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文檔簡(jiǎn)介
1、第四章 OpenMP多線(xiàn)程編程,主要內(nèi)容,OpenMP編程簡(jiǎn)介 OpenMP多線(xiàn)程應(yīng)用程序編程技術(shù),1. OpenMP編程簡(jiǎn)介,,1.1 OpenMP多線(xiàn)程編程發(fā)展概況,OpenMP是一種面向共享內(nèi)存多線(xiàn)程并行編程技術(shù)OpenMP具有良好的可移植性支持多種編程語(yǔ)言 Fortran C/C++支持多種平臺(tái) www.openmp.org,,OpenMP最初是為共享內(nèi)存的多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的并行編程方法,這與通過(guò)消息傳遞進(jìn)行并行編程
2、模型有很大的不同。,OpenMP的支持環(huán)境,Intel的C++和Fortran編譯器Microsoft的Visual Studio 2005gcc4.2以上版本,1.2 OpenMP多線(xiàn)程編程基礎(chǔ),OpenMP的編程模型以線(xiàn)程為基礎(chǔ),通過(guò)編譯制導(dǎo)語(yǔ)句來(lái)顯示地指導(dǎo)并行化 OpenMP的執(zhí)行模型采用Fork-Join的形式,在開(kāi)始時(shí),只有一個(gè)叫做主線(xiàn)程的運(yùn)行線(xiàn)程存在;在運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)遇到需要進(jìn)行并行計(jì)算的時(shí)候,派生出(Fork)線(xiàn)程來(lái)
3、執(zhí)行并行任務(wù);在并行代碼結(jié)束執(zhí)行,派生線(xiàn)程退出或掛起,控制流程回到單獨(dú)的主線(xiàn)程中(Join),Fork-Join模型,并行區(qū)域,OpenMP的實(shí)現(xiàn),編譯制導(dǎo)語(yǔ)句(精髓)運(yùn)行時(shí)庫(kù)函數(shù)環(huán)境變量,編譯制導(dǎo)語(yǔ)句,在編譯器編譯程序的時(shí)候,會(huì)識(shí)別特定的注釋?zhuān)@些注釋就包含著OpenMP程序的一些語(yǔ)義 在一個(gè)無(wú)法識(shí)別OpenMP語(yǔ)意的普通編譯器中,這些注釋會(huì)被當(dāng)作普通的注釋而被忽略 在C/C++程序中,OpenMP所有編譯制導(dǎo)語(yǔ)句以#pra
4、gma omp開(kāi)始,后面跟具體功能指令,編譯制導(dǎo)語(yǔ)句,,編譯制導(dǎo)語(yǔ)句,Directiveparallel, for, parallel for, section, sections, single, master, critical, flush, ordered, atomic,運(yùn)行時(shí)庫(kù)函數(shù),OpenMP運(yùn)行時(shí)函數(shù)庫(kù)主要用以設(shè)置和獲取執(zhí)行環(huán)境相關(guān)的信息,它們當(dāng)中也包含一系列用以同步的API 運(yùn)行時(shí)函數(shù)庫(kù) “omp.h”omp
5、_get_thread_num() 返回當(dāng)前線(xiàn)程的號(hào)碼,,通過(guò)編譯制導(dǎo)語(yǔ)句,可以將串行的程序逐步地改造成一個(gè)并行程序,達(dá)到增量更新程序的目的,減少程序編寫(xiě)人員一定的負(fù)擔(dān).串行程序和并行程序保持在同一個(gè)源代碼文件當(dāng)中,減少了維護(hù)負(fù)擔(dān).編譯制導(dǎo)語(yǔ)句,優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在編譯階段運(yùn)行時(shí)庫(kù)函數(shù),支持運(yùn)行時(shí)對(duì)并行環(huán)境的改變和優(yōu)化,1.3 編寫(xiě)OpenMP程序的準(zhǔn)備工作,當(dāng)前的Visual Studio .Net 2005完全支持OpenMP 2.0
6、標(biāo)準(zhǔn) 通過(guò)新的編譯器選項(xiàng) /openmp來(lái)支持OpenMP程序的編譯和鏈接,建立一個(gè)新的項(xiàng)目,配置項(xiàng)目屬性,設(shè)置環(huán)境變量,在OpenMP中,主要通過(guò)對(duì)循環(huán)或一段結(jié)構(gòu)化代碼定義并行區(qū)域的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程并行。,#include "omp.h"int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){printf("Hello from serial.\n");prin
7、tf("Thread number=%d\n",omp_get_thread_num());#pragma omp parallel{printf("Hello from parallel. Thread number=%d\n", omp_get_thread_num());}printf("Hello from serial again.\n");
8、getchar();return 0;},2. OpenMP多線(xiàn)程應(yīng)用程序編程技術(shù),,2.1 循環(huán)并行化,循環(huán)并行化是使用OpenMP來(lái)并行化程序的最重要的部分 在C/C++語(yǔ)言中,循環(huán)并行化語(yǔ)句的編譯制導(dǎo)語(yǔ)句格式如下: #pragma omp parallel for [clause[clause…]]for( i = first ; i<last ; i++) {body of the loop;},另
9、一種格式: #pragma omp parallel [clause[clause…]]{#pragma omp for [clause[clause…]]for( i = first ; i<last ; i++) {body of the loop;}}如果并行的線(xiàn)程需要在循環(huán)的開(kāi)始,或結(jié)束時(shí)作些工作的話(huà),就只能用parallel與for子句分離的版本。Parallel 將緊跟的程序塊擴(kuò)展為若干完全等同
10、的并行區(qū)域,每個(gè)線(xiàn)程擁有完全相同的并行區(qū)域;For 將循環(huán)中工作分配到線(xiàn)程組中,線(xiàn)程組中的每一個(gè)線(xiàn)程完成循環(huán)中的一部分。子句用來(lái)控制編譯制導(dǎo)語(yǔ)句的具體行為。,循環(huán)并行化語(yǔ)句的限制,并行化的語(yǔ)句必須是for循環(huán)語(yǔ)句并具有規(guī)范格式 能夠推測(cè)出循環(huán)的次數(shù) for (index = start ; index < end ; increment_expr)在循環(huán)過(guò)程中不能使用break語(yǔ)句 不能使用goto和return語(yǔ)句從
11、循環(huán)中跳出 可以使用continue語(yǔ)句,簡(jiǎn)單循環(huán)并行化,各個(gè)分量之間沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)性循環(huán)計(jì)算的過(guò)程也沒(méi)有循環(huán)依賴(lài)型,循環(huán)依賴(lài)性,循環(huán)迭代相關(guān),循環(huán)迭代相關(guān),,,循環(huán)分塊技術(shù)創(chuàng)建無(wú)循環(huán)迭代相關(guān)的循環(huán)m,,循環(huán)并行化編譯制導(dǎo)語(yǔ)句的子句,循環(huán)并行化子句可以包含一個(gè)或者多個(gè)子句來(lái)控制循環(huán)并行化的實(shí)際執(zhí)行 常見(jiàn)子句有:作用域子句(變量是共享的share還是私有的private)控制線(xiàn)程的調(diào)度(schedule )子句動(dòng)態(tài)控制是否并行化
12、(if )子句進(jìn)行同步的子句(ordered )子句控制變量在串行部分與并行部分傳遞(copyin )子句,循環(huán)嵌套,可以將嵌套循環(huán)的任意一個(gè)循環(huán)體進(jìn)行并行化 循環(huán)并行化編譯指導(dǎo)語(yǔ)句可以加在任意一個(gè)循環(huán)之前,則對(duì)應(yīng)的最近的循環(huán)語(yǔ)句被并行化,其它部分保持不變,,,,,控制數(shù)據(jù)的共享屬性,OpenMP程序在同一個(gè)共享內(nèi)存空間上執(zhí)行 可以任意使用這個(gè)共享內(nèi)存空間上的變量進(jìn)行線(xiàn)程間的數(shù)據(jù)傳遞 OpenMP還允許線(xiàn)程保留自己的私有變量不
13、能讓其它線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)到,,分配在棧上的數(shù)據(jù)都是私有的全局變量及代碼是共享的動(dòng)態(tài)分配的堆空間是共享的threadprivate指明某數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是私有的全局變量,控制數(shù)據(jù)的共享屬性,shared用來(lái)指示一個(gè)變量的作用域是共享的。privare用來(lái)指示一個(gè)變量的作用域是私有的。firstprivate對(duì)私有變量進(jìn)行初始化,把串行變量值拷貝到私有變量中(線(xiàn)程開(kāi)始)lastprivate對(duì)私有變量最后終結(jié)的操作,把私有變量拷貝到同名串行變量
14、中,使用作用域子句的一些規(guī)則,作用域子句中的變量是已經(jīng)聲明的有名變量 作用域子句在作用到類(lèi)或者結(jié)構(gòu)的時(shí)候,只能作用到類(lèi)或者結(jié)構(gòu)的整體,而不能只作用域類(lèi)或者結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分 一個(gè)編譯指導(dǎo)語(yǔ)句能夠包含多個(gè)數(shù)據(jù)作用域子句作用域子句只能出現(xiàn)在編譯制導(dǎo)語(yǔ)句起作用的語(yǔ)句變量部分 默認(rèn)情況下,并行區(qū)域中的所有變量是共享的,三種例外:parallel for 循環(huán)中,循環(huán)變量是私有的并行區(qū)域中的局部變量是私有的Private,firstpr
15、ivate,lastprivate,reduction子句列出的變量是私有的,,,規(guī)約操作的并行化,在規(guī)約操作中,會(huì)反復(fù)將一個(gè)二元運(yùn)算符應(yīng)用在一個(gè)變量和另外一個(gè)值上,并把結(jié)果保存在原變量中 在使用規(guī)約操作時(shí),只需在變量前指明規(guī)約操作的類(lèi)型以及規(guī)約的變量 # pragma omp parallel for private(arx,ary,n) reduction(+:a,b)for(i=0;i<n;i++){a=a+arx
16、[i];b=b+ary[i];},規(guī)約操作并行化的限制,能夠在OpenMP的C/C++語(yǔ)言中出現(xiàn)的規(guī)約操作,私有變量的初始化和終結(jié)操作,循環(huán)并行化開(kāi)始的時(shí)候,私有變量具有主線(xiàn)程中的同名變量的值循環(huán)并行化后將私有變量返回給主線(xiàn)程中的同名變量firstprivate lastprivate,,,數(shù)據(jù)相關(guān)性與并行化操作,并不是所有的循環(huán)都能夠使用#pragma omp parallel for來(lái)進(jìn)行并行化 必須要保證數(shù)據(jù)兩次循
17、環(huán)之間不存在數(shù)據(jù)相關(guān)性 數(shù)據(jù)相關(guān)性又被稱(chēng)為數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)(Data Race) 當(dāng)兩個(gè)線(xiàn)程對(duì)同一個(gè)變量進(jìn)行操作,并且有一個(gè)操作為寫(xiě)操作的時(shí)候,就說(shuō)明這兩個(gè)線(xiàn)程存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng),,,2.2 并行區(qū)域編程,循環(huán)并行化實(shí)際上是并行區(qū)域編程的一個(gè)特例 并行區(qū)域簡(jiǎn)單的說(shuō)就是通過(guò)編譯制導(dǎo)語(yǔ)句使得一段代碼能夠在多個(gè)線(xiàn)程內(nèi)部同時(shí)執(zhí)行 并行區(qū)域編寫(xiě)的格式如下:#pragma omp parallel [clause[clause]…]block,
18、parallel編譯制導(dǎo)語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程,當(dāng)程序遇到parallel編譯制導(dǎo)語(yǔ)句的時(shí)候,就會(huì)生成相應(yīng)數(shù)目(根據(jù)環(huán)境變量)的線(xiàn)程組成一個(gè)線(xiàn)程組,并將代碼重復(fù)地在各個(gè)線(xiàn)程內(nèi)部執(zhí)行 parallel的末尾有一個(gè)隱含的同步屏障(barrier),所有線(xiàn)程完成所需的重復(fù)任務(wù)有,在這個(gè)同步屏障出會(huì)和(join),,,線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)threadprivate,copyin,threadprivate指明(全局)變量是線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)copyin對(duì)線(xiàn)程私有
19、的全局變量進(jìn)行初始化,線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)與threadprivate, copyin子句,,,工作隊(duì)列,工作隊(duì)列的基本工作過(guò)程:為維持一個(gè)工作的隊(duì)列,線(xiàn)程在并行執(zhí)行的時(shí)候,不斷從這個(gè)隊(duì)列中取出相應(yīng)的工作完成,直到隊(duì)列為空為止,,,,,根據(jù)線(xiàn)程號(hào)分配任務(wù),每一個(gè)線(xiàn)程在執(zhí)行的過(guò)程中的線(xiàn)程標(biāo)識(shí)號(hào)是不同的,可以根據(jù)這個(gè)線(xiàn)程標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)分配不同的任務(wù) #pragma omp parallel private(myid){nthreads=omp_g
20、et_num_threads();myid=omp_get_thread_num();get_my_work_done(myid,nthreads);},使用循環(huán)語(yǔ)句分配任務(wù),,工作分區(qū)編碼,,2.3 線(xiàn)程同步,OpenMP支持兩種不同類(lèi)型的線(xiàn)程同步機(jī)制 :互斥鎖:可以用來(lái)保護(hù)一塊共享的存儲(chǔ)空間,使得每一次訪(fǎng)問(wèn)這塊共享內(nèi)存空間的線(xiàn)程最多一個(gè),保證了數(shù)據(jù)的完整性事件通知:這種機(jī)制保證了多個(gè)線(xiàn)程之間的執(zhí)行順序,數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng),,互斥鎖機(jī)
21、制,用來(lái)對(duì)一塊內(nèi)存進(jìn)行保護(hù)OpenMP提供了三種不同的互斥鎖機(jī)制 :臨界區(qū)(critical)原子操作(atomic)由庫(kù)函數(shù)來(lái)提供同步操作(互斥函數(shù)),臨界區(qū)(critical),臨界區(qū)通過(guò)編譯指導(dǎo)語(yǔ)句對(duì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)存變量進(jìn)行保護(hù) 在程序需要訪(fǎng)問(wèn)可能產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候,都需要插入相應(yīng)的臨界區(qū)代碼 #pragma omp critical [(name)]block在執(zhí)行上述的程序塊block之前,必須首先
22、要獲得臨界區(qū)的控制權(quán),正整數(shù)組最大的元素,,原子操作,現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)的多處理計(jì)算機(jī)提供了原子更新一個(gè)單一內(nèi)存單元的方法,提供了一種更高效率的互斥鎖機(jī)制。通過(guò)編譯制導(dǎo)可以調(diào)用上述方法#pragma omp atomicx ++,,,運(yùn)行時(shí)庫(kù)函數(shù)的互斥鎖支持,,,,,,事件同步機(jī)制,鎖:維護(hù)一塊代碼或者一塊內(nèi)存的一致性;事件:用來(lái)控制代碼的執(zhí)行順序,使得某一部分代碼必須在其它的代碼執(zhí)行完畢之后才能執(zhí)行。OpenMP中的事件同步主
23、要包括:同步屏障(barrier)定序區(qū)段(ordered sections)主線(xiàn)程執(zhí)行(master),隱含的同步屏障(barrier),在每一個(gè)并行區(qū)域都會(huì)有一個(gè)隱含的同步屏障一個(gè)同步屏障要求所有的線(xiàn)程執(zhí)行到此屏障,然后才能夠繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼 #pragma omp for,#pragma omp single, #pragma omp sections程序塊都包含自己的隱含的同步屏障 為了避免在循環(huán)過(guò)程中不必要的同步
24、屏障,可以增加nowait子句到相應(yīng)的編譯指導(dǎo)語(yǔ)句中,,,明確的同步屏障語(yǔ)句,在有些情況下,隱含的同步屏障并不能提供有效的同步措施 程序員可以在需要的地方插入明確的同步屏障語(yǔ)句#pragma omp barrier 在并行區(qū)域的執(zhí)行過(guò)程中,所有的執(zhí)行線(xiàn)程都會(huì)在同步屏障語(yǔ)句上進(jìn)行同步 #pragma omp parallel{initialization();#pragma omp barrierprocess();
25、},,,,,循環(huán)并行化中的順序語(yǔ)句(ordered),對(duì)于循環(huán)并行化中的某些處理需要規(guī)定執(zhí)行的順序 典型的情況:在一次循環(huán)的過(guò)程中一大部分的工作是可以并行執(zhí)行的,而其余的工作需要等到前面的工作全部完成之后才能夠執(zhí)行 在循環(huán)并行化的過(guò)程中,可以使用ordered子句使得順序執(zhí)行的語(yǔ)句直到前面的循環(huán)都執(zhí)行完畢之后再執(zhí)行,,,OpenMP任務(wù)調(diào)度,OpenMP中,任務(wù)調(diào)度主要用于并行的for循環(huán)中,當(dāng)循環(huán)中每次迭代的計(jì)算量不相等時(shí),如果
26、簡(jiǎn)單地給各個(gè)線(xiàn)程分配相同次數(shù)的迭代的話(huà),會(huì)造成各個(gè)線(xiàn)程計(jì)算負(fù)載不均衡,這會(huì)使得有些線(xiàn)程先執(zhí)行完,有些后執(zhí)行完,造成某些CPU核空閑,影響程序性能。,int i, j;int a[100][100] = {0};for ( i =0; i < 100; i++){for( j = i; j < 100; j++ ){ a[i][j] = i*j;}} 如果將最外層循環(huán)
27、并行化的話(huà),比如使用4個(gè)線(xiàn)程,如果給每個(gè)線(xiàn)程平均分配25次循環(huán)迭代計(jì)算的話(huà),顯然i=0和i=99的計(jì)算量相差了100倍,那么各個(gè)線(xiàn)程間可能出現(xiàn)較大的負(fù)載不平衡情況。,for循環(huán)并行化的任務(wù)調(diào)度方案,schedule子句的使用格式為:schedule(type[,size])type參數(shù)表示調(diào)度類(lèi)型,有四種調(diào)度類(lèi)型如下:· static· dynamic· guided·&
28、#160;runtime (實(shí)際上是根據(jù)環(huán)境變量來(lái)選擇前三種中的某中類(lèi)型。)size參數(shù) (可選) size參數(shù)表示循環(huán)迭代次數(shù),size參數(shù)必須是整數(shù)。,靜態(tài)調(diào)度(static),當(dāng)parallel for編譯制導(dǎo)語(yǔ)句沒(méi)有帶schedule子句時(shí),大部分系統(tǒng)中默認(rèn)采用static調(diào)度方式,這種調(diào)度方式非常簡(jiǎn)單。假設(shè)有n次循環(huán)迭代,t個(gè)線(xiàn)程,那么給每個(gè)線(xiàn)程靜態(tài)分配大約n/t次迭代計(jì)算。不使用size參數(shù)時(shí),分配給每個(gè)線(xiàn)程的是n/
29、t次連續(xù)的迭代,#pragma omp parallel for schedule(static) for(i = 0; i < 10; i++ ) { printf("i=%d, thread_id=%d\n", i, omp_get_t
30、hread_num());},i=0, thread_id=0i=1, thread_id=0i=2, thread_id=0i=3, thread_id=0i=4, thread_id=0i=5, thread_id=1i=6, thread_id=1i=7, thread_id=1i=8, thread_id=1i=9, thread_id=1可以看出線(xiàn)程0得到了0~4次連續(xù)迭代,線(xiàn)程1得到5~9次連續(xù)迭代。,
31、#pragma omp parallel for schedule(static, 2) for(i = 0; i < 10; i++ ) { printf("i=%d, thread_id=%d\n", i, omp_get_thread
32、_num());},i=0, thread_id=0i=1, thread_id=0i=4, thread_id=0i=5, thread_id=0i=8, thread_id=0i=9, thread_id=0i=2, thread_id=1i=3, thread_id=1i=6, thread_id=1i=7, thread_id=10、1次迭代分配給線(xiàn)程0,每個(gè)線(xiàn)程依次分配到2次連續(xù)的迭代計(jì)算。,動(dòng)態(tài)調(diào)度(d
33、ynamic),動(dòng)態(tài)調(diào)度是動(dòng)態(tài)地將迭代分配到各個(gè)線(xiàn)程,動(dòng)態(tài)調(diào)度可以使用size參數(shù)也可以不使用size參數(shù),不使用size參數(shù)時(shí)是將迭代逐個(gè)地分配到各個(gè)線(xiàn)程,使用size參數(shù)時(shí),每次分配給線(xiàn)程的迭代次數(shù)為指定的size次。使用一個(gè)內(nèi)部任務(wù)隊(duì)列,采用先來(lái)先服務(wù)的方式進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程閑下來(lái),就為其分配一個(gè)循環(huán)塊。由此可見(jiàn),動(dòng)態(tài)策略可以極大地保證線(xiàn)程組的負(fù)載平衡,但是需要額外的開(kāi)銷(xiāo),不能達(dá)到最佳性能。,guided調(diào)度(guided),
34、guided調(diào)度是一種采用指導(dǎo)性的啟發(fā)式自調(diào)度方法。開(kāi)始時(shí)每個(gè)線(xiàn)程會(huì)分配到較大的迭代塊,之后分配到的迭代塊會(huì)逐漸遞減。迭代塊的大小會(huì)按指數(shù)級(jí)下降到指定的size大小,如果沒(méi)有指定size參數(shù),那么迭代塊大小最小會(huì)降到1。,runtime調(diào)度(rumtime),runtime調(diào)度并不是和前面三種調(diào)度方式似的真實(shí)調(diào)度方式,它是在運(yùn)行時(shí)根據(jù)環(huán)境變量OMP_SCHEDULE來(lái)確定調(diào)度類(lèi)型 例如在unix系統(tǒng)中,可以使用setenv命令來(lái)設(shè)置O
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