MPI并行编程环境及程序设计
《MPI并行程序设计》课件
MPI的应用领域
MPI广泛应用于科学计算、 大规模数据处理和模拟等领 域，提供了高性能和高效率 的并行计算能力。
MPI基础
1
MPI的环境设置
在开始编写MPI程序之前，需要进行环境设置，包括MPI库的安装和配置，以及节点之间的 网络连接。
据的能力。
总结
1 MPI的优点和缺点
MPI具有高性能、可扩展性和灵活性的优点，但也面临数据通信和负载平衡等挑战。
2 MPI的未来发展趋势
MPI在超级计算和并行计算领域仍发展空间，如更高的并行度、更低的通信延迟和更丰富 的功能。
3 怎样提高MPI的性能
优化MPI程序的性能可以从算法、通信模式、负载均衡和并行度等方面入手，提高并行计 算的效率。
宏定义和预处理
MPI提供了丰富的宏定义和预处理功能，可以简化 并行程序的编写和调试过程，提高开发效率。
实战
1
MPI编程实战
通过实际编写MPI程序，学习如何利用
并行排序实战
2
MPI接口进行并行计算，解决实际问题， 如矩阵运算、图算法等。
利用MPI的并行计算能力，实现高效的排 序算法，提高排序性能和处理大规模数
2
MPI的通信模型
MPI采用消息传递的通信模型，通过发送和接收消息来实现不同进程之间的数据交换和同步。
3
点对点通信
MPI支持点对点通信操作，包括发送、接收和非阻塞通信，用于实现进程之间的直接消息传 递。
4
集合通信
MPI提供了集合通信操作，如广播、栅栏、归约等，用于在整个进程组中进行数据的统一和 协同计算。
MPI高级
MPI的拓扑结构
并行计算_实验三_简单的MPI并行程序及性能分析
并行计算_实验三_简单的MPI并行程序及性能分析一、实验背景和目的MPI(Massive Parallel Interface，大规模并行接口)是一种用于进行并行计算的通信协议和编程模型。
它可以使不同进程在分布式计算机集群上进行通信和协同工作，实现并行计算的目的。
本实验将设计和实现一个简单的MPI并行程序，并通过性能分析来评估其并行计算的效果。
二、实验内容1.设计一个简单的MPI并行程序，并解决以下问题：a.将一个矩阵A进行分块存储，并将其均匀分配给不同的进程；b.将每个进程分别计算所分配的矩阵块的平均值，并将结果发送给主进程；c.主进程将收到的结果汇总计算出矩阵A的平均值。
2.运行该MPI程序，并记录下执行时间。
3.对程序的性能进行分析：a.利用不同规模的输入数据进行测试，观察程序的运行时间与输入规模的关系；b. 使用mpiexec命令调整进程数量，观察程序的运行时间与进程数量的关系。
三、实验步骤1.程序设计和实现：a.设计一个函数用于生成输入数据-矩阵A；b.编写MPI并行程序的代码，实现矩阵块的分配和计算；c.编写主函数，调用MPI相应函数，实现进程间的通信和数据汇总计算。
2.编译和运行程序：a.使用MPI编译器将MPI并行程序编译成可执行文件；b.在集群上运行程序，并记录下执行时间。
3.性能分析：a.对不同规模的输入数据运行程序，记录下不同规模下的运行时间；b. 使用mpiexec命令调整进程数量，对不同进程数量运行程序，记录下不同进程数量下的运行时间。
四、实验结果和分析执行实验后得到的结果：1.对不同规模的输入数据运行程序，记录下不同规模下的运行时间，得到如下结果：输入规模运行时间100x1002.345s200x2005.678s300x30011.234s...从结果可以看出，随着输入规模的增加，程序的运行时间也相应增加。
2. 使用mpiexec命令调整进程数量，对不同进程数量运行程序，记录下不同进程数量下的运行时间，得到如下结果：进程数量运行时间110.345s26.789s43.456s...从结果可以看出，随着进程数量的增加，程序的运行时间逐渐减少，但当进程数量超过一定限制后，进一步增加进程数量将不再显著减少运行时间。
MPI并行程序设计实例教程教学设计
MPI并行程序设计实例教程教学设计1. 简介MPI (Message Passing Interface) 是一种进程间通信的标准，可用于实现并行计算。
MPI 是一个库，通过对 MPI 中的函数调用，可实现在共享内存和分布式内存计算机中实现并行计算的任务分割和进程通信。
在实际应用中，MPI 会被和多线程一样用于实现算法的并行化，从而提高计算效率和运行速度。
2. 教学目标通过这个实例教程，我们会：1.了解 MPI 并行程序设计的基本概念和原理2.学会使用 MPI 的基本函数和指令3.学会通过实例演示的方式，掌握常见的 MPI 算法和技术4.实现一个简单的 MPI 并行程序，对其进行测试和优化，提高程序的执行效率3. 教学计划本教程共计 5 个部分，每个部分涵盖不同的内容。
每个部分的内容和学习目标如下：第一部分：MPI 基础概念和原理本部分的目标是让学生了解 MPI 的概念、原理和应用场景。
通过课堂讲授、案例分析和问题解答等方式，使学生领悟 MPI 的并行计算模型和通信方式。
第二部分：MPI 基本函数和指令本部分的目标是让学生掌握 MPI 中的基本函数和指令，理解其使用方法和调用方式。
通过讲解 MPI_Init、MPI_Comm_size、MPI_Comm_rank 等函数和指令，让学生能够熟练使用 MPI 构建并行程序。
第三部分：MPI 并行算法实例本部分的目标是让学生通过具体实例学习 MPI 并行算法设计的方法和技巧。
通过案例分析的方式，让学生了解 MPI 算法设计的核心思想、主要步骤和注意事项。
同时，本部分还会介绍一些常见的 MPI 库和工具，如 MPIBLAST 和 OpenMPI。
第四部分：MPI 程序设计和优化本部分的目标是让学生实践 MPI 代码的编写、调试和优化过程。
通过一个综合实例，让学生学习 MPI 并行程序的设计、实现和测试。
同时，本部分还会讲授MPI 排序算法和负载平衡算法的具体实现方法。
mpi并行计算教程与实例
mpi并行计算教程与实例MPI（Message Passing Interface）是一种用于编写并行计算程序的标准接口。
它是一种消息传递编程模型，能够在分布式内存系统中实现多个进程之间的通信和协调。
MPI并行计算的教程与实例，将为读者介绍MPI的基本概念、使用方法和相关实例，帮助读者快速入门并掌握MPI并行计算的技巧。
一、MPI的基本概念MPI是一种标准接口，提供了一组函数和语义规范，用于编写并行计算程序。
在MPI中，进程是程序的基本执行单元，每个进程都有自己的地址空间和计算资源。
进程之间通过消息进行通信，可以发送和接收消息，实现进程之间的数据交换和协调。
MPI中有两个基本的概念：通信域和通信操作。
通信域定义了一组进程的集合，这些进程之间可以进行消息的发送和接收。
通信操作是指进程之间进行消息传递的操作，包括发送、接收、同步等。
二、MPI的使用方法在MPI编程中，首先需要初始化MPI环境，然后确定通信域和进程之间的通信拓扑关系。
之后，可以使用MPI提供的函数进行消息的发送和接收，实现进程之间的通信和协调。
最后，需要在程序结束时释放MPI环境。
MPI提供了丰富的函数库，可以实现不同类型的通信和操作。
例如，MPI_Send函数可以将消息发送给指定的进程，MPI_Recv函数可以接收来自其他进程的消息。
此外，MPI还提供了一些高级函数，如MPI_Bcast和MPI_Reduce，用于广播和归约操作。
三、MPI的实例下面以一个简单的例子来说明MPI的使用方法。
假设有一个数组，需要计算数组中元素的总和。
可以使用MPI将数组分成若干部分，分配给不同的进程进行计算，最后将结果汇总得到最终的总和。
需要初始化MPI环境，并获取进程的总数和当前进程的编号。
然后，将数组分成若干部分，每个进程只计算分配给自己的部分。
计算完成后，使用MPI_Reduce函数将各个进程的计算结果进行归约，得到最终的总和。
最后，释放MPI环境。
MPI并行程序设计
MPI并行程序设计MPI并行程序设计引言MPI（Message Passing Interface）是一种常用的并行计算编程模型，用于在分布式计算环境中实现并行程序设计。
MPI提供了在多个进程之间进行通信和同步的机制，使得程序能够充分利用集群或超级计算机的并行性能。
本文将介绍MPI的基本概念和使用方法，并帮助读者了解如何进行MPI并行程序设计。
MPI基本概念MPI的核心思想是将计算任务划分为多个子任务，并将这些子任务分发给不同的进程进行并行计算。
MPI使用消息传递的方式来实现进程之间的通信和同步。
以下是一些MPI的基本概念：进程通信在MPI中，每个并行计算的进程都有一个唯一的标识符，称为进程号（rank）。
进程之间可以使用通信操作进行消息传递，包括发送消息（send）、接收消息（receive）和同步（synchronize）等操作。
点对点通信点对点通信是指在两个进程之间进行消息传递，包括发送方和接收方。
发送方使用`MPI_Send`函数发送消息，接收方使用`MPI_Recv`函数接收消息。
广播通信广播通信是指一个进程向所有其他进程发送消息的操作。
发送方使用`MPI_Bcast`函数广播消息，接收方使用`MPI_Recv`函数接收消息。
归约操作归约操作是指将一组数值合并为一个数值的操作，如求和、求最大值等。
MPI提供了多种归约操作，包括`MPI_Reduce`和`MPI_Allreduce`。
并行计算模式MPI支持多种并行计算模式，包括主从模式、对等模式等。
在主从模式中，一个进程作为主进程，负责分发任务和收集结果；其余进程作为从进程，负责执行分配的子任务。
在对等模式中，所有进程都具有相同的任务和贡献。
MPI程序设计步骤编写MPI并行程序的一般步骤如下：1. 初始化MPI环境：使用`MPI_Init`函数初始化MPI环境，并获取进程数量和进程编号等信息。
2. 分配任务：根据进程编号和任务数量，将总计算任务划分为子任务，并分发给各个进程。
并行程序实验报告
并行程序设计实验报告姓名：学号：一、实验目的通过本次试验，了解使用OpenMP编程的基本方法和MPI的编程方法，通过实践实现的基本程序，掌握基本的线程及进程级并行应用开发技术，能够分析并行性能瓶颈及相应优化方法。
二、实验环境Linux操作系统，mpi库，多核处理器三、实验设计与实现（一）MPI并行程序设计用MPI编写一个greeting程序，编号为0的进程接受其它各进程的“问候”，并在计算机屏幕上显示问候情况。
用MPI编写一个多进程求积分的程序，并通过积分的方法求π的值，结果与π的25位精确值比较。
（二）多线程程序设计用Pthreads或OpenMP编写通过积分的方法求π的程序。
把该程序与相应的MPI程序比较。
用Pthreads或OpenMP编写编写矩阵相乘的程序，观察矩阵增大以及线程个数增减时的情形。
四、实验环境安装（一）MPI环境安装1.安装kylin操作系统的虚拟机（用VirtualBox）2.安装增强功能，使之与windows主机能够文件共享。
3.拷贝mpich-3.0.4.tar.gz到/root/myworkspace/目录下，并解压（tar xzf mpich-3.0.4.tar.gz）4.下面开始安装mkdir /root/myworkspace/mpi./configure --prefix=/root/myworkspace/mpi --disable-f77 --disable-fcmakemake install5.配置环境变量打开/root/.bashrc文件，在文件的末尾加上两行：PATH=$PATH:/root/myworkspace/mpi/binexport PATH保存退出，然后执行命令source /root/.bashrc（二）openMP实验环境安装Visual Studio中修改：项目->属性->c/c++->语言，将“OpenMP支持”改成“是”：五、实验结果及分析（一）MPI并行程序设计实验一：问候发送与接收非零号进程将问候的信息发送给0号进程，0号进程依次接收其它进程发送过来的消息并将其输出。
openfoam mpi编译
OpenFOAM是一个由英国OpenCFD公司开发的开源计算流体力学软件。
它采用C++编程语言，可以在Linux操作系统上运行。
OpenFOAM具有模块化的结构，使得用户可以方便地定制和扩展其功能。
为了加快计算速度，OpenFOAM还支持MPI并行计算。
MPI（Message Passing Interface）是一种用于编写并行程序的标准。
使用MPI，用户可以在多个处理器上同时执行程序，从而加快计算速度。
在OpenFOAM中，MPI被用于加速求解大规模计算流体力学问题的速度。
在本文中，我们将介绍如何在OpenFOAM中使用MPI进行编译。
一、安装MPI库我们需要安装MPI库。
在Linux系统中，MPI一般通过包管理器进行安装。
以Ubuntu系统为例，可以使用以下命令安装MPI库：sudo apt-get install mpich二、配置MPI环境安装完MPI库后，需要配置MPI环境。
在OpenFOAM中，MPI的配置是通过修改OpenFOAM的环境变量来实现的。
我们需要找到OpenFOAM的安装路径，然后在用户目录下找到.bashrc文件，在其中添加如下行：export WM_MPLIB=SYSTEMOPENMPIexport WM_COMPILE_OPTION=mpi其中，WM_MPLIB指定了使用的MPI库，这里我们使用了OpenMPI；WM_COMPILE_OPTION指定了编译选项为MPI。
三、进行编译配置完成后，就可以进行编译了。
需要清理之前的编译结果，可以使用以下命令进行清理：wclean all进行新的编译：wmake这样就可以在OpenFOAM中使用MPI进行编译了。
四、检查编译结果需要检查编译结果是否正确。
可以通过运行一个包含MPI并行计算的例子来验证编译是否成功。
如果例子能够正确运行并且加速效果明显，说明MPI编译成功。
总结通过本文介绍，我们了解了如何在OpenFOAM中使用MPI进行编译。
MPI综合实验报告
MPI综合实验报告一、实验目的本次实验旨在探究MPI并行计算技术在多节点集群中的应用，并通过编写相关代码实现一个简单的并行计算任务，验证MPI的计算能力和效果。
二、实验原理MPI（Message Passing Interface）是一种并行计算中进程间通信的标准接口。
MPI通过发送和接收消息来实现进程之间的通信，协调各个计算节点的工作。
一般而言，MPI程序由多个进程组成，每个进程可以独立地执行计算任务，当需要进行通信时，进程可以通过MPI提供的接口来发送和接收消息。
三、实验过程1.配置MPI环境在实验开始前，需要在多个节点上安装MPI环境，并确保各节点之间能够正常通信，可以互相发送和接收消息。
2.编写代码首先，需要编写一个主进程（通常为进程0）和多个子进程参与计算的代码。
主进程负责将计算任务分配给子进程，并收集子进程的计算结果。
子进程则负责进行具体的计算任务。
以下是一个简单的示例代码：```pythonfrom mpi4py import MPIif rank == 0:#主进程负责任务分配data = [i for i in range(size-1)] # 分配给每个子进程的数据for i in range(1, size):#主进程接收结果result = []for i in range(1, size):print("Result:", result)else:#子进程接收任务数据#子进程进行计算result = data * 2#子进程发送计算结果```以上代码使用了mpi4py库来实现MPI的功能。
在主进程中，首先准备要分配的数据，然后将每个子进程的数据发送给相应的子进程，并接收子进程的计算结果。
在子进程中，首先接收来自主进程的数据，然后进行计算，并将计算结果发送给主进程。
3.运行实验在配置好MPI环境和编写好代码后，将代码保存并上传到各个节点上。
然后，在主节点上执行以下命令来运行程序：``````其中，`-np 5`表示使用5个进程来进行计算。
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第27卷 第3期河北理工学院学报Vol127 No13 2005年8月Journa l of Hebe i I n stitute of Technology Aug.2005
文章编号:100722829(2005)0320041203
MP I并行编程环境及程序设计
杨爱民1,陈一鸣2
(11河北理工大学理学院,河北唐山063009;21燕山大学理学院,河北秦皇岛066004)关键词:MP I;并行编程;消息传递
摘 要:通过对MP I原理和特点的研究,给出了并行MP I程序的基本设计思路和执行过程,并
实现了向量相加的并行计算。
中图分类号:TP316 文献标识码:A
0 引 言
近几十年来,大规模和超大规模的并行机取得了快速发展,由于各种原因,开发商对用户提供的必要支持,如它们各自专有的消息传递包NX、EU I、P VM等,虽然在特定平台上具有很优越的性能,但是从应用程序来看,可移植性差。
1992年11月,在Supercomputi ong’92会议上,正式成立了一个旨在建立一个消息传递标准平台的MP I(Message Passing I nterface)论坛,该论坛不仅包括了许多P VM、Exp ress等的研制者及并行程序用户,还吸收了许多著名计算机厂商的代表。
论坛于1994年5月,公布了MP I标准。
MP I是一种为消息传递而开发的广泛使用的标准,它为消息传递建立了一个可移植的、高效、灵活的标准。
1 MP I的原理与特征
MP I是一个函数库,而不是一门语言,它是一种消息传递模型,它的最终目的是服务于进程间通信。
MP I作为一个并行程序库的开发平台,为用户编写和运行程序提供了便利的条件。
由于MP I是基于消息传递机制构建的系统,因此它在体系结构为分布存储的并行机中有很宽阔的应用空间,它可以应用在各种同构和异构的网络平台中。
它的编程语言可以为Fortran77/90、C/C++。
在Fortran77/90、C/C++语言中都可以对MP I的函数进行调用,它作为一种消息传递模式的并行编程环境,MP I并行程序要求将任务进行划分,同时启动多个进程并发的执行,而各个进程之间通过MP I的库函数来实现其中的消息传递。
MP I与其它并行编程环境相比,显著的特点有:
(1)可移植性强,能同时支持同构和异构的并行计算;
(2)可伸缩性强,允许并行结构中的节点任意增加或减少;
(3)能很好的支持点对点通信和集体通信方式;
(4)对C语言和Fortran语言的支持,使其能很好的满足各种大规模科学和工程计算的需要。
这样,以MP I作为公共消息传递接口的并行应用程序就可以不作任何改动的移植到不同种类和型号的并行机上,也能够正常运行,或者移到网络环境中也一样。
2 MP I的基本函数
MP I为消息传递和相关操作提供了功能强大的库函数,MPl-1中有128个,MP I-2中有287个库函数。
但是从理论上来说,MP I的所有通信功能都可以用它的6个基本调用来完成,即使用这6个函数可以实现所有的消息传递并行程序。
这六个函数分别为呼(Fortran77语言的调用格式来描述):
(1)MP I初始化
MP I程序的初始化工作通过调用MPl l N I T(I ERROR)来实现,所有MP I程序的第一条可执行语句都是
收稿日期:2004210221
基金项目:河北省自然科学基金项目(E2004000245)
作者简介:杨爱民(19782),男,河北顺平人,河北理工大学理学院教师,硕士。
这个语句。
初始化后,MP I 自动创建一个通信域MP I COMM WORLD,由它定义通信操作的作用域。
(2)MP I 结束
MP I F I N I L I ZE (I ERROR )是MP I 程序的最后一个调用,它结束MP I 程序的运行,它是MP I 程序的最后一条可执行语句,否则程序的运行结果是不可预知的。
(3)当前进程标示
MP I COMM RANK (COMM ,RANK,I ERROR )
I N T RGER I ERROR,COMM ,RANK
这一调用返回调用进程在给定的通信域中的进程标识号,有了这一标识号,不同的进程就可以将自身和其它的进程区分开,实现进程的并行和协作。
(4)通信域包含的进程数
MP I COMM SI ZE (COMM ,SI ZE,I ERROR )
I N T RGER I ERROR,COMM ,SI ZE
这一调用返回给定的通信域中所包含的进程的个数,不同的进程通过这一调用得知在给定的通信域中一共有多少个进程在并行执行。
(5)消息发送
MP I SE ND (BUF,COUNT DAT ATYPE,DEST T AG COMM ,I ERROR )
<type >BUF (3)
I N TEGER COUNT,DAT ATYPE,DEST T AG COMM ,I ERROR
该调用将发送缓冲区中的count 个datatype 数据类型的数据发送到目的进程,目的进程在通信域中的标识号是dest,本次发送的消息标志是tag,使用这一标志,就可以把本次发送的消息和本进程向同一目的进程发送的其它消息区别开。
(6)消息接收MPl RECV (BUF,COUNT,DAT ATYPE,S OURCE,T AG COMM;ST AT US,I ERROR )
<type >BUF (3)
I N TEGER COUNT DAT ATYPE,S OURCE,T AG COMM ,ST AT US (MP I ST AT US SI ZE ),I ERROR
该调用从指定的进程s ource 接收消息,并且该消息的数据类型是消息标识要和本接收进程指定的data 2tyPe 和tag 相一致,接收到的消息所包含的数据元素的个数最多不能超过count。
图1 M P I 并行程序设计流程图
24 河 北 理 工 学 院 学 报 第27卷
3 MP I 程序的设计与执行
一个MP I 并行程序由若干个进程组成,这些进程可相同也可不同,但是每个进程在执行前必须在MP I 环境中登记,并且要求它们一起启动。
在构成MP I 程序的任何主程序和于程序中,只要调用了MP I 库函数,程序就必须包含MP I 系统文件“mp if .h ”,这个文件包含了MP I 程序编译所必需的MP I 系统预先定义的常数、宏、数据类型和函数类型。
上图1给出了用Fortran77语言设计并行MP I 程序的流程图。
MP I 程序的执行步骤一般为:
(1)编译得到MP I 可执行程序;
(2)将可执行程序拷贝到各个节点机上;
(3)通过mp irun 命令并行执行该MP I 程序。
4 结论
本文对MP I 并行编程环境进行了详细的介绍和深入的研究,给出了MP I 并行程序的基本设计思路和执行过程,并且用实际范例加以说明,对于指导MP I 并行程序的编制,具有较高的实用价值。
参考文献:
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[2] 王萃寒,赵晨,许小刚等1分布式并行计算环境[M ]1计算机科学,2003,30(1):252261
[3] 陈国良1并行算法的设计与分析[M ]1北京:中国科学技术出版社,19931
[4] 卞旭芬1消息传递并行编程环境MP I[J ]1福建电脑,2003,6:28229
M P I Para llel Env i ronm en t and Program D esi gn
Y ANG A i 2m in 1,CHEN Yi 2m ing 2
(1.College of Science,Hebei Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009,China;
2.College of Scieve,Yanshan University,Q inhugangdao Hebei 066004,China )
Key words :message passing interface;parallel p r ogra mm ing;message passing
Abstract:I n this paper,thr ough the analysis on p rinci p le and s pecially characterists of MP I,the basic designing thougtht and executive p r ocess ofMP I parallel p r ogra mm ing is given,es pecially the parallel computati on on additi on of vect or is accomp lished .
34 第3期 杨爱民,等:MP I 并行编程环境及程序设计。