安裝OpenMPI來配合C語言程序進行并行計算

來源：本站原創(chuàng)|時間：2020-01-10|欄目：C語言|點擊：次

安裝OPENMPI
由于是實驗，也不進行多機的配置了，只在虛擬機里安裝吧。多個機器的配置可以參考此文
最簡單的方法，apt安裝

sudo apt-get install libcr-dev mpich2 mpich2-doc

測試
hello.c

/* C Example */
#include <mpi.h>
#include <stdio.h>

int main (int argc, char* argv[])
{
 int rank, size;

 MPI_Init (&argc, &argv);   /* starts MPI */
 MPI_Comm_rank (MPI_COMM_WORLD, &rank);    /* get current process id */
 MPI_Comm_size (MPI_COMM_WORLD, &size);    /* get number of processes */
 printf( "Hello world from process %d of %d\n", rank, size );
 MPI_Finalize();
 return 0;
}

編譯運行及顯示結(jié)果

mpicc mpi_hello.c -o hello
mpirun -np 2 ./hello
Hello world from process 0 of 2
Hello world from process 1 of 2

正常出現(xiàn)結(jié)果表明沒有問題，
看下openmpi的版本

mpirun --version

mpirun (Open MPI) 1.6.5
Report bugs to http://www.open-mpi.org/community/help/

MPI計算矩陣乘法

通過opemMPI加速矩陣乘法運算。采用主從模式，0號是master，其他是child（或者叫worker，as you wish）。

基本思路
兩個矩陣A，B進行乘法運算，則A的行 i 乘以B的列 j 得出的數(shù)是新矩陣(i,j)坐標的數(shù)值。A(MN) B(NK)最后矩陣是M*K的，實驗中M=N=K=1000，我也就沒有明確區(qū)分MNK，全部用MATRIX_SIZE定義的。
最簡單的思路就是每個worker分配(MATRIX_SIZE/(numprocess-1))個，然后如果有余下的，就分給余數(shù)對應的worker。比如MATRIX_SIZE=10，numprocess=4 則實際的worker有3個，每個人分3行，最后的一行給id是1的?？梢院芎唵蔚睦醚h(huán)類分配。最后Master收集所有的結(jié)果，并按照順序組裝起來就行。
每個worker的工作就是接收來自master的一行，和B矩陣運算，得出新一行的結(jié)果，然后發(fā)送回master

代碼
多加了很多注釋來解釋，函數(shù)的說明下一節(jié)解釋下。

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>
#define MATRIX_SIZE 10
#define FROM_MASTER 1 //這里的類型可以區(qū)分消息的種類，以便區(qū)分worker發(fā)送來的結(jié)果
#define FROM_CHILD 2 
#define MASTER 0
MPI_Status status;
int myid,numprocess;
//最終保存的結(jié)果
int ans [MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE];
int A[MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE],B[MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE];
//讀取文件，注意讀取文件要放在master里，不然會讀兩遍，出現(xiàn)錯誤
void readFile(){
  FILE* fina,*finb;
  fina=fopen("a.txt","r");
  int i;
  for (i = 0; i < MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE ; ++i)
  {
    fscanf(fina,"%d ",&A[i]);
  }
  fclose(fina);
  finb=fopen("b.txt","r");
  for(i=0;i<MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE;i++)
    fscanf(finb,"%d ",&B[i]);
  fclose(finb);
  printf("read file ok\n");
}
int master(){
  int workid,dest,i,j;
  printf("numprocess %d\n",numprocess );
  //給每個worker發(fā)送B矩陣過去
  for(i=0;i<numprocess-1;i++){
    //send B matrix
    MPI_Send(&B,MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE,MPI_INT,i+1,FROM_MASTER,MPI_COMM_WORLD);
  }
  //開始給每個worker分配任務，取模即可
  for (i = 0; i < MATRIX_SIZE; i++)
  {
    //attention: num of workers is numprocess-1
    workid=i%(numprocess-1)+1;
    //send single line in A
    MPI_Send(&A[i*MATRIX_SIZE],MATRIX_SIZE,MPI_INT,workid,FROM_MASTER,MPI_COMM_WORLD);
  }

  //等待從worker發(fā)送來的數(shù)據(jù)
  int tempLine[MATRIX_SIZE];
  for (i = 0; i < MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE; i++)
  {
    ans[i]=0;
  }
  for (i = 0; i < MATRIX_SIZE; ++i)
  {
    int myprocess=i%(numprocess-1)+1;
    printf("Master is waiting %d\n",myprocess);
    //receive every line from every process
    MPI_Recv(&tempLine,MATRIX_SIZE,MPI_INT,myprocess,FROM_CHILD,MPI_COMM_WORLD,&status);
    //發(fā)送過來的都是計算好了的一行的數(shù)據(jù)，直接組裝到ans里就行
    for(j=0;j<MATRIX_SIZE;j++){
      ans[MATRIX_SIZE*i+j]=tempLine[j];
    }
    printf("Master gets %d\n",i);
  }

  for(i=0;i<MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE;i++){
    printf("%d ",ans[i] );
    if(i%MATRIX_SIZE==(MATRIX_SIZE-1))printf("\n");
  }
  printf("The Master is out\n");

}
int worker(){
  int mA[MATRIX_SIZE],mB[MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE],mC[MATRIX_SIZE];
  int i,j,bi;
  MPI_Recv(&mB,MATRIX_SIZE*MATRIX_SIZE,MPI_INT,MASTER,FROM_MASTER,MPI_COMM_WORLD,&status);
  //接收來自master的A的行
  for(i=0;i<MATRIX_SIZE/(numprocess-1);i++){
    MPI_Recv(&mA,MATRIX_SIZE,MPI_INT,MASTER,FROM_MASTER,MPI_COMM_WORLD,&status);
    //矩陣乘法，A 的一行和B矩陣相乘
    for(bi=0;bi<MATRIX_SIZE;bi++){
      mC[bi]=0;
      for(j=0;j<MATRIX_SIZE;j++){
        mC[bi]+=mA[j]*mB[bi*MATRIX_SIZE+j];
      }
    }
    MPI_Send(&mC,MATRIX_SIZE,MPI_INT,MASTER,FROM_CHILD,MPI_COMM_WORLD);
  }
  //如果處于余數(shù)范圍內(nèi)，則需要多計算一行
  if(MATRIX_SIZE%(numprocess-1)!=0){
    if (myid<=(MATRIX_SIZE%(numprocess-1)))
    {
      MPI_Recv(&mA,MATRIX_SIZE,MPI_INT,MASTER,FROM_MASTER,MPI_COMM_WORLD,&status);
      for(bi=0;bi<MATRIX_SIZE;bi++){
        mC[bi]=0;
        for(j=0;j<MATRIX_SIZE;j++){
          mC[bi]+=mA[j]*mB[bi*MATRIX_SIZE+j];
        }
      }
      MPI_Send(&mC,MATRIX_SIZE,MPI_INT,MASTER,FROM_CHILD,MPI_COMM_WORLD);
    }
  }
  printf("The worker %d is out\n",myid);
}
int main(int argc, char **argv)
{
  MPI_Init (&argc, &argv); 
  MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myid);
  MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&numprocess);

  if(myid==MASTER){
    readFile();
    master();
  }
  if(myid>MASTER){
    worker();
  }

  MPI_Finalize();
  return 0;
}

OPENMPI簡單函數(shù)介紹
針對實驗用到的幾個函數(shù)進行說明。
MPI為程序員提供一個并行環(huán)境庫，程序員通過調(diào)用MPI的庫程序來達到程序員所要達到的并行目的，可以只使用其中的6個最基本的函數(shù)就能編寫一個完整的MPI程序去求解很多問題。這6個基本函數(shù)，包括啟動和結(jié)束MPI環(huán)境，識別進程以及發(fā)送和接收消息：
理論上說，MPI所有的通信功能可以用它的六個基本的調(diào)用來實現(xiàn)：

MPI_INIT 啟動MPI環(huán)境
MPI_COMM_SIZE 確定進程數(shù)
MPI_COMM_RANK 確定自己的進程標識符
MPI_SEND 發(fā)送一條消息
MPI_RECV 接收一條消息
MPI_FINALIZE 結(jié)束MPI環(huán)境

初始化和結(jié)束

MPI初始化：通過MPI_Init函數(shù)進入MPI環(huán)境并完成所有的初始化工作。

int MPI_Init( int *argc, char * * * argv )

MPI結(jié)束：通過MPI_Finalize函數(shù)從MPI環(huán)境中退出。

int MPI_Finalize(void)

獲取進程的編號
調(diào)用MPI_Comm_rank函數(shù)獲得當前進程在指定通信域中的編號，將自身與其他程序區(qū)分。

int MPI_Comm_rank(MPI_Comm comm, int *rank)

獲取指定通信域的進程數(shù)
調(diào)用MPI_Comm_size函數(shù)獲取指定通信域的進程個數(shù)，確定自身完成任務比例。

int MPI_Comm_size(MPI_Comm comm, int *size)

MPI消息
一個消息好比一封信
消息的內(nèi)容的內(nèi)容即信的內(nèi)容，在MPI中成為消息緩沖(Message Buffer)
消息的接收發(fā)送者即信的地址，在MPI中成為消息封裝(Message Envelop)
MPI中，消息緩沖由三元組<起始地址，數(shù)據(jù)個數(shù)，數(shù)據(jù)類型>標識
消息信封由三元組<源/目標進程，消息標簽，通信域>標識

消息發(fā)送

MPI_Send函數(shù)用于發(fā)送一個消息到目標進程。

int MPI_Send(void *buf, int count, MPI_Datatype dataytpe, int dest, int tag, MPI_Comm comm)

buf是要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，比如一個A數(shù)組，可以直接&A，count則是數(shù)據(jù)長度，datatype都要改成MPI的type。dest就是worker的id了。tag則可以通過不同的type來區(qū)分消息類型，比如是master發(fā)送的還是worker發(fā)送的。

消息接收

MPI_Recv函數(shù)用于從指定進程接收一個消息

 int MPI_Recv(void *buf, int count, MPI_Datatype datatyepe,int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status)

編譯和執(zhí)行
生成執(zhí)行文件data

mpicc -o programname programname.c

一個MPI并行程序由若干個并發(fā)進程組成，這些進程可以相同也可以不同。MPI只支持靜態(tài)進程創(chuàng)建，即：每個進程在執(zhí)行前必須在MPI環(huán)境中登記，且它們必須一起啟動。通常啟動可執(zhí)行的MPI程序是通過命令行來實現(xiàn)的。啟動方法由具體實現(xiàn)確定。例如在MPICH實現(xiàn)中通過下列命令行可同時在獨立的機器上啟動相同的可執(zhí)行程序：

 mpirun –np N programname

其中N是同時運行的進程的個數(shù)，programname是可執(zhí)行的MPI程序的程序名。

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