MPI基础
《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
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基本框架语句详解
MPI基本框架语句详解//转载请注出处 design by:lhl 于2016.12.14最近刚开始接触mpi并⾏运算，感觉⽆从下⼿，找了好多资料看完之后吧⾃⼰的⼀些笔记整理⼀下，万⼀也有初学者有困惑也能帮⼀把。
Let’s go：⼀．Mpi程序编译与运⾏⽅法⼀：1. 安装mpich，搭建mpi运⾏环境(linux中安装mpich即可)（其中mpi_pi.c是⽤来测试的计算pi的程序）2. 编译：mpicc mpi_pi.c -Wall -o mpi_pi（不同于gcc编译，需注意）3. 运⾏：mpiexec -n 4 ./mpi_pi⽅法⼆：⽣成可执⾏⽂件1.运⾏：mpicc mpi_pi.c进⾏编译，会⽣成a.out的可执⾏⽂件2.mpirun -np 4 ./a.out⼆．基本框架语句与详解1.main(int argc,char **argv)2.MPI_Init(&argc,&argv);进⾏MPI程序的初始化，⼀般MPI程序从这⼀句开始。
开始进⾏MPI运算。
3.MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myid);先看第4条吧，相当于是当前进程的逻辑编号，是总进程p中的第⼏个进程。
4.MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&numprocs);MPI程序获得进程数p，设置总的进程数5.MPI_Finalize();MPI程序的结束语句，到这说明程序都结束了，不然程序get不到结束语句就不知道该什么时候停下来了。
下次会发⼀个计算pi的MPI程序，和我⼀样新⼿的可以看懂那个就容易多了。
MPI概述
偏移 0
偏移 1
偏移 i 类型图的跨度
偏 移 n -1
返回的通信状态
16
2.2
MPI消息
• 一个消息好比一封信 2 MPI 组 成 • 消息的内容即信的内容，在MPI 中称为消息缓冲(Message Buffer) • 消息的接收/发送者即信的地址， 在MPI中称为消息信封(Message Envelop)
• MPI中，消息缓冲由三元组<起始地址， 数据个数，数据类型>标识 • 消息信封由三元组<源/目标进程，消息 标签，通信域>标识
2 MPI
• 预定义数据类型:MPI支持异构计算 (Heterogeneous Computing)，它指在不 同计算机系统上运行程序，每台计算 组 可能有不同生产厂商，不同操作系统。
成
• 派生数据类型：MPI引入派生数据类型 来定义由数据类型不同且地址空间不 连续的数据项组成的消息。
表 2.1 M PI(C 语 言 绑 定 ) M PI_BYTE M PI_CHAR signed char C
2 MPI
组 消息接收: 成 ⑤ MPI_Recv函数用于从指定进程接收一
个消息 – int MPI_Recv(void *buf, int count, MPI_Datatype datatyepe,int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status)
2 MPI
成
标志并行代码的结束，结束除主进程外其 他进程。 要求之后串行代码仍可以在主进程 (rank=0)上运行（如果必须）
12
获取进程的编号
MPI使用操作流程
文件操作示例
• 创建文件并写入数据 • MPI_File file; • int rank, size; • char filename[] = "data.txt"; • MPI_Init(&argc, &argv); • MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); • MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); • MPI_File_open(MPI_COMM_WORLD, filename, MPI_MODE_WRONLY | MPI_MODE_CREATE,
MPI通信方式
1 2
消息传递
MPI进程之间通过发送和接收消息进行通信。
缓冲区
用于存储发送和接收的消息。
3
发送和接收操作
MPI提供了发送和接收消息的API，可以实现不 同进程之间的通信。
04
MPI并行文件IO操作
文件操作基本概念
文件系统
是操作系统中用于管理数据存储 和维护的子系统，包括文件的创 建、读取、写入和删除等操作。
MPI_INFO_NULL, &file); • char sendbuf[100], recvbuf[100]; • strcpy(sendbuf, "Hello world!"); • MPI_File_write(file, sendbuf, strlen(sendbuf), MPI_CHAR, MPI_STATUS_IGNORE); • MPI_File_close(&file); • 读取文件并打印内容 • MPI_File file; • int rank, size; • char filename[] = "data.txt";
MPI基础ppt全文
分子动力学等模拟计算。
MPI在工程仿真领域也发挥着重 要作用，如结构力学、电磁场仿
真、热传导等。
随着大数据时代的到来，MPI在 数据分析、机器学习等领域也展 现出巨大的潜力。
未来，随着计算机硬件和网络的 不断发展，MPI将继续优化和完 善，为更广泛的应用场景提供高 效、可靠的并行计算支持。
负载不均衡度（Load Imbalance）
基准测试程序设计与实现
基准测试程序选择 NAS Parallel Benchmarks (NPB)
High Performance Linpack (HPL)
基准测试程序设计与实现
Parallel Research Kernels (PRK)
代表性：能反映实际 应用的计算和通信模 式。
计算优化
采用更高效的算法，优化循环结构，减少浮点运算量。
通信优化
减少通信次数，优化通信模式，使用非阻塞通信等。
性能评估结果分析与改进
• I/O优化：采用并行I/O，减少I/O操作次数，优化数据读 写方式。
性能评估结果分析与改进
性能改进实施 重新编译并运行修改后的程序。
修改源代码，实现优化策略。 再次进行性能评估，验证改进效果。
02
通过具体案例，如矩阵乘法、排序算法等，详细讲解并行化实
现的过程和技巧。
并行化性能评估
03
介绍如何评估并行算法的性能，包括加速比、效率等指标的计
算和分析。
性能优化策略
01
02
03
通信优化
讲解如何通过减少通信量、 优化通信方式等手段来提 高MPI程序的性能。
计算优化
介绍如何通过优化计算过 程、提高计算效率等方式 来提升程序性能。
mpi基础操作
MPI（Message Passing Interface）是一种并行计算中常用的通信协议，主要用于进程间的消息传递。
以下是MPI的一些基础操作：
1.初始化MPI环境：通过MPI_Init函数完成MPI环境的初始化。
int MPI_Init(int *argc, char ***argv);
2.获取进程编号和总进程数：通过MPI_Comm_rank和MPI_Comm_size函
数获取当前进程的编号和总进程数。
int MPI_Comm_rank(MPI_Comm comm, int *rank);
int MPI_Comm_size(MPI_Comm comm, int *size);
3.发送和接收消息：通过MPI_Send和MPI_Recv函数进行消息的发送和接
收。
int MPI_Send(const void *buf, int count, MPI_Datatype datatype, int dest, int tag, MPI_Comm comm);
int MPI_Recv(void *buf, int count, MPI_Datatype datatype, int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status);
4.结束MPI环境：通过MPI_Finalize函数结束MPI环境。
int MPI_Finalize(void);
以上是MPI的一些基本操作，实际上MPI还提供了许多其他的功能，如广播、散列、收集等，可以满足各种并行计算的需求。
MPI
• 并行计算粒度大，适合大规模可扩展并行算法
– 消息传递程序设计要求用户很好地分解问题,组织不同进 程间的数据交换,并行计算粒度大,特别适合于大规模可 扩展并行算法
什么是MPI?
• Massage Passing Interface:是消息传递函数库 的标准规范，由MPI论坛开发，支持Fortran和C
Hello Hello Hello Hello
World! World! World! World!
开始写MPI程序 • 写MPI程序时，我们常需要知道以下两 个问题的答案:
– 任务由多少进程来进行并行计算？
– 我是哪一个进程？
开始写MPI程序
• MPI提供了下列函数来回答这些问题：
– 用MPI_Comm_size 获得进程个数p
– hello，要运行的MPI并行程序
运行MPI程序
• 编译：mpicc -o hello hello.c • 运行：./hello
[0] Aborting program ! Could not create p4 procgroup.Possible missing fileor program started without mpirun.
C和Fortran中MPI函数约定（续）
• MPI函数的参数被标志为以下三种类型
– IN：参数在函数的调用中不会被修改 – OUT：参数在函数的调用中可能会被修改 – INOUT：参数在一些函数中为IN，而在另一些函数中为OUT
MPI初始化- MPI_INIT
• int MPI_Init(int *argc, char **argv)
– 之后串行代码仍可在主进程(rank = 0)上运行(如果必须)
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MPI_Type_commit
MPI_Type_free
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提交一个派生数据类型
释放一个派生数据类型
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4.3 MPI消息(数据类型)
double A[100]; MPI_Datatype EvenElements; · · · MPI_Type_vector(50, 1, 2, MPI_DOUBLE, &EvenElements); MPI_Type_commit(&EvenElements); MPI_Send(A, 1, EvenElements, destination, · · · );
基类型 0 基类型 1 基类型 i 基类型 n-1
偏移 0
偏移 1
偏移 i 类型图的跨度
偏移 n-1
偏移
类型图的下界
类型图的上界
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4.3 MPI消息(数据类型)
MPI提供了全面而强大的构造函数(Constructor Function)来定义 派生数据类型。
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4.2 6个基本函数组成的MPI子集
if (rank==0){ senddata=9999; MPI_Send( &senddata, 1, MPI_INT, 1, tag, MPI_COMM_WORLD); /*发送数据到进程1*/ } if (rank==1) MPI_Recv(&recvdata, 1, MPI_INT, 0, tag, MPI_COMM_WORLD, &status); /*从进程0接收数据*/ MPI_Finalize(); /*MPI的结束函数*/ return (0); }
MPI_UNSIGNED_SHORT unsigned short
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4.3 MPI消息(数据类型)
MPI提供了两个附加类型:MPI_BYTE和 MPI_PACKED 。
MPI_BYTE表示一个字节，所有的计算系统中一个字 节都代表8个二进制位。 MPI_PACKED预定义数据类型被用来实现传输地址空 间不连续的数据项 。
并行算法实践
上篇 并行程序设计导论
并行算法实践 上篇 并行程序设计导论
单元I 并行程序设计基础 单元II 并行程序编程指南
单元III 并行程序开发方法
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单元II 并行程序编程指南
第四章 MPI编程指南 第五章 PVM编程指南
第六章 HPF编程指南
int MPI_Send(void *buf, int count, MPI_Datatype dataytpe, int dest, int tag, MPI_Comm comm)
消息接受:MPI_Recv函数用于从指定进程接收一个消 息
int MPI_Recv(void *buf, int count, MPI_Datatype datatyepe,int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status)
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4.2 6个基本函数组成的MPI子集
#include "mpi.h" /*MPI头函数，提供了MPI函数和数据类型定义*/ int main( int argc, char** argv ) { int rank, size, tag=1; int senddata,recvdata; MPI_Status status; MPI_Init(&argc, &argv); /*MPI的初始化函数*/ MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); /*该进程编号*/ MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); /*总进程数目*/
第七章 OpenMP编程指南
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第四章 MPI编程指南
4.1 引言 4.2 6个基本函数组成的MPI子集 4.3 MPI消息 4.4 点对点通信 4.5 群集通信 4.6 MPI扩展 4.7 小结
国家高性能计算中心（合肥）
国家高性能计算中心（合肥）
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4.1 引言
MPI的版本
MPICH：/mpi/mpich LAM (Local Area Multicomputer): Open-MPI: / CHIMP: ftp:///pub/chimp/release/
函数名 MPI_Type_contiguous 含义 定义由相同数据类型的元素组成的类型
MPI_Type_vector
MPI_Type_indexed MPI_Type_struct
定义由成块的元素组成的类型，块之间具有相同间隔
定义由成块的元素组成的类型，块长度和偏移由参数 指定 定义由不同数据类型的元素组成的类型
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4.3 MPI消息(数据类型)
double A[100]; MPI_Pack_size (50,MPI_DOUBLE,comm,&BufferSize); TempBuffer = malloc(BufferSize); j = sizeof(MPI_DOUBLE); Position = 0; for (i=0;i<50;i++) MPI_Pack(A+i*j,1,MPI_DOUBLE,TempBuffer,BufferSize,&Position, comm); MPI_Send(TempBuffer,Position,MPI_PACKED,destination,tag,comm);
MPI_Pack_size函数来决定用于存放50个MPI_DOUBLE数据项 的临时缓冲区的大小 调用malloc函数为这个临时缓冲区分配内存 for循环中将数组A的50个偶序数元素打包成一个消息并存放在临 时缓冲区
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4.3 MPI消息(数据类型)
国家高性能计算中心（合肥） 2015/11/29 8
4.2 6个基本函数组成的MPI子集
MPI初始化：通过MPI_Init函数进入MPI环境并完成 所有的初始化工作。
int MPI_Init( int *argc, char * * * argv )
MPI结束：通过MPI_Finalize函数从MPI环境中退出。
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4.1 引言
MPI(Message Passing Interface )是一个消息传递接 口标准
MPI提供一个可移植、高效、灵活的消息传递接口库 MPI以语言独立的形式存在，可运行在不同的操作系统 和硬件平台上 MPI提供与C/C++和Fortran语言的绑定
int MPI_Finalize(void)
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4.2 6个基本函数组成的MPI子集
获取进程的编号：调用MPI_Comm_rank函数获得当前 进程在指定通信域中的编号，将自身与其他程序区分。
int MPI_Comm_rank(MPI_Comm comm, int *rank)
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4.3 MPI消息
MPI中，消息缓冲由三元组<起始地址，数据个数，数 据类型>标识 消息信封由三元组<源/目标进程，消息标签，通信域> 标识 MPI_Send (buf, count, datatype, dest, tag, comm)
消息缓冲 消息信封
三元组的方式使得MPI可以表达更为丰富的信息，功能 更强大
首先声明一个类型为MPI_Data_type的变量EvenElements 调用构造函数MPI_Type_vector(count, blocklength, stride, oldtype, &newtype)来定义派生数据类型 新的派生数据类型必须先调用函数MPI_Type_commit获得MPI系 统的确认后才能调用MPI_Send进行消息发送
MPI通过提供预定义数据类型来解决异构计算中的互操作性问 题，建立它与具体语言的对应关系。
派生数据类型：MPI引入派生数据类型来定义由数据类 型不同且地址空间不连续的数据项组成的消息。
国家高性能计算中心（合肥） 2015/11/29 14
4.3 MPI消息(数据类型)
表 2.1 MPI 中预定义的数据类型 MPI(C 语言绑定) MPI_BYTE MPI_CHAR MPI_DOUBLE MPI_FLOAT MPI_INT MPI_LONG MPI_LONG_DOUBLE MPI_PACKED MPI_SHORT MPI_UNSIGNED_CHAR MPI_UNSIGNED MPI_UNSIGNED_LONG short unsigned char unsigned int unsigned long signed char double float int long long double MPI_PACKED C MPI(Fortran 语言绑定) MPI_ BYTE MPI_CHARACTER MPI_COMPLEX MPI_DOUBLE_PRECISION MPI_REAL MPI_INTEGER MPI_LOGICAL CHARACTER COMPLEX DOUBLE_PRECISION REAL INTEGER LOGICAL Fortran