第四讲消息传递编程接口MPI.ppt

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1、第四讲 消息传递编程接口 MPI,一、 MPI 编程基础,主要内容,MPI 程序基本结构,MPI 编程基础,MPI 安装、程序编译与运行,MPI 数据类型,消息发送和接收,MPI 一些常用函数,MPI 介绍,Message Passing Interface,消息传递编程标准，目前最为通用的并行编程方式 提供一个高效、可扩展、统一的并行编程环境,MPI 是一个库，不是一门语言，MPI 提供库函数/过程供 C/FORTRAN 调用 MPI 是一种标准或规范的代表而不特指某一个对它的具体实现。迄今为止所有的并行计算机制造商都提供对MPI 的支持 MPI 是一种消息传递编程模型，最终目的是服务于进程

2、间通信这一目标,MPI 介绍,MPI 1.0：MPICH 1.2.7 MPI 2.0：MPICH2 1.0.7,MPI 的目标,较高的通信性能； 较好的程序可移植性； 强大的功能,MPI 下载与安装,MPICH 下载,http:/www.mpich.org/,MPI 编程基本概念,MPI 进程,MPI 程序中一个独立参与通信的个体,MPI 进程与通信器,MPI 通信器/通信子（Communicator）,MPI 程序中进程间的通信必须通过通信器进行 通信器分为域内通信器（同一进程组内的通信）和域间通信器（不同进程组的进程间的通信）,MPI 程序中，一个 MPI 进程 由一个进程组和在该组中的进

3、程号唯一确定；或 由一个通信器和在该通信器中的进程号唯一确定,进程号是相对进程组或通信器而言的，同一进程在不 同的进程组或通信器中可以有不同的进程号,MPI 程序启动时自动建立两个通信器： MPI_COMM_WORLD ：包含程序中所有 MPI 进程 MPI_COMM_SELF ：有单个进程独自构成，仅包含自己,MPI 消息,进程号是在进程组或通信器被创建时赋予的 空进程：MPI_PROC_NULL 与空进程通信时不做任何操作,第一个 MPI Fortran 程序,program main include mpif.h character * (MPI_MAX_PROCESSOR_NAME)

4、proc_name integer myid, numprocs, namelen, rc, ierr call MPI_INIT( ierr ) call MPI_COMM_RANK( MPI_COMM_WORLD, myid, ierr ) call MPI_COMM_SIZE( MPI_COMM_WORLD, numprocs, ierr ) call MPI_GET_PROCESSOR_NAME(proc_name, namelen, ierr) write(*,10) myid, numprocs, proc_name 10 FORMAT(Hello, I am Proc. ,I2,

5、 of ,I1, on , 20A) call MPI_FINALIZE(ierr) end,mpif.h 是MPI相对于FORTRAN的头文件,MPI 程序分析,所有包含 MPI 调用的程序必须包含 MPI 头文件,MPI_MAX_PROCESSOR_NAME 是 MPI 预定义的宏， 即 MPI 所允许的机器名字的最大长度,MPI 程序的开始和结束必须是 MPI_INIT 和 MPI_FINALIZE，分别完成 MPI 的初始化和结束工作,MPI_COMM_RANK 得到本进程的进程号 MPI_COMM_SIZE 得到所有参加运算的进程的个数 MPI_GET_PROCESSOR_NAME

6、得到运行本进程所在的 结点的主机名,进程号取值范围为 0, , np-1,MPI 程序分析,在单个结点(c1)上，开 4 个进程的运行结果,Hello, I am Proc. 1 of 4 on c1 Hello, I am Proc. 0 of 4 on c1 Hello, I am Proc. 2 of 4 on c1 Hello, I am Proc. 3 of 4 on c1,MPI 程序执行过程,启动编译生成的可执行文件 hello,进程 0,MPI_INIT,MPI_COMM_RANK myid=0,MPI_GET_PROCESSOR_NAME proc_name=c1 namel

7、en=2,Write hello, I am proc. 0 of 4 on c1,MPI_FINALIZE,进程 3,MPI_INIT,MPI_COMM_RANK myid=4,MPI_GET_PROCESSOR_NAME proc_name=c1 namelen=2,Write hello, I am proc. 3 of 4 on c1,MPI_FINALIZE, ,程序运行结束, ,进程 1,进程 2,第一个 MPI C 程序,#include “mpi.h“ #include #include int main(argc,argv) int argc; char *argv; int

8、 myid, np; int namelen; char proc_nameMPI_MAX_PROCESSOR_NAME; MPI_Init( ,mpi.h 是 MPI 相对于C语言的头文件,MPI 编程的一些惯例,MPI 的所有常量、变量与函数/过程均以 MPI_ 开头 MPI 的 C 语言接口为函数，FORTRAN 接口为 SUBROUTINE，且对应接口的名称相同 在 C 程序中，所有常数的定义除下划线外一律由大写字母 组成，在函数和数据类型定义中, 接 MPI_ 之后的第一个字 母大写，其余全部为小写字母，即 MPI_Xxxx_xxx 形式 对于 FORTRAN 程序，MPI 函数全部

9、以过程方式调用， 一般全用大写字母表示，即 MPI_XXXX_XXX 形式 （FORTRAN 不区分大小写） 除 MPI_WTIME 和 MPI_WTICK 外，所有 C 函数调用之后 都将返回一个错误信息码，而 MPI 的所有 FORTRAN 子 程序中都有一个哑元参数（IERR）代表错误码,MPI 编程的一些惯例,由于 C 语言的函数调用机制是值传递，所以 MPI 的所有 C 函数中的输出参数用的都是指针 MPI 是按进程组(Process Group) 方式工作： 所有 MPI 程序在开始时均被认为是在通信器 MPI_COMM_WORLD 所拥有的进程组中工作， 之后用户可以根据自己的需

10、要，建立其它的进程组 所有 MPI 的通信一定要在通信器中进行 FORTRAN 的数组下标缺省以 1 开始， 而 C 语言的数组是以 0 开始,MPI 数据类型,MPI 除了提供 C 语言函数和 FORTRAN子程序之外，还定义了一组常量和 C 变量数据类型,MPI 常量命名规则：全部大写,MPI 数据类型： 原始数据类型 和 自定义数据类型,MPI 原始数据类型,FORTRAN 77 数据类型,MPI 原始数据类型,C 数据类型,MPI 原始数据类型,某些 MPI 系统还支持一些附加数据类型,MPI 最常用的六个接口,MPI_INIT MPI_FINALIZE MPI_COMM_RANK M

11、PI_COMM_SIZE,MPI_SEND MPI_RECV,MPI_INIT,MPI_INIT：MPI 初始化,该函数初始化 MPI 并行程序的执行环境，它必须在调用所有其它 MPI 函数（除 MPI_INITIALIZED）之前被调用，并且在一个 MPI 程序中，只能被调用一次,MPI_FINALIZE,MPI_FINALIZE：结束 MPI 系统,该函数清除 MPI 环境的所有状态。即一但它被调用，所有MPI 函数都不能再调用，其中包括 MPI_INIT,MPI_COMM_RANK,MPI_COMM_RANK(comm, rank),该函数返回本进程在指定通信器中的进程号,MPI_COM

12、M_SIZE,MPI_COMM_SIZE(comm, size),该函数返回指定通信器所包含的进程数,MPI_SEND 点对点通信,MPI_SEND(buf,count,datatype,dest,tag,comm),MPI_SEND 点对点通信,MPI_SEND(buf,count,datatype,dest,tag,comm),阻塞型消息发送接口 MPI_SEND 将缓冲区中 count 个 datatype 类型的数据发给进程号为 dest 的目的进程。这里 count 是元素个数，即指定数据类型的个数，不是字节数，数据的起始地址为 buf。本次发送的消息标签是 tag，使用标签的目的是

13、把本次发送的消息和本进程向同一目的进程发送的其它消息区别开来。其中 dest 的取值范围为0np-1 ( np 表示通信器 comm 中的进程数) 或 MPI_PROC_NULL，tag 的取值为 0 MPI_TAG_UB 该函数可以发送各种类型的数据，如整型、实型、字符等 点对点通信是 MPI 通信机制的基础,MPI_RECV 点对点通信,MPI_RECV(buf,count,datatype,source,tag,comm,status),MPI_RECV 点对点通信,MPI_RECV(buf,count,datatype,source,tag,comm,status),阻塞型消息接收接口

14、 从指定的进程 source 接收不超过 count 个 datatype 类型的数据，并把它放到缓冲区中，起始位置为 buf，本次消息的标识为 tag。这里 source 的取值范围为 0 np-1，或MPI_ANY_SOURCE，或 MPI_PROC_NULL，tag 的取值为 0MPI_TAG_UB 或 MPI_ANY_TAG 接收消息时返回的状态 STATUS，在 C 语言中是用结构定义的，在 FORTRAN 中是用数组定义的，其中包括 MPI_SOURCE，MPI_TAG 和 MPI_ERROR。此外 STATUS 还包含接收消息元素的个数，但它不是显式给出的，需要用到后面给出的函数

15、 MPI_GET_COUNT,MPI 程序示例,例：将每个进程中某个数据发送给下一个进程，并从前一个进程接收一个数据，即 0 号进程给 1 号进程发送一个数据，并从 np-1 号进程接收一个数据，1 号进程从 0 号进程接收一个数据，并向 2 号进程发送一个数据，以此类推。,实现方式一： 0 号进程先发送后接收，其它进程先接收后发送,实现方式二： 奇数号进程先发送后接收，偶数号进程先接收后发送,例：ex4sendrecv01.f, ex4sendrecv02.f,上机作业,在使用阻塞型函数传递消息时要避免死锁！,MPI 发送接收,MPI_SEND(buf,count,datatype,dest

16、,tag,comm),MPI_RECV(buf,count,datatype,source,tag,comm,status),发送数据类型、通信函数中的数据类型、接收的数据类型要一致！,发送与接收组合进行,MPI_SENDRECV(sendbuf, sendcount, sendtype, dest, sendtag, recvbuf, recvcount, recvtype, source, recvtag, comm, status),MPI_SENDRECV,MPI_SENDRECV(sendbuf, sendcount, sendtype, dest, sendtag, recvbuf

17、, recvcount, recvtype, source, recvtag, comm, status),这是发送消息和接收消息组合在一起的一个函数，好处是不用考虑先发送还是先接收消息，从而可以避免消息传递过程中的死锁 sendbuf 和 recvbuf 必须指向不同的缓冲区,例：ex4sendrecv03.f,MPI_SENDRECV_REPLACE,MPI_SENDRECV_REPLACE(buf, datatype, dest, sendtag, source, recvtag, comm, status),功能与 MPI_SENDRECV 类似，但收发消息使用的是同一个缓冲区,例：e

18、x4sendrecv04.f,MPI 程序示例,例：计算 的值。,采用等步长中矩形公式，其中 n 为积分区间数，h = 1/n 为步长，xi = (i + 0.5) h 为积分区间的中点 假设采用 p 的进程同时计算，各自计算其中的一部分，然后再将结果加起来。,例：ex4pi.f,mpif77 -Wno-globals o ex4pi ex4pi.f,MPI_GET_COUNT,MPI_GET_COUNT(status, datatype, count),查询实际接收到的数据信息,MPI 异常终止,MPI_ABORT(comm, errorcode),异常终止 MPI 程序的执行，MPI 系统

19、会尽量设法终止通信器中的所有进程,MPI 计时函数,MPI_WTIME(),该函数返回当前的墙钟时间,MPI 计时函数,MPI_WTICK(),该函数返回 MPI_WTIME 的时钟精度，单位为秒,MPI_WTIME 和 MPI_WTICK 是 C 中仅有的两个返回双精度值而非整型错误码的 MPI 函数；它们也是 FORTRAN 中仅有的两个 FUNCTION 形式的接口！,获取结点主机名,MPI_GET_PROCESSOR_NAME(name, namelen),该函数返回进程所在结点的主机名,获取 MPI 版本号,MPI_MPI_GET_VERSION(version, subver),该函数返回 MPI 的版本号,