MPI编程入门详解

2023-08-08 08:36:10

MPI简介

说到并行计算，我们有一个不可绕开的话题——MPI编程。MPI是一个跨语言的通讯协议，用于编写并行计算机。支持点对点和广播。MPI是一个信息传递应用程序接口，包括协议和和语义说明，他们指明其如何在各种实现中发挥其特性。MPI的目标是高性能，大规模性，和可移植性。MPI在今天仍为高性能计算的主要模型。与OpenMP并行程序不同，MPI是一种基于信息传递的并行编程技术。消息传递接口是一种编程接口标准，而不是一种具体的编程语言。简而言之，MPI标准定义了一组具有可移植性的编程接口。

MPI基本函数

MPI调用借口的总数虽然庞大，但根据实际编写MPI的经验，常用的MPI调用的个数确什么有限。下面是6个最基本的MPI函数。
1.  MPI_Init(…);
2.  MPI_Comm_size(…);
3.  MPI_Comm_rank(…);
4.  MPI_Send(…);
5.  MPI_Recv(…);
6.  MPI_Finalize();
我们在此通过一个简单的例子来说明这6个MPI函数的基本用处。

函数介绍

1. int MPI_Init (int* argc ,char** argv[] )

该函数通常应该是第一个被调用的MPI函数用于并行环境初始化，其后面的代码到 MPI_Finalize()函数之前的代码在每个进程中都会被执行一次。
–  除MPI_Initialized()外，其余所有的MPI函数应该在其后被调用。
–  MPI系统将通过argc,argv得到命令行参数（也就是说main函数必须带参数，否则会出错）。

2. int MPI_Finalize (void)

–  退出MPI系统，所有进程正常退出都必须调用。表明并行代码的结束,结束除主进程外其它进程。
–  串行代码仍可在主进程(rank = 0)上运行，但不能再有MPI函数（包括MPI_Init()）。

3. int MPI_Comm_size (MPI_Comm comm ,int* size )

–  获得进程个数 size。
–  指定一个通信子,也指定了一组共享该空间的进程, 这些进程组成该通信子的group（组）。
–  获得通信子comm中规定的group包含的进程的数量。

4. int MPI_Comm_rank (MPI_Comm comm ,int* rank)

–  得到本进程在通信空间中的rank值,即在组中的逻辑编号(该 rank值为0到p-1间的整数,相当于进程的ID。)

5. int MPI_Send( void *buff, int count, MPI_Datatype datatype, int dest, int tag, MPI_Comm comm)

–void *buff：你要发送的变量。
–int count：你发送的消息的个数（注意：不是长度，例如你要发送一个int整数，这里就填写1，如要是发送“hello”字符串，这里就填写6（C语言中字符串未有一个结束符，需要多一位））。
–MPI_Datatype datatype：你要发送的数据类型，这里需要用MPI定义的数据类型，可在网上找到，在此不再罗列。
–int dest：目的地进程号，你要发送给哪个进程，就填写目的进程的进程号。
–int tag：消息标签，接收方需要有相同的消息标签才能接收该消息。
–MPI_Comm comm：通讯域。表示你要向哪个组发送消息。

参数说明

6. int MPI_Recv( void buff, int count, MPI_Datatype datatype, int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status status)

–void *buff：你接收到的消息要保存到哪个变量里。
–int count：你接收消息的消息的个数（注意：不是长度，例如你要发送一个int整数，这里就填写1，如要是发送“hello”字符串，这里就填写6（C语言中字符串未有一个结束符，需要多一位））。它是接收数据长度的上界. 具体接收到的数据长度可通过调用MPI_Get_count 函数得到。
–MPI_Datatype datatype：你要接收的数据类型，这里需要用MPI定义的数据类型，可在网上找到，在此不再罗列。
–int dest：接收端进程号，你要需要哪个进程接收消息就填写接收进程的进程号。
–int tag：消息标签，需要与发送方的tag值相同的消息标签才能接收该消息。
–MPI_Comm comm：通讯域。
–MPI_Status *status：消息状态。接收函数返回时，将在这个参数指示的变量中存放实际接收消息的状态信息，包括消息的源进程标识，消息标签，包含的数据项个数等。

示例

基本函数都已经介绍完，现在我们来用一个示例来加强对这些基本函数的理解。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "mpi.h"
void main(int argc, char* argv[])
{
    int numprocs, myid, source;
    MPI_Status status;
    char message[100];
    MPI_Init(&argc, &argv);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myid);
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &numprocs);
    if (myid != 0) {  //非0号进程发送消息
        strcpy(message, "Hello World!");
        MPI_Send(message, strlen(message) + 1, MPI_CHAR, 0, 99,
            MPI_COMM_WORLD);
    }
    else {   // myid == 0，即0号进程接收消息
        for (source = 1; source < numprocs; source++) {
            MPI_Recv(message, 100, MPI_CHAR, source, 99,
                MPI_COMM_WORLD, &status);
            printf("接收到第%d号进程发送的消息：%s\n", source, message);
        }
    }
    MPI_Finalize();
} /* end main */

运行结果如下图所示

可以看到，当笔者开启四线程运行时，1-3号进程发送消息，0号进程接收到消息并打印；当笔者开启八线程运行时，1-7号进程发送消息，0号进程接收到消息并打印。

本文使用的是标准阻塞接收发送的方式。消息传递是MPI的特性，也是我们学习的难点。这我们学习MPI必须掌握的。

消息发送与接收函数的参数的一些重要说明。

1.MPI标识一条消息的信息包含四个域:

–  源:发送进程隐式确定,进程rank值唯一标识.
–  目的:Send函数参数确定.
–  Tag:Send函数参数确定, (0,UB) 232-1.
–  通信子:缺省MPI_COMM_WORLD
•  Group:有限/N，有序/Rank [0,1,2,…N-1]
•  Contex:Super_tag,用于标识该通讯空间.

2. buffer的使用

buffer必须至少可以容纳count个由datatype指明类型的数据. 如果接收buf太小, 将导致溢出、出错

3. 消息匹配

–  参数匹配source,tag,comm/dest,tag,comm.
–  Source == MPI_ANY_SOURCE：接收任意处理器来的数据(任意消息来源).
–  Tag == MPI_ANY_TAG：匹配任意tag值的消息(任意tag消息).

4. 在阻塞式消息传送中不允许Source == dest,否则会导致死锁.

5. 消息传送被限制在同一个通信域内。

6. 在send函数中必须指定唯一的接收者。

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