C++?Boost?MPI接口怎么應(yīng)用

這篇“C++ Boost MPI接口怎么應(yīng)用”文章的知識點大部分人都不太理解，所以小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，內(nèi)容詳細(xì)，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“C++ Boost MPI接口怎么應(yīng)用”文章吧。

一、說明

Boost.MPI 提供了 MPI 標(biāo)準(zhǔn)（消息傳遞接口）的接口。該標(biāo)準(zhǔn)簡化了并發(fā)執(zhí)行任務(wù)的程序的開發(fā)。您可以使用線程或通過共享內(nèi)存或網(wǎng)絡(luò)連接使多個進程相互通信來開發(fā)此類程序。 MPI 的優(yōu)點是你不需要關(guān)心這些細(xì)節(jié)。您可以完全專注于并行化您的程序。

缺點是您需要 MPI 運行時環(huán)境。如果您控制運行時環(huán)境，MPI 只是一個選項。例如，如果你想分發(fā)一個可以通過雙擊啟動的程序，你將無法使用 MPI。雖然操作系統(tǒng)開箱即用地支持線程、共享內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)，但它們通常不提供 MPI 運行時環(huán)境。用戶需要執(zhí)行額外的步驟來啟動 MPI 程序。

• 開發(fā)和運行時環(huán)境

• 簡單的數(shù)據(jù)交換

• 異步數(shù)據(jù)交換

• 集體數(shù)據(jù)交換

二、開發(fā)和運行時環(huán)境

MPI 定義了用于并行計算的函數(shù)。并行計算是指在支持任務(wù)并行執(zhí)行的運行時環(huán)境中可以并發(fā)執(zhí)行任務(wù)的程序。這樣的運行時環(huán)境通?；诙鄠€處理器。由于單個處理器只能順序執(zhí)行代碼，因此鏈接多個處理器會創(chuàng)建一個可以并行執(zhí)行任務(wù)的運行時環(huán)境。如果連接了數(shù)千個處理器，結(jié)果就是一臺并行計算機——一種通常只在超級計算機中才能找到的架構(gòu)。 MPI 來自于尋找更容易地為超級計算機編程的方法的搜索。

如果你想使用 MPI，你需要一個標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)。雖然 MPI 定義了許多功能，但它們通常不受開箱即用的操作系統(tǒng)支持。例如，Windows 的桌面版本不附帶 MPI 支持。

最重要的 MPI 實現(xiàn)是 MPICH 和 Open MPI。 MPICH 是最早的 MPI 實現(xiàn)之一。它自 1990 年代中期就已存在。 MPICH 是一種成熟且可移植的實現(xiàn)，并得到積極維護和更新。 Open MPI 的第一個版本于 2005 年發(fā)布。由于 Open MPI 是一項協(xié)作成果，其中包括許多負(fù)責(zé)早期 MPI 實現(xiàn)的開發(fā)人員，因此 Open MPI 被視為未來的標(biāo)準(zhǔn)。然而，這并不意味著可以忽略 MPICH。有幾種基于 MPICH 的 MPI 實現(xiàn)。例如，Microsoft 發(fā)布了一個名為 Microsoft HPC Pack 的 MPI 實現(xiàn)，它基于 MPICH。

MPICH 為各種操作系統(tǒng)（如 Windows、Linux 和 OS X）提供安裝文件。如果您需要 MPI 實現(xiàn)并且不想從源代碼構(gòu)建它，MPICH 安裝文件是開始使用 MPI 的最快途徑。

MPICH 安裝文件包含開發(fā) MPI 程序所需的頭文件和庫。此外，它們還包含一個 MPI 運行時環(huán)境。因為 MPI 程序同時在多個處理器上執(zhí)行任務(wù)，所以它們在多個進程中運行。一個 MPI 程序會啟動多次，而不僅僅是一次。同一 MPI 程序的多個實例在多個處理器上運行，并通過 MPI 標(biāo)準(zhǔn)定義的函數(shù)進行通信。

您無法通過雙擊啟動 MPI 程序。您使用一個幫助程序，通常稱為 mpiexec。您將 MPI 程序傳遞給 mpiexec，它會在 MPI 運行時環(huán)境中啟動您的程序。命令行選項確定啟動了多少個進程以及它們?nèi)绾瓮ㄐ?amp;mdash;—例如，通過套接字或共享內(nèi)存。因為 MPI 運行時環(huán)境會處理這些細(xì)節(jié)，所以您可以專注于并行編程。

如果您決定使用 MPICH 的安裝文件，請注意 MPICH 僅提供 64 位版本。您必須使用 64 位編譯器通過 MPICH 開發(fā) MPI 程序并構(gòu)建 64 位版本的 Boost.MPI。

三、簡單數(shù)據(jù)交換

Boost.MPI 是 MPI 標(biāo)準(zhǔn)的 C++ 接口。該庫使用命名空間 boost::mpi。包含頭文件 boost/mpi.hpp 就足以訪問所有類和函數(shù)。

示例 47.1。 MPI 環(huán)境和通信器

#include <boost/mpi.hpp>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  std::cout << world.rank() << ", " << world.size() << '\n';
}

Example47.1

示例 47.1 是一個簡單的 MPI 程序。它使用兩個類，您將在隨后的所有示例中找到它們。 boost::mpi::environment 初始化 MPI。構(gòu)造函數(shù)從 MPI 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用函數(shù) MPI_Init()。析構(gòu)函數(shù)調(diào)用 MPI_Finalize()。 boost::mpi::communicator 用于創(chuàng)建通信器。通信器是 MPI 的核心概念之一，支持進程之間的數(shù)據(jù)交換。

boost::mpi::environment 是一個非常簡單的類，只提供了幾個成員函數(shù)。您可以調(diào)用 initialized() 檢查 MPI 是否已成功初始化。成員函數(shù)返回一個 bool 類型的值。 processor_name() 以 std::string 的形式返回當(dāng)前進程的名稱。 abort() 會停止 MPI 程序，而不僅僅是當(dāng)前進程。您將一個 int 值傳遞給 abort()。該值將作為 MPI 程序的返回值傳遞到 MPI 運行時環(huán)境。對于大多數(shù) MPI 程序，您不需要這些成員函數(shù)。您通常在程序開始時實例化 boost::mpi::environment，然后不使用該對象——如示例 47.1 和本章中的以下示例。

boost::mpi::communicator 更有趣。此類是一個通信器，它鏈接作為 MPI 程序一部分的進程。每個進程都有一個等級，它是一個整數(shù)——所有進程都會被枚舉。進程可以通過在通信器上調(diào)用 rank() 來發(fā)現(xiàn)其等級。如果進程想知道有多少個進程，它會調(diào)用 size()。

要運行示例 47.1，您必須使用您正在使用的 MPI 實現(xiàn)提供的幫助程序。對于 MPICH，輔 助程序稱為 mpiexec。您可以通過以下命令使用此幫助程序運行示例 47.1：

mpiexec-n4sample.exe

mpiexec 需要一個 MPI 程序的名稱和一個告訴它要啟動多少進程的選項。選項 -n 4 告訴 mpiexec 啟動四個進程。因此 MPI 程序啟動了四次。但是，這四個過程并不是獨立的。它們通過 MPI 運行時環(huán)境鏈接，并且它們都屬于同一個通信器，這給每個進程一個等級。如果您使用四個進程運行示例 47.1，rank() 返回一個從 0 到 3 的數(shù)字和 size() 4。

請注意，輸出可能會混淆。畢竟，有四個進程同時寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出流。例如，不知道排名為 0 或任何其他排名的進程是否是第一個寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出流的進程。也有可能一個進程在寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出流時會中斷另一個進程。在另一個進程寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出流之前，被中斷的進程可能無法完成寫入其等級和通信器的大小，從而破壞輸出。

示例 47.2。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的阻塞函數(shù)

#include <boost/mpi.hpp>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  if (world.rank() == 0)
  {
    int i;
    world.recv(1, 16, i);
    std::cout << i << '\n';
  }
  else if (world.rank() == 1)
  {
    world.send(0, 16, 99);
  }
}

boost::mpi::communicator 提供了兩個簡單的成員函數(shù)，send() 和 recv()，用于在兩個進程之間交換數(shù)據(jù)。它們是阻塞函數(shù)，僅在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才返回。這對于 recv() 尤其重要。如果在沒有其他進程向其發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下調(diào)用 recv()，調(diào)用將阻塞并且進程將在調(diào)用中停止。

在示例 47.2 中，等級為 0 的進程使用 recv() 接收數(shù)據(jù)。等級為 1 的進程使用 send() 發(fā)送數(shù)據(jù)。如果你用兩個以上的進程啟動程序，其他進程什么都不做就直接退出。

您將三個參數(shù)傳遞給 send()：第一個參數(shù)是數(shù)據(jù)應(yīng)發(fā)送到的進程的等級。第二個參數(shù)是用于識別數(shù)據(jù)的標(biāo)簽。第三個參數(shù)是數(shù)據(jù)。

標(biāo)簽始終是一個整數(shù)。在示例 47.2 中，標(biāo)簽是 16。標(biāo)簽可以識別對 send() 的調(diào)用。您會看到該標(biāo)簽與 recv() 一起使用。

傳遞給 send() 的第三個參數(shù)是 99。這個數(shù)字從等級 1 的進程發(fā)送到等級 0 的進程。Boost.MPI 支持所有原始類型?？梢灾苯影l(fā)送像 99 這樣的 int 值。

recv() 需要類似的參數(shù)。第一個參數(shù)是應(yīng)該從中接收數(shù)據(jù)的進程的等級。第二個參數(shù)是將對 recv() 的調(diào)用與對 send() 的調(diào)用鏈接起來的標(biāo)簽。第三個參數(shù)是存放接收到的數(shù)據(jù)的變量。

如果您使用至少兩個進程運行示例 47.2，則會顯示 99。

示例 47.3。從任何進程接收數(shù)據(jù)

#include <boost/mpi.hpp>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  if (world.rank() == 0)
  {
    int i;
    world.recv(boost::mpi::any_source, 16, i);
    std::cout << i << '\n';
  }
  else
  {
    world.send(0, 16, world.rank());
  }
}

Example47.3

示例 47.3 基于示例 47.2。它不發(fā)送數(shù)字 99，而是發(fā)送調(diào)用 send() 的進程的等級。這可以是等級大于 0 的任何進程。

對等級為 0 的進程的 recv() 調(diào)用也發(fā)生了變化。 boost::mpi::any_source 是第一個參數(shù)。這意味著對 recv() 的調(diào)用將接受來自任何發(fā)送帶有標(biāo)簽 16 的數(shù)據(jù)的進程的數(shù)據(jù)。

如果您使用兩個進程啟動示例 47.3，將顯示 1。畢竟，只有一個進程可以調(diào)用 send()——rank 為 1 的進程。如果你啟動程序時有兩個以上的進程，不知道會顯示哪個數(shù)字。在這種情況下，多個進程將調(diào)用 send() 并嘗試發(fā)送它們的排名。哪個進程最先，因此顯示哪個排名是隨機的。

示例 47.4。使用 boost::mpi::status 檢測發(fā)件人

#include <boost/mpi.hpp>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  if (world.rank() == 0)
  {
    int i;
    boost::mpi::status s = world.recv(boost::mpi::any_source, 16, i);
    std::cout << s.source() << ": " << i << '\n';
  }
  else
  {
    world.send(0, 16, 99);
  }
}

recv() 的返回值類型為 boost::mpi::status。此類提供了一個成員函數(shù) source()，它返回從中接收數(shù)據(jù)的進程的等級。示例 47.4 告訴您數(shù)字 99 是從哪個進程收到的。

到目前為止，所有示例都使用 send() 和 recv() 來傳輸 int 值。在示例 47.5 中，傳輸了一個字符串。

示例 47.5。使用 send() 和 recv() 傳輸數(shù)組

#include <boost/mpi.hpp>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  if (world.rank() == 0)
  {
    char buffer[14];
    world.recv(boost::mpi::any_source, 16, buffer, 13);
    buffer[13] = '\0';
    std::cout << buffer << '\n';
  }
  else
  {
    const char *c = "Hello, world!";
    world.send(0, 16, c, 13);
  }
}

send() 和 recv() 可以傳輸數(shù)組和單個值。示例 47.5 傳輸字符數(shù)組中的字符串。因為 send() 和 recv() 支持像 char 這樣的基本類型，所以可以毫無問題地傳輸 char 數(shù)組。

send() 將指向字符串的指針作為其第三個參數(shù)，并將字符串的大小作為其第四個參數(shù)。傳遞給 recv() 的第三個參數(shù)是指向存儲接收數(shù)據(jù)的數(shù)組的指針。第四個參數(shù)告訴 recv() 應(yīng)該接收多少個字符并將其存儲在緩沖區(qū)中。示例 47.5 寫出 Hello, world!到標(biāo)準(zhǔn)輸出流。

示例 47.6。使用 send() 和 recv() 傳輸字符串

#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <string>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::mpi::environment env{argc, argv};
  boost::mpi::communicator world;
  if (world.rank() == 0)
  {
    std::string s;
    world.recv(boost::mpi::any_source, 16, s);
    std::cout << s << '\n';
  }
  else
  {
    std::string s = "Hello, world!";
    world.send(0, 16, s);
  }
}

盡管 Boost.MPI 只支持原始類型，但這并不意味著它不能傳輸非原始類型的對象。 Boost.MPI 與 Boost.Serialization 一起工作?？梢愿鶕?jù) Boost.Serialization 規(guī)則序列化的對象可以使用 Boost.MPI 進行傳輸。

示例 47.6 傳輸“Hello, world!”這次傳輸?shù)闹挡皇亲址麛?shù)組，而是 std::string。 Boost.Serialization 提供頭文件 boost/serialization/string.hpp，只需要包含它以使 std::string 可序列化。

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