数在MPI缓存中,MPI_Recv才会激活工作。
      ②更进一步:同一组收发配对进程调用MPI_Send函数与MPI_recv有严格的顺序关系,如:进程1先Send一个A消息到进程2,再Send一个B消息到进程2,那么进程2一定是先接收A再接收B,无论进程2的MPI_Recv的顺序如何。
      ③更进一步:MPI_Send函数,是将消息传递到MPI缓存中便返回,而MPI_Recv函数是进程成功接收到消息后才返回。


    (5)练习
    请将下面的代码补充完整

    
    /*介绍:
     *由0号进程输出:进程0中的a的值与进程1中的a的值与进程2中的a的值的和
    */
    
    /*----头文件------*/
    #include <stdio.h>
    #include <?>//请补充:MPI头文件
    /*---------------*/
    
    /*---建立全局变量---*/
    MPI_? comm;//请补充:通信子的MPI类型
    int comm_sz;
    int my_rank;
    /*-------------------*/
    
    int main(int argc,int* argv[]){
        MPI_//请补充:MPI初始化
        comm = ?;//请补充:通信子名
        MPI_//请补充:获得通信子大小返回给comm_sz
        MPI_//请补充:获得当前进程号返回给my_rank
        
        int a = 5;
        int b = 0;
        int c = 0;
        int sum = 0;
        if(my_rank==1){
            a = 7;
            MPI_Send(&a,1,MPI_INT,0,0,comm);
        }
        if(my_rank==2){
            a = 9;
            MPI_Send();//请补充:将a的值发送给0号进程,tag值为1
        }
        if(my_rank==0){
            MPI_Recv();//请补充:接收来自1号进程的消息并存入b中
            MPI_Recv(&c,1,MPI_INT,2,1,comm,MPI_STATUS_IGNORE);
            sum = a+b+c;
            printf("I am proc%d in %d,proc0a+proc1a+proc2a=%d\n",my_rank,comm_sz,sum);
        }
        MPI_Finalize();
    }
    
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  • 并行程序设计导论》第三章:       用MPI进行分布式内存编程-教程04               (湖南大学并行计算项目组内部学习资料) 三、MPI实现 5.集合操作通信 (1): MPI_Reduce函数 函数原型: ...

    《并行程序设计导论》第三章:

          用MPI进行分布式内存编程-教程04

                  

    三、MPI实现


    5.集合操作通信

    (1): MPI_Reduce函数

    函数原型:

    int MPI_Reduce(
                void*           input_data_p,
                void*           output_data_p,
                int             count,
                MPI_Datatype    datatype,
                MPI_Op          operator
                int             dest,
                MPI_Comm        communicator){...}
    


    参数解释:
      ①void* input_data_p
      每一个进程要输入的数据存放地。
      ②void* output_data_p
      输出结果的存放地。
      ③int count
      操作次数,注意:如果count>1,那么MPI_Reduce函数可以应用到数组上(配合input_data_p指向一个数组,output_data_p指向一个数组)。
      ④MPI_Datatype datatype
      MPI数据类型。
      ⑤MPI_Op operator
      要执行的操作名。
      ⑥int dest
      MPI将操作过后的结果传入的目的地进程的序号
      ⑦MPI_Comm communicator
      通信子名。
      ⑧返回值:
      错误码。

    函数作用:
      count=1时:名为communicator通信子中所有进程中(包括目的地进程)input_data_p指向的datatype类型的数据存放地中的第1个数据,全部汇集到MPI缓存中,MPI对它们执行operator操作,得到的结果再传入dest号进程的output_data_p指向的区域中。
      count=k时:在count=k-1的基础上,communicator通信子中所有进程中(包括目的地进程)intpu_data_p指向的datatype类型的数据存放地中的第k个数据,全部汇集到MPI缓存中,MPI对它们执行operator操作,得到的结果再传入dest号进程的output_data_p指向的区域中的第k个位置。



    (2): MPI_Allreduce函数

    与MPI_Reduce函数的区别:
      MPI_Reduce函数只会将结果传递给目的地进程,而MPI_Allreduce函数会将结果传递给每一个进程。

    函数原型:

    int MPI_Allreduce(
                void*           input_data_p,
                void*           output_data_p,
                int             count,
                MPI_Datatype    datatype,
                MPI_Op          operator
                MPI_Comm        communicator){...}
    


    参数解释:
      ①void* input_data_p
      每一个进程要输入的数据存放地。
      ②void* output_data_p
      输出结果的存放地。
      ③int count
      操作次数,注意:如果count>1,那么MPI_Allreduce函数可以应用到数组上(配合input_data_p指向一个数组,output_data_p指向一个数组)。
      ④MPI_Datatype datatype
      MPI数据类型。
      ⑤MPI_Op operator
      要执行的操作名。
      ⑥MPI_Comm communicator
      通信子名。
      ⑦返回值:
      错误码。

    函数作用:
      count=1时:名为communicator通信子中所有进程中intpu_data_p指向的datatype类型的数据存放地中的第1个数据,全部汇集到MPI缓存中,MPI对它们执行operator操作,得到的结果再传入每一个进程的output_data_p指向的区域中。
      count=k时:在count=k-1的基础上,communicator通信子中所有进程中intpu_data_p指向的datatype类型的数据存放地中的第k个数据,全部汇集到MPI缓存中,MPI对它们执行operator操作,得到的结果再传入每一个进程的output_data_p指向的区域中的第k个位置。



    (3)MPI_Op可取的值


    MPI_Op



    6.MPI派生数据类型

    (1)背景
      用多条消息发送一定量的数据明显比只用一条消息发送等量数据的开销更大。MPI提供了三种手段来整合可能需要多条消息才能交换的数据。①count参数;②派生数据类型;③MPI_Pack与MPI_Unpack函数。目前我们已经能熟练使用count参数,现在我们来了解MPI派生数据类型,至于MPI打包/解包函数暂时用得不多,可以自己去了解。

    (2)实现
      由于书上说得十分完善与精简,故直接贴上书中的表述,如下:
    1
    2
    3



    7.计时

    下面这一段代码可用于对一段MPI程序进行计时并报告运行时间:

    double local_start,local_finish,local_elapsed,elapsed;
    ...
    MPI_Barrier(comm);//能够确保同一通信子中的所有进程都完成调用该函数之前,没有进程能够返回
    local_start = MPI_Wtime();//MPI_Wtime此函数记录之前某一时刻到此时所经历的时间
    ...
    local_finish = MPI_Wtime();//所有MPI_Wtime函数的时间开始时刻在同一进程中是同一时刻
    local_elapsed = local_finish-local_start;
    MPI_Reduce(&local_elapsed,&elapsed,1,MPI_DOUBLE,MPI_MAX,0,comm);
    
    if(my_rank==0){
        printf("%e\n",elapsed);
    }
    

    ###四、终极练习
      请结合所学设计一个利用MPI实现的并行归并排序程序,要求如下:
      ①进程数无限制(数量无上限,可为奇数,也可为偶数);
      ②关键字数量无限制(可以为奇数,也可以为偶数);
      ③当进程数为1时,此程序就是一个串行的归并排序;
      ④以10000个关键字数为输入时,10进程时,并行效率不低于61%。

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  • 并行程序设计导论
  • 为什么要编写并行程序与构建并行系统 The answer:单处理器的性能具有瓶颈,内部原因是因为晶体管的密度不可能无限制的增大,外部原因是因为密度增大,处理器的散热就是一个很大的问题,过于高的温度会影响性能。 ...

    why ?

    为什么要编写并行程序与构建并行系统
    The answer:单处理器的性能具有瓶颈,内部原因是因为晶体管的密度不可能无限制的增大,外部原因是因为密度增大,处理器的散热就是一个很大的问题,过于高的温度会影响性能。

    how ?

    Two methods:任务并行与数据并行
    在这里,用一个简单的例子来说明任务并行与数据并行之间的区别:现在有一个教授P,然后他的手下有4个助教(A,B,C,D),期末考试参加的学生有100个,然后改卷子,卷子一共有5道题目。
    首先,我们可以将教授以及他手下的主教5人看作是5个核,然后,如果每一个核负责改卷子上的某一道题目,那么这样就属于任务并行(总共有5个任务,一个核一个)。另外一个想法就是一个核负责20个学生的卷子,则这就是数据并行(总共100个数据,每一个核20个)。
    并行程序的设计过程中,要注意的问题:核之间的通信,负载平衡,同步。
    功能最强大的并行程序就是通过显式的并行结构来编写,即用扩展C和扩展C++编写。

    what should we do ?

    三种并行编程的方法:
    One : 消息传递接口(Message-Passing Interface MPI)
    Two : POSIX线程(POSIX threads Pthreads)
    Three : OpenMP
    为什么会有三种并行编程的实现方法:因为总的而言,并行系统可以分为2类:其中一类是共享内存系统,另外一种是分布式内存系统。Pthreads以及OpenMP是为了共享内存系统的编程而设计的,而MPI是为了分布式内存系统而设计的。
    关于共享内存系统中两种方法的主要区别是:Pthreads是比较底层的然而OpenMP是对C语言相对更高层次的扩展。

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  • 并行程序设计

    2015-11-06 15:11:31
    并行程序设计PPT,与并行程序设计配套使用.
  • 并行程序设计导论 基本术语 (Basic Terminology) Before we start the technicalities of our topic, let us understand some very basics. 在开始本主题的技术介绍之前,让我们了解一些非常基础的知识。 What is ...

    并行程序设计导论

    基本术语 (Basic Terminology)

    Before we start the technicalities of our topic, let us understand some very basics.

    在开始本主题的技术介绍之前,让我们了解一些非常基础的知识。

    • What is Programming?

      什么是编程?
    • Instructing the computer to do some task by telling it “What to do” and “How to do it” is programming. It is the medium by which instructions are passed to the computer.

      通过告诉计算机“做什么”“如何 做”来指示计算机执行某些任务。 它是将指令传递到计算机的媒介。

    • What is Programming Language?

      什么是编程语言?
    • Humans use language(s) to communicate with each other. Similarly, the medium used to communicate with the computer to tell “What to do and How to do it” is known as Programming Language.

      人类使用一种或多种语言相互交流。 同样,用于与计算机进行通信以告知“该做什么和怎么做”的介质也称为编程语言。

    • Why Programming Language ?

      为什么要编程语言?
    • Computers can understand only Binary Language consisting of huge combinations of “0”s and “1”s which is definitely not easy for humans to understand. Programming Language(s) are more readable for humans as they use English alphabets and words, Numbers, Symbols.
      A software tool called as “compiler”, which is basically a translator, converts the Human Readable Programming Language into Binary Language which computer can understand.

      计算机只能理解由“ 0”和“ 1”的巨大组合组成的二进制语言,这对人类来说绝对不容易理解。 编程语言对于人类更易读,因为他们使用英文字母和单词,数字,符号。
      基本上是翻译器的一种称为“编译器”的软件工具,将人类可读的编程语言转换为计算机可以理解的二进制语言

    什么是C编程? (What is C Programming?)

    C is one of the Programming Language(s) which revolutionized the world of Computers. Dennis Ritchie created the language at Bell Labs and it appeared in 1972. Since then, it is one of the most popular and widely used languages in millions of devices.

    C是彻底改变计算机世界的一种编程语言。 丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie)在贝尔实验室创建了该语言,并于1972年出现。从那时起,它是数百万种设备中最受欢迎和使用最广泛的语言之一。

    C语言编程的特点 (Features of C Programming)

    1. Easy to Code

      易于编码
    2. Strongly Typed

      强类型
    3. Compiled Language

      编译语言
    4. High Performance and Reliable

      高性能可靠
    5. Close to Hardware Compiled Code

      接近硬件编译代码
    6. Procedure Oriented Programming (POP)

      面向过程的编程(POP)

    C程序设计的应用 (Applications of C Programming)

    1. Device Drivers

      设备驱动程序
    2. Kernel of Operating Systems

      操作系统内核
    3. System Programming

      系统程式设计
    4. Embedded Computer and System Applications like “Traffic Light Controllers”

      嵌入式计算机和系统应用程序,例如“交通灯控制器”
    5. Compilers of other Language(s) such as Python, Pearl etc.

      其他语言的编译器,例如Python ,Pearl等。
    6. Heavy Computing tools such as “MATLAB” or “Mathematica”

      重型计算工具,例如“ MATLAB”“ Mathematica”

    C编程的历史 (History of C Programming)

    This paragraph is written like a story for the purpose of abstract and conceptual understanding. It’s okay to skip this section for now and proceed further, as this is discussing about How C came into picture and established and not any technical content required for programming in C. The following information is not sufficient for in-depth technicalities and detailed history.
    出于抽象和概念性理解的目的,本段的内容就像一个故事。 现在可以跳过本节,并继续进行下去,因为这是关于C的形成和发展方式的讨论,而不是C编程所需的任何技术内容。以下信息不足以提供深入的技术知识和详细的历史记录。

    In the late 1960s, when computer hardware got “Transistors” and “ICs (Integrated Circuits)” Assembly Language, FORTRAN, COBOL etc. were being used. Although these languages were serving the purpose at the time to an extent, they had limitations.

    在1960年代后期,当计算机硬件获得“晶体管”和“ IC(集成电路)”时,就使用了汇编语言,FORTRAN,COBOL等。 尽管这些语言在某种程度上达到了当时的目的,但它们有局限性。

    For example, Assembly Language had vast abilities but hard to code, especially when programs become larger. Other languages Such as COBOL, PASCAL were easy and User-Friendly Programming Language(s) but had limited capabilities, i.e. programmer could use only pre-defined features but may not create the desired one.

    例如,汇编语言具有强大的功能,但很难编写代码,尤其是在程序变大时。 其他语言(如COBOL,PASCAL)虽然简单易用,但对用户友好,但功能有限,即程序员只能使用预定义的功能,而不能创建所需的功能。

    At Bell Labs, “Dennis Ritchie” (Computer Scientist) looked at the scenario and came up with an idea to create something with vast capabilities like Assembly Language and User-Friendly.

    在贝尔实验室,“ Dennis Ritchie”(计算机科学家)研究了这种情况,并提出了创建具有汇编语言和用户友好性之类功能的想法。

    The idea said, “Give all possible capabilities within the language which are required frequently and the power to create if it is not present”.

    这个想法说:“在语言中提供经常需要的所有可能的功能,以及如果不存在,则具有创建的能力”。

    The idea devolved as “C Programming Language” and the power given to it was “Control Structure”.

    这个想法演变为“ C编程语言”,赋予它的力量是“控制结构”。

    Initially, C Compiler was programmed in Assembly Language. C uses simple English words, numbers and symbols as required, making it easily readable and understandable for humans.

    最初,C编译器是用汇编语言编程的。 C根据需要使用简单的英语单词,数字和符号,使人类易于阅读和理解。

    UNIX OS was also being developed at Bell Labs and Dennis Ritchie re-programmed the code for “C compiler”, “UNIX OS”, System and Application programs in C language itself and compiled. Thus, performance enhanced significantly as there was no explicit translation because from OS to Application programs, everything was in C. This resulted in quick and wide adaptability of C Programming Language.

    贝尔实验室也在开发UNIX OS,Dennis Ritchie用C语言本身对“ C编译器”,“ UNIX OS”,系统和应用程序的代码进行了重新编程,然后进行了编译。 因此,由于没有显式转换,因此性能得到了显着提高,因为从OS到应用程序,所有内容都在C中。这导致C编程语言具有快速而广泛的适应性。

    摘要 (Summary)

    As a result, the wide applications and features of C make it a very essential and irreplaceable language for computers. For any individual entering in Programming and Development, it is highly recommended to start with C Programming because no other language can show the depths and understanding of programming as clearly as C.

    结果,C的广泛应用和功能使其成为计算机中非常重要且不可替代的语言。 对于进入程序设计和开发的任何个人,强烈建议从C编程开始,因为没有其他语言能够像C一样清楚地显示出对编程的深度和理解。

    References: Wikipedia Article

    参考: 维基百科文章

    翻译自: https://www.journaldev.com/25129/introduction-to-c-programming

    并行程序设计导论

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空空如也

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并行程序设计导论