OpenMP简介和计算实例
来源:互联网 发布:淘宝购物津贴 编辑:程序博客网 时间:2024/04/27 23:44
1. OpenMP简介
OpenMP是一个共享存储并行系统上的应用程序接口。它规范了一系列的编译制导、运行库例程和环境变量,但OpenMP完全依赖用户保证制导的正确性,即使用户给出的制导是错误的,OpenMP兼容的实现也不要求进行错误检查,而是可以简单地忽略。同时,它提供了C/C++和FORTRAN等的应用编程接口,已经应用到UNIX、Windows NT等多种平台上。
OpenMP使用FORK-JOIN并行执行模型。所有的OpenMP程序开始于一个单独的主线程(Master Thread)。主线程会一直串行地执行,直到遇到第一个并行域(Parallel Region)才开始并行执行。接下来的过程如下:①FORK:主线程创建一队并行的线程,然后,并行域中的代码在不同的线程队中并行执行;②JOIN:当诸线程在并行域中执行完之后,它们或被同步或被中断,最后只有主线程在执行。
2. OpenMP计算实例
(1) 实验环境:
在这里简单说明一下求π的积分方法,使用公式arctan(1)=π/4以及(arctan(x))'=1/(1+x^2).
OpenMP是一个共享存储并行系统上的应用程序接口。它规范了一系列的编译制导、运行库例程和环境变量,但OpenMP完全依赖用户保证制导的正确性,即使用户给出的制导是错误的,OpenMP兼容的实现也不要求进行错误检查,而是可以简单地忽略。同时,它提供了C/C++和FORTRAN等的应用编程接口,已经应用到UNIX、Windows NT等多种平台上。
OpenMP使用FORK-JOIN并行执行模型。所有的OpenMP程序开始于一个单独的主线程(Master Thread)。主线程会一直串行地执行,直到遇到第一个并行域(Parallel Region)才开始并行执行。接下来的过程如下:①FORK:主线程创建一队并行的线程,然后,并行域中的代码在不同的线程队中并行执行;②JOIN:当诸线程在并行域中执行完之后,它们或被同步或被中断,最后只有主线程在执行。
2. OpenMP计算实例
(1) 实验环境:
若在机群上,Linux用户可直接使用系统自带的SSH命令登陆,在Windows环境下,可使用xshell工具,或者putty工具,本文使用的是putty。putty默认的鼠标按键行为是右键复制,Windows的用户这点可能不习惯,可以在Window的Selection中的Action of mouse buttons下设置成Windows:
登录进机群后,进入结点,建立文件夹,如mkdir demo,建立程序vi a.c,写入代码,编译gcc –fopenmp –o a a.c,执行./a。
最简单的,在Microsoft Visual Studio中,可以直接配置使用OpenMP,如下图
(2)程序示例
与“Hello World”程序类似,本文编写OpenMP计算π的简单示例。
首先是串行的π程序:
#include <stdio.h>#include <omp.h>static long num_steps = 100000;//越大值越精确double step;void main(){int i;double x, pi, sum = 0.0;step = 1.0/(double)num_steps;for(i=1;i<= num_steps;i++){x = (i-0.5)*step;sum=sum+4.0/(1.0+x*x);}pi=step*sum;printf("%lf\n",pi);}
在这里简单说明一下求π的积分方法,使用公式arctan(1)=π/4以及(arctan(x))'=1/(1+x^2).
在求解arctan(1)时使用矩形法求解:
求解arctan(1)是取a=0, b=1.
下面给出4种OpenMP的程序求解π:
1. 使用并行域并行化的程序
#include <stdio.h>#include <omp.h>static long num_steps = 100000;double step;#define NUM_THREADS 2void main (){ int i;double x, pi, sum[NUM_THREADS];step = 1.0/(double) num_steps;omp_set_num_threads(NUM_THREADS); //设置2线程 #pragma omp parallel private(i) //并行域开始,每个线程(0和1)都会执行该代码{double x;int id;id = omp_get_thread_num();for (i=id, sum[id]=0.0;i< num_steps; i=i+NUM_THREADS){x = (i+0.5)*step;sum[id] += 4.0/(1.0+x*x);}}for(i=0, pi=0.0;i<NUM_THREADS;i++) pi += sum[i] * step;printf("%lf\n",pi); }共2个线程参加计算,其中线程0进行迭代步0,2,4,...线程1进行迭代步1,3,5,....
2.使用共享任务结构并行化的程序
#include <stdio.h>#include <omp.h>static long num_steps = 100000;double step;#define NUM_THREADS 2void main (){ int i;double x, pi, sum[NUM_THREADS];step = 1.0/(double) num_steps;omp_set_num_threads(NUM_THREADS); //设置2线程 #pragma omp parallel //并行域开始,每个线程(0和1)都会执行该代码{double x;int id;id = omp_get_thread_num();sum[id]=0;#pragma omp for //未指定chunk,迭代平均分配给各线程(0和1),连续划分for (i=0;i< num_steps; i++){x = (i+0.5)*step;sum[id] += 4.0/(1.0+x*x);}}for(i=0, pi=0.0;i<NUM_THREADS;i++) pi += sum[i] * step;printf("%lf\n",pi);}共2个线程参加计算,其中线程0进行迭代步0~49999,线程1进行迭代步50000~99999.
3.使用private子句和critical部分并行化的程序
#include <stdio.h>#include <omp.h>static long num_steps = 100000;double step;#define NUM_THREADS 2void main (){ int i;double pi=0.0;double sum=0.0;double x=0.0;step = 1.0/(double) num_steps;omp_set_num_threads(NUM_THREADS); //设置2线程#pragma omp parallel private(x,sum) //该子句表示x,sum变量对于每个线程是私有的{int id;id = omp_get_thread_num();for (i=id, sum=0.0;i< num_steps; i=i+NUM_THREADS){x = (i+0.5)*step;sum += 4.0/(1.0+x*x);}#pragma omp critical //指定代码段在同一时刻只能由一个线程进行执行pi += sum*step;}printf("%lf\n",pi);}共2个线程参加计算,其中线程0进行迭代步0,2,4,...线程1进行迭代步1,3,5,....当被指定为critical的代码段正在被0线程执行时,1线程的执行也到达该代码段,则它将被阻塞知道0线程退出临界区。
4.使用并行规约的并行程序
#include <stdio.h>#include <omp.h>static long num_steps = 100000;double step;#define NUM_THREADS 2void main (){ int i;double pi=0.0;double sum=0.0;double x=0.0;step = 1.0/(double) num_steps;omp_set_num_threads(NUM_THREADS); //设置2线程#pragma omp parallel for reduction(+:sum) private(x) //每个线程保留一份私有拷贝sum,x为线程私有,最后对线程中所以sum进行+规约,并更新sum的全局值for(i=1;i<= num_steps; i++){x = (i-0.5)*step;sum += 4.0/(1.0+x*x);}pi = sum * step;printf("%lf\n",pi);}共2个线程参加计算,其中线程0进行迭代步0~49999,线程1进行迭代步50000~99999.
3. 小结
OpenMP是一种基于共享存储系统之上的并行编程标准,OpenMP标准提供了更为简单的编程模型,更易于编程,但是OpenMP完全依赖用户保证制导的正确性。本文以计算π值为例,给出4种OpenMP编程的实现方式,方便上机实践。
参考文献:
陈国良等.并行算法实践[M].北京:高等教育出版社,2004.1.
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