Основные функции mpi

Наиболее распространенной технологией программирования для параллельных систем с распределенной памятью в настоящее время является MPI (Message Passing Interface). Основным способом взаимодействия параллельных процессов друг с другом в таких системах является передача сообщений (Message Passing). По сути MPI – это библиотека и среда исполнения для параллельных программ на языках C или Fortran. В данном пособии будут описаны примеры программ на языке С.

Изначально MPI позволяет использовать модель программирования MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) – много потоков инструкций и данных, т.е. объединение различных программ с различными данными. Но программирование для такой модели на практике оказывается слишком сложным, поэтому обычно используется модель SIMD (Single Program Multiple Data) –одна программа и много потоков данных. Здесь параллельная программа пишется так, чтобы разные ее части могли одновременно выполнять свою часть задачи, таким образом, достигается параллелизм. Поскольку все функции MPI содержаться в библиотеке, то при компиляции параллельной программы необходимо будет прилинковать соответствующие модули.

Под параллельной программой в рамках MPI понимается множество одновременно выполняемых процессов. Процессы могут выполняться на разных процессорах, но на одном процессоре могут располагаться и несколько процессов (в этом случае их исполнение осуществляется в режиме разделения времени). При запуске MPI – программы на кластере на каждом из его узлов будет выполняться своя копия программы, выполняющая свою часть задачи, из этого следует, что параллельная программа – это множество взаимодействующих процессов, каждый из которых работает в своем адресном пространстве. В предельном случае для выполнения параллельной программы может использоваться один процессор - как правило, такой способ применяется для начальной проверки правильности параллельной программы.

Количество процессов и число используемых процессоров определяется в момент запуска параллельной программы средствами среды исполнения MPI - программ и в ходе вычислений меняться не может. Все процессы программы последовательно перенумерованы от 0 до np-1, где np есть общее количество процессов. Номер процесса называется рангом процесса.

Взаимодействуют параллельные процессы между собой при помощи посылки сообщений. Методы посылки (их называют коммуникации) бывают двух видов – коллективные(collective) и “точка-точка” (point-to-point). При коллективных коммуникациях процесс посылает нужную информацию одновременно целой группе процессов, еще есть более общий случай, когда внутри группы процессов передача информации идет от каждого процесса к каждому. Более простыми коммуникациями являются коммуникации типа ”точка-точка”, когда один процесс посылает информацию второму или они оба обмениваются информацией. Функции коммуникаций – основные функции библиотеки MPI. Кроме этого, обязательными функциями являются функции инициализации и завершения MPI – MPI_Init и MPI_Finalize. MPI_Init должна вызываться в самом начале программ, а MPI_Finalize – в самом конце. Все остальные функции MPI должны вызываться между этими двумя функциями.

Как процесс узнает о том, какую часть вычислений он должен выполнять? Каждый процесс, исполняющийся на кластере, имеет свой уникальный номер – ранг. Когда процесс узнает свой ранг и общее количество процессов, он может определить свою часть работы. Для этого в MPI существуют специальные функции – MPI_Comm_rank и MPI_Comm_size. MPI_Comm_rank возвращает целое число - ранг процесса, вызвавшего ее, а MPI_Comm_size возвращает общее число работающих процессов.

Процессы отлаживаемой параллельной программы пользователя объединяются в группы. Под коммуникатором в MPI понимается специально создаваемый служебный объект, объединяющий в своем составе группу процессов и ряд дополнительных параметров (контекст), используемых при выполнении операций передачи данных. Коммуникатор, автоматически создаваемый при запуске программы и включающий в себя все процессы на кластере, называется MPI_COMM_WORLD. В ходе вычислений могут создаваться новые и удаляться существующие группы процессов и коммуникаторы. Один и тот же процесс может принадлежать разным группам и коммуникаторам. Коллективные операции применяются одновременно для всех процессов коммуникатора, поэтому для них одним из параметров всегда будет выступать коммуникатор.

При выполнении операций передачи сообщений в функциях MPI необходимо указывать тип пересылаемых данных. MPI содержит большой набор базовых типов данных, основанных на стандартных типах данных языка С. Кроме того, программист может конструировать свои типы данных при помощи специальных функций MPI. Ниже приведена таблица соответствия для базовых типов данных.

Константы MPI	ТИП данных языка С
MPI_INT	signed int
MPI_UNSIGNED	unsigned int
MPI_SHORT	signed int
MPI_LONG	signed long int
MPI_UNSIGNED_SHORT	unsigned int
MPI_UNSIGNED_LONG	unsigned long int
MPI_FLOAT	float
MPI_DOUBLE	double
MPI_LONG_DOUBLE	long double
MPI_UNSIGNED_CHAR	unsigned char
MPI_CHAR	signed char

Пример запуска библиотеки MPI: логин student, пароль s304.

#include <stdio.h>

#include <mpi.h>

int main (int argc, char *argv[])

{

int rank, size;

/* Инициализация MPI */

MPI_Init (&argc, &argv);

/* получение ранга процесса */

MPI_Comm_rank (MPI_COMM_WORLD, &rank);

/* получение общего числа процессов */

MPI_Comm_size (MPI_COMM_WORLD, &size);

printf( "Hello world from process %d of %d\n", rank, size );

/* завершение MPI */

MPI_Finalize();

return 0;

}

Для компиляции используется компилятор и линковщик. Командная строка mpicc. (см. mpicc….- help)

Каждый из запущенных процессов должен вывести на экран свой ранг и общее число процессов. Попробуем откомпилировать и запустить эту программу.

$ mpicc hello.c –o hello.o

$ mpicc hello.o –o hello

Файл hello и будет исполняемым файлом примера. Можно запустить его на одной машине и посмотреть, что число процессоров будет равно 1, а ранг процесса 0:

$ ./hello

Hello world from process 0 of 1

При работе на сервере для запуска используется команда mpirun. У нее есть два основных аргумента – имя файла, содержащего адреса узлов и число узлов, на котором будет запущена программа.

$ mpirun n0-6 –v hosts hello

Hello world from process 0 of 7

Hello world from process 3 of 7

Hello world from process 5 of 7

Hello world from process 4 of 7

Hello world from process 2 of 7

Hello world from process 6 of 7

Hello world from process 1 of 7

Программа будет запущена на 7 узлах (включая сервер), а адреса этих узлов находятся в файле hosts. Печать на экран осуществлялась процессами не по порядку их рангов. Это связано с тем, что запуск процессов не синхронизирован, однако в MPI существуют специальные функции для синхронизации процессов.

Простейшая программа не содержит функций передачи сообщений. В реальных же задачах процессам требуется взаимодействовать друг с другом. Естественно, на передачу сообщений тратится время, что снижает коэффициент распараллеливания задачи. Чем выше скорость интерфейса передачи сообщений (например Ethernet 10Mb/sec и Gigabit Ethernet), тем меньше будут затраты на передачу данных. Т.к. время обмена данными между процессами намного (на порядки) больше времени доступа к собственной памяти, распределение работы между процессами должно быть ‘крупнозернистым’, нужно избегать ненужных пересылок данных.

Среди задач численного анализа встречается немало задач, распараллеливание которых очевидно. Например, численное интегрирование сводится фактически к (многочисленному) вычислению подинтегральной функции (что естественно доверить отдельным процессам), при этом главный процесс управляет процессом вычислений (определяет стратегию распределения точек интегрирования по процессам и собирает частичные суммы). Подобным же распараллеливанием обладают задачи поиска и сортировки в линейном списке, численного нахождения корней функций, поиск экстремумов функции многих переменных, вычисление рядов и другие. В этой лабораторной работе мы рассмотрим два параллельных алгоритма вычисления числа π.