4. OpenMp - модель программирования

OpenMP (Open Multi-Processing) — открытый стандарт для распараллеливания программ на языках Си, Си++ и Фортран. Описывает совокупность директив компилятора, библиотечных процедур и переменных окружения, которые предназначены для программирования многопоточных приложений на многопроцессорных системах с общей памятью.

Разработка

Разработку спецификации OpenMP ведут несколько крупных производителей вычислительной техники и программного обеспечения, чья работа регулируется некоммерческой организацией, называемой OpenMP Architecture Review Board (ARB) [1].

Первая версия появилась в 1997 году, предназначалась для языка Fortran. Для С/С++ версия разработана в 1998 году. В 2008 году вышла версия OpenMP 3.0.

Введение

OpenMP реализует параллельные вычисления с помощью многопоточности, в которой «главный» (master) поток создает набор подчиненных (slave) потоков и задача распределяется между ними. Предполагается, что потоки выполняются параллельно на машине с несколькими процессорами (количество процессоров не обязательно должно быть больше или равно количеству потоков).

Задачи, выполняемые потоками параллельно, также как и данные, требуемые для выполнения этих задач, описываются с помощью специальных директив препроцессора соответствующего языка — прагм. Например, участок кода на языке Fortran, который должен исполняться несколькими потоками, каждый из которых имеет свою копию переменной N, предваряется следующей директивой: !$OMP PARALLEL PRIVATE(N)

Количество создаваемых потоков может регулироваться как самой программой при помощи вызова библиотечных процедур, так и извне, при помощи переменных окружения.

Ключевые элементы

Ключевыми элементами OpenMP являются

• конструкции для создания потоков (директива parallel),

• конструкции распределения работы между потоками (директивы DO/for и section),

• конструкции для управления работой с данными (выражения shared и private для определения класса памяти переменных),

• конструкции для синхронизации потоков (директивы critical, atomic и barrier),

• процедуры библиотеки поддержки времени выполнения (например, omp_get_thread_num),

• переменные окружения (например, OMP_NUM_THREADS).

5. OpenMp - средства синхронизации

Синхронизация процессов в OpenMp

Проблема синхронизации параллельных потоков важна не только для параллельного программирования с использованием OpenMP, но и для всего параллельного программирования в целом. Проблема состоит в том, что любой структурный параллельный блок по определению имеет одну точку выхода, за которой обычно находится последовательный структурный блок. Вычисления в последовательном блоке, как правило, могут быть продолжены, если завершены все процессы в параллельном структурном блоке и их результаты корректно переданы в последовательный блок. Именно для обеспечения такой корректной передачи данных и необходима процедура синхронизации параллельных потоков.

В предшествующей лекции при изучении директив работы с циклами проблема синхронизации уже затрагивалась. Во-первых, было указано, что эта процедура является весьма трудоемкой и сопоставима с трудоемкостью инициализации параллельных потоков (т. е. эквивалентна примерно трудоемкости 1000 операций). Поэтому желательно пользоваться синхронизацией как можно реже.

Во-вторых, было отмечено, что неявно (по умолчанию) синхронизация параллельных процессов обеспечивается при выполнении циклов в параллельном режиме. Была упомянута директива nowait для устранения неявной синхронизации при завершении циклов. Однако пользоваться этой директивой следует весьма и весьма аккуратно, предварительно проанализировав порядок работы программы и убедившись, что отмена синхронизации не приведет к порче данных и непредсказуемым результатам.

Механизм работы синхронизации можно описать следующим образом. При инициализации набора параллельных процессов в программе устанавливается контрольная точка (аналогичная контрольной точке в отладчике), в которой программа ожидает завершения всех порожденных параллельных процессов. Отметим, что пока все параллельные процессы свою работу не завершили, программа не может продолжить работу за точкой синхронизации. А поскольку все современные высокопроизводительные процессоры являются процессорами конвейерного типа, становится понятной и высокая трудоемкость процедуры синхронизации. В самом деле, пока не завершены все параллельные процессы, программа не может начать подготовку загрузки конвейеров процессоров. Вот это-то и ведет к большим потерям при синхронизации процессов, аналогичных потерям при работе условных операторов в обычной последовательной программе.

Всего в OpenMP существует шесть типов синхронизации:

critical,

atomic,

barrier,

master,

ordered,

flush.

Далее подробно рассмотрим эти типы.