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1、第十三章 共享存储系统编程国家高性能计算中心（合肥）共享存储系统编程 13.1 ANSI X3H513.1 ANSI X3H5共享存储模型共享存储模型 13.2 POSIX 13.2 POSIX 线程模型线程模型 13.3 OpenMP13.3 OpenMP模型模型国家高性能计算中心（合肥）编程标准的作用编程标准的作用 规定程序的执行模型规定程序的执行模型规定程序的执行模型规定程序的执行模型 SPMD,SMP SPMD,SMP 等等等等 如何表达并行性如何表达并行性如何表达并行性如何表达并行性 DOACROSS,FORALL,PARALLEL,INDEPENDENTDOACROSS,FORAL
2、L,PARALLEL,INDEPENDENT 如何表达同步如何表达同步如何表达同步如何表达同步 Lock,Barrier,Semaphore,Condition VariablesLock,Barrier,Semaphore,Condition Variables 如何获得运行时的环境变量如何获得运行时的环境变量如何获得运行时的环境变量如何获得运行时的环境变量 threadid,num of processesthreadid,num of processes国家高性能计算中心（合肥）ANSI X3H5共享存储器模型 Started in the mid-80s with the emerge
3、nce of shared memory parallel Started in the mid-80s with the emergence of shared memory parallel computers with proprietary directive driven programming environmentscomputers with proprietary directive driven programming environments 更早的标准化结果更早的标准化结果PCFPCF共享存储器并行共享存储器并行FortranFortran 19931993年制定的概念
4、性编程模型年制定的概念性编程模型 Language BindingLanguage Binding C C Fortran 77Fortran 77 Fortran 90Fortran 90国家高性能计算中心（合肥）并行块（工作共享构造）并行块（工作共享构造）并行块并行块(psections.end psections)(psections.end psections)并行循环并行循环(pdo.Endo pdo)(pdo.Endo pdo)单进程单进程(psingle.End psingle)(psingle.End psingle)可嵌套可嵌套 非共享块重复执行非共享块重复执行 隐式路障隐式
5、路障(nowait)(nowait)，显式路障和阻挡操作，显式路障和阻挡操作 共享共享/私有变量私有变量 线程同步线程同步 门插销门插销(latch)(latch)：临界区：临界区 锁：锁：test,lock,unlocktest,lock,unlock 事件事件:wait,post,clear:wait,post,clear 序数序数(ordinal):(ordinal):顺序顺序国家高性能计算中心（合肥）X3H5:并行性构造Program mainProgram main!程序以顺序模式开始程序以顺序模式开始程序以顺序模式开始程序以顺序模式开始,此时只有一个此时只有一个此时只有一个此时只有
6、一个A A!A!A只由基本线程执行，称为主线程只由基本线程执行，称为主线程只由基本线程执行，称为主线程只由基本线程执行，称为主线程parallelparallel!转换为并行模式，派生出多个子线程（一个组）转换为并行模式，派生出多个子线程（一个组）转换为并行模式，派生出多个子线程（一个组）转换为并行模式，派生出多个子线程（一个组）B B!B!B为每个组员所复制为每个组员所复制为每个组员所复制为每个组员所复制psectionspsections!并行块开始并行块开始并行块开始并行块开始sectionsectionC C!一个组员执行一个组员执行一个组员执行一个组员执行C Csectionsect
7、ionD D!一个组员执行一个组员执行一个组员执行一个组员执行D Dend psectionsend psections!等待等待等待等待C C和和和和D D都结束都结束都结束都结束psinglepsingle!暂时转换成顺序模式暂时转换成顺序模式暂时转换成顺序模式暂时转换成顺序模式E E!已由一个组员执行已由一个组员执行已由一个组员执行已由一个组员执行end psingleend psingle!转回并行模式转回并行模式转回并行模式转回并行模式pdo i=1,6pdo i=1,6!pdo!pdo构造开始构造开始构造开始构造开始F(i)F(i)!组员共享组员共享组员共享组员共享F F的六次迭代
8、的六次迭代的六次迭代的六次迭代end pdo no waitend pdo no wait!无隐式路障同步无隐式路障同步无隐式路障同步无隐式路障同步G G!更多的复制代码更多的复制代码更多的复制代码更多的复制代码end parallelend parallel!转为顺序模式转为顺序模式转为顺序模式转为顺序模式HH!初始化进程单独执行初始化进程单独执行初始化进程单独执行初始化进程单独执行HH.!可能有更多的并行构造可能有更多的并行构造可能有更多的并行构造可能有更多的并行构造EndEnd国家高性能计算中心（合肥）线程隐式路障同步PQRABCEF(1:2)GHGGF(3:4)F(5:6)DBB隐式路
9、障同步隐式路障同步无隐式路障同步隐式路障同步国家高性能计算中心（合肥）共享存储系统编程 13.1 ANSI X3H513.1 ANSI X3H5共享存储模型共享存储模型 13.2 POSIX 13.2 POSIX 线程模型线程模型 13.3 OpenMP13.3 OpenMP模型模型国家高性能计算中心（合肥）POSIX线程模型 IEEE/ANSIIEEE/ANSI标准标准IEEE POSIX 1003.1c-1995IEEE POSIX 1003.1c-1995线程标准线程标准Unix/NTUnix/NT操作系统层上的，操作系统层上的，SMPSMP Chorus,Topaz,Mach Cthr
10、eadsChorus,Topaz,Mach Cthreads Win32 ThreadWin32 Thread GetThreadHandle,SetThreadPriority,SuspendThread,ResumeThreadGetThreadHandle,SetThreadPriority,SuspendThread,ResumeThread TLS(TLS(线程局部存储线程局部存储)TlsAlloc,TlsSetValue)TlsAlloc,TlsSetValue LinuxThreads:_clone and sys_cloneLinuxThreads:_clone and sys
11、_clone 用户线程和内核线程用户线程和内核线程(LWP)(LWP)(一到一，一一到一，一到多，多到多到多，多到多)国家高性能计算中心（合肥）What Are Threads?General-purpose solution for managing concurrency.General-purpose solution for managing concurrency.Multiple independent execution streams.Multiple independent execution streams.Shared state.Shared state.Preempt
12、ive scheduling.Preemptive scheduling.Synchronization(e.g.locks,conditions).Synchronization(e.g.locks,conditions).Shared state(memory,files,etc.)Threads国家高性能计算中心（合肥）线程共享相同的内存空间。线程共享相同的内存空间。与标准与标准 fork()fork()相比，线程带来的开销很小。内核无需单独复制进程的内相比，线程带来的开销很小。内核无需单独复制进程的内存空间或文件描述符等等。这就节省了大量的存空间或文件描述符等等。这就节省了大量的 CP
13、U CPU 时间。时间。和进程一样，线程将利用多和进程一样，线程将利用多 CPUCPU。如果软件是针对多处理器系统设计的，。如果软件是针对多处理器系统设计的，计算密集型应用。计算密集型应用。支持内存共享无需使用繁琐的支持内存共享无需使用繁琐的 IPC IPC 和其它复杂的通信机制。和其它复杂的通信机制。Linux _cloneLinux _clone不可移植，不可移植，PthreadPthread可移植可移植。POSIX POSIX 线程标准不记录任何线程标准不记录任何“家族家族”信息。无父无子。如果要等待一个信息。无父无子。如果要等待一个线程终止，就必须将线程的线程终止，就必须将线程的 ti
14、d tid 传递给传递给 pthread_join()pthread_join()。线程库无法为。线程库无法为您断定您断定 tidtid。国家高性能计算中心（合肥）POSIX Threads:Basics and Examples by Uday Kamathhttp:/www.coe.uncc.edu/abw/parallel/pthreads/pthreads.htmlPOSIX 线程详解线程详解:一种支持内存共享一种支持内存共享的简单和快捷的工具的简单和快捷的工具by Daniel Robbins国家高性能计算中心（合肥）国家高性能计算中心（合肥）线程调用线程管理POSIXPOSIXSo
15、laris 2Solaris 2pthread_createpthread_createthr_createthr_createpthread_exitpthread_exitthr_exitthr_exitpthread_killpthread_killthr_killthr_killpthread_joinpthread_jointhr_jointhr_joinpthread_selfpthread_selfthr_selfthr_self国家高性能计算中心（合肥）线程调用线程同步和互斥POSIXPOSIXSolaris 2Solaris 2pthread_mutex_initpthrea
16、d_mutex_initmutex_initmutex_initpthread_ mutex_destroy pthread_ mutex_destroy mutex_destroymutex_destroypthread_ mutex_lock pthread_ mutex_lock mutex_lockmutex_lockpthread_ mutex_trylock pthread_ mutex_trylock mutex_trylockmutex_trylockpthread_ mutex_unlock pthread_ mutex_unlock mutex_unlockmutex_un
17、lockpthread_cond_initpthread_cond_initpthread_cond_destroypthread_cond_destroypthread_cond_waitpthread_cond_waitpthread_cond_timedwaitpthread_cond_timedwaitpthread_cond_signalpthread_cond_signalpthread_cond_broadcastpthread_cond_broadcast国家高性能计算中心（合肥）PthreadsPthreads实现计算实现计算 的实例的实例 1 1国家高性能计算中心（合肥）P
18、threadsPthreads实现计算实现计算 的实例的实例 2 2国家高性能计算中心（合肥）对生产者驱动的有界缓冲区问题的对生产者驱动的有界缓冲区问题的Pthread条件变量解条件变量解void*producer(void*arg1)void*producer(void*arg1)int i;int i;for(i=1;i=SUMSIZE;i+)for(i=1;i=SUMSIZE;i+)pthread_mutex_lock(&slot_lock);pthread_mutex_lock(&slot_lock);while(nslots=0)while(nslots=0)pthread_cond
19、_wait(&slots,&slot_lock);pthread_cond_wait(&slots,&slot_lock);nslots-;nslots-;pthread_mutex_unlock(&slot_lock);pthread_mutex_unlock(&slot_lock);put_item(i*i);put_item(i*i);pthread_mutex_lock(&item_lock);pthread_mutex_lock(&item_lock);nitems+;nitems+;pthread_cond_signal(&items);pthread_cond_signal(&i
20、tems);pthread_mutex_unlock(&item_lock);pthread_mutex_unlock(&item_lock);pthread_mutex_lock(&item_lock);pthread_mutex_lock(&item_lock);producer_done=1;producer_done=1;pthread_cond_broadcast(&items);pthread_cond_broadcast(&items);pthread_mutex_unlock(&item_lock);pthread_mutex_unlock(&item_lock);return
21、 NULL;return NULL;void*consumer(void*arg2)void*consumer(void*arg2)int i,myitem;int i,myitem;for(;)for(;)pthread_mutex_lock(&item_lock);pthread_mutex_lock(&item_lock);while(nitems=0)&!producer_done)while(nitems=0)&!producer_done)pthread_cond_wait(&items,&item_lock);pthread_cond_wait(&items,&item_lock
22、);if(nitems=0)&producer_done)if(nitems=0)&producer_done)ptherad_mutex_unlock(&item_lock);ptherad_mutex_unlock(&item_lock);break;break;nitems-;nitems-;pthread_mutex_unlock(&item_lock);pthread_mutex_unlock(&item_lock);get_item(&myitem);get_item(&myitem);sum+=myitem;sum+=myitem;pthread_mutex_lock(&slot
23、_lock pthread_mutex_lock(&slot_lock nslots+;nslots+;cond_signal(&slots);cond_signal(&slots);pthread_mutex_unlock(&slot_lock);pthread_mutex_unlock(&slot_lock);return NULL;return NULL;国家高性能计算中心（合肥）共享存储系统编程 13.1 ANSI X3H513.1 ANSI X3H5共享存储模型共享存储模型 13.2 POSIX 13.2 POSIX 线程模型线程模型 13.3 OpenMP13.3 OpenMP模型
24、模型国家高性能计算中心（合肥）The History of OpenMPThe History of OpenMP What is directive/pragma?What is directive/pragma?Directive-based general purpose parallel programming API with emphasis Directive-based general purpose parallel programming API with emphasis on the ability to parallelize existing serial prog
25、ramson the ability to parallelize existing serial programs Why a new standard?Why a new standard?Whos Involved?Whos Involved?Parallelism model and basic directivesParallelism model and basic directives Fortran77Fortran77,Fortran90,Fortran90 C,C+C,C+OpenMP标准国家高性能计算中心（合肥）The History of OpenMP A key in
26、termediate step was X3H5 in the late 80s.A key intermediate step was X3H5 in the late 80s.An official standards effort to agree on a parallel dialect of Fortran for An official standards effort to agree on a parallel dialect of Fortran for shared memory computers.shared memory computers.The X3H5 eff
27、ort failed.It was too big and too late.The X3H5 effort failed.It was too big and too late.OpenMP is born:OpenMP is born:In 1996 a group formed to create an industry standard set of directives for In 1996 a group formed to create an industry standard set of directives for SMP programmingSMP programmi
28、ng This group called itself the OpenMP Architecture Review Board(the ARB)This group called itself the OpenMP Architecture Review Board(the ARB)who takes care of OpenMPwho takes care of OpenMP国家高性能计算中心（合肥）The History of OpenMP(cont.)The ARB has released the following specifications:The ARB has releas
29、ed the following specifications:OpenMP 1.0 for Fortran,Nov.1997OpenMP 1.0 for Fortran,Nov.1997 OpenMP 1.0 for C/C+,Nov.1998OpenMP 1.0 for C/C+,Nov.1998 OpenMP Fortran Interpretations,Spring 1999OpenMP Fortran Interpretations,Spring 1999 OpenMP 2.0(soon)OpenMP 2.0(soon)OpenMP is an evolving standard.
30、Send comments over the OpenMP is an evolving standard.Send comments over the feedback link on the OpenMP web site()feedback link on the OpenMP web site()国家高性能计算中心（合肥）为什么要建立新标准为什么要建立新标准?ANSI X3H5,1994ANSI X3H5,1994 时机不好时机不好,分布式机器流行分布式机器流行 只支持循环级并行性，粒度太细只支持循环级并行性，粒度太细 Pthreads(IEEE Posix 1003.4a)Pthre
31、ads(IEEE Posix 1003.4a)是为低端是为低端(low end)(low end)的共享机器的共享机器(如如SMP)SMP)的标准的标准 对对FORTRANFORTRAN的支持不够的支持不够 适合任务并行适合任务并行,而不适合数据并行而不适合数据并行 MPI MPI 消息传递的编程标准消息传递的编程标准,对程序员要求高对程序员要求高 HPF HPF 主要用于主要用于分布式存储机器分布式存储机器 大量已有的科学应用程序需要很好地被继承和移植大量已有的科学应用程序需要很好地被继承和移植大量已有的科学应用程序需要很好地被继承和移植大量已有的科学应用程序需要很好地被继承和移植 国家高性
32、能计算中心（合肥）In a Nutshell A set of directives(library routines,and environment variables)used to annotate a A set of directives(library routines,and environment variables)used to annotate a sequential program to indicate how it should be executed in parallelsequential program to indicate how it should
33、be executed in parallel继承继承X3H5X3H5的许多概念的许多概念 Portable,Simple and Scalable Shared Memory Multiprocessing APIPortable,Simple and Scalable Shared Memory Multiprocessing API not a new languagenot a new language not automatic parallelization not automatic parallelization extend base languages:Fortran77,
34、Fortran90,C and C+extend base languages:Fortran77,Fortran90,C and C+Multi-vendor Support,for both UNIX and NTMulti-vendor Support,for both UNIX and NT Standardizes Fine Grained(Loop)Parallelism,also Supports Coarse Grained Standardizes Fine Grained(Loop)Parallelism,also Supports Coarse Grained Algor
35、ithmsAlgorithms国家高性能计算中心（合肥）OpenMPOpenMP是什么？是什么？一组编译制导语句和可调用的运行一组编译制导语句和可调用的运行一组编译制导语句和可调用的运行一组编译制导语句和可调用的运行(run-time)(run-time)库函数库函数库函数库函数,扩充到基本语言扩充到基本语言扩充到基本语言扩充到基本语言中用来表达程序中的并行性中用来表达程序中的并行性中用来表达程序中的并行性中用来表达程序中的并行性 编译制导语句包括编译制导语句包括编译制导语句包括编译制导语句包括:在串行程序中加入下列结构在串行程序中加入下列结构在串行程序中加入下列结构在串行程序中加入下列结构
36、SPMD(Single Program Multiple Data)constructsSPMD(Single Program Multiple Data)constructs work-sharing constructswork-sharing constructs synchronization constructssynchronization constructs data environment constructsdata environment constructs 运行库函数包括运行库函数包括运行库函数包括运行库函数包括:execution environment routi
37、nesexecution environment routines lock routines lock routines 另外另外另外另外,在在在在FORTRANFORTRAN标准中标准中标准中标准中,还包括对环境变量的描述还包括对环境变量的描述还包括对环境变量的描述还包括对环境变量的描述国家高性能计算中心（合肥）国家高性能计算中心（合肥）OpenMPOpenMP当前的状况当前的状况 19971997年年年年1010月月月月2828日日日日,DEC,IBM,Intel,SGI,DEC,IBM,Intel,SGI,和和 Kuch&Associates Kuch&Associates 等公司的等
38、公司的代表们决定制定一种适用于多种硬件平台的共享存储编程的新的工业应用标代表们决定制定一种适用于多种硬件平台的共享存储编程的新的工业应用标准准 接着接着,全球很多的组织和全球很多的组织和ISVISV决定支持这一标准决定支持这一标准,如如DOE/ASCI,Livermore DOE/ASCI,Livermore Software Technology Corp.,Fluent Inc.,Absoft Corp.,Ansys Inc.Etc.Software Technology Corp.,Fluent Inc.,Absoft Corp.,Ansys Inc.Etc.目前支持目前支持目前支持目前
39、支持FORTRANFORTRAN语言语言语言语言,C,C 和和C,C,并建有专门的网址并建有专门的网址 在科研机构中在科研机构中,也引起了足够的重视也引起了足够的重视,被认为是被认为是2121世纪最受欢迎的并行编程标世纪最受欢迎的并行编程标准准 OpenMP on NOWs(SC98,Nov.1998)OpenMP on NOWs(SC98,Nov.1998)Integrated OpenMP and MPI on ClustersIntegrated OpenMP and MPI on Clusters国家高性能计算中心（合肥）国家高性能计算中心（合肥）SPMDSPMD的程序执行模型的程序执
40、行模型 P0 P1 P2 .Pn国家高性能计算中心（合肥）SMPSMP的程序执行模型的程序执行模型国家高性能计算中心（合肥）OpenMPOpenMP的程序执行模型的程序执行模型国家高性能计算中心（合肥）Parallel and work sharing directivesdata environment directivessynchronization directives国家高性能计算中心（合肥）编译编译制导语句制导语句(1)(1)Work-sharing constructsWork-sharing constructs 将结构内的任务分配到处理机中将结构内的任务分配到处理机中,必须动
41、态地放在必须动态地放在Parallel region Parallel region construct construct 中中,进入这种结构之前并不隐含进入这种结构之前并不隐含BARRIERBARRIER操作操作 DO(DO(最常用最常用)有有SCHEDULESCHEDULE选项选项,可以指定采用什么调度算法可以指定采用什么调度算法 SECTIONS(SECTIONS(可以流水线执行之可以流水线执行之)SINGLE(SINGLE(只有一个处理机执行之只有一个处理机执行之)国家高性能计算中心（合肥）Parallel Region:parallel,end parallelWork Shari
42、ng:do,sections,single(parallel do,nowait)Fork-Join model of parallel execution(static,dynamic,orphaned)Parallel Region and Work Sharing Directives国家高性能计算中心（合肥）编译编译制导语句制导语句(2)(2)指令格式指令格式指令格式指令格式 固定形式固定形式 !$OMP!$OMP 自由形式自由形式 !$OMP,*$OMP,C$OMP!$OMP,*$OMP,C$OMP Parallel Region ConstructParallel Region C
43、onstruct !$OMP Parallel clause,clause.!$OMP Parallel clause,clause.Do I=1,20 Do I=1,20 A(I)=A(I)+B(I)A(I)=A(I)+B(I)!$OMP End Parallel !$OMP End Parallel (隐含隐含隐含隐含BARRIERBARRIER操作操作操作操作)其中其中ClauseClause可以为可以为:PRIVATEPRIVATE(list),(list),SHAREDSHARED(list),(list),COPYINCOPYIN(list),(list),FIRSTPRIVATE
44、FIRSTPRIVATE(list),(list),DEFAULTDEFAULT(PRIVATE|SHARED|NONE),(PRIVATE|SHARED|NONE),REDUCTIONREDUCTION(operation|intrinsic:list),(operation|intrinsic:list),IFIF(logical_expression)(logical_expression)国家高性能计算中心（合肥）DO编译编译制导语句制导语句 !$OMP DO clause,clause.!$OMP DO clause,clause.do_loop do_loop !$OMP END
45、DO NOWAIT!$OMP END DO NOWAIT 例子例子:!$OMP PARALLEL DO!$OMP PARALLEL DO DO I=2,N DO I=2,N B(I)=(A(I)+A(I-1)/2.0 B(I)=(A(I)+A(I-1)/2.0 ENDDO ENDDO !$OMP END DO NOWAIT!$OMP END DO NOWAIT !$OMP END PARALLEL!$OMP END PARALLEL 国家高性能计算中心（合肥）SECTIONS SECTIONS 编译编译制导语句制导语句 !$OMP SECTIONS!$OMP SECTIONS !$OMP SE
46、CTION!$OMP SECTION block1 block1 !$OMP SECTION!$OMP SECTION block2 block2 !$OMP SECTION!$OMP SECTION block3 block3 !$OMP END SECTIONS!$OMP END SECTIONS国家高性能计算中心（合肥）编译编译制导语句制导语句(3)(3)Data environment constructsData environment constructs THREADPRIVATETHREADPRIVATE Data scope attribute clausesData sco
47、pe attribute clauses PRIVATEPRIVATE SHAREDSHARED DEFAULTDEFAULT FIRSTPRIVATEFIRSTPRIVATE LASTPRIVATELASTPRIVATE REDUCTIONREDUCTION COPYINCOPYIN国家高性能计算中心（合肥）Data Scope attribute clauses:Private,Shared,Default,Firstprivate,Lastprivate,Reduction and Copyin/Copyout(value undefined entering/exiting paral
48、lel region)Threadprivate directives:Private to a thread but global within the thread(SMP)Fortran:COMMON blocks/C:file scope and static variablesData Environment Directives国家高性能计算中心（合肥）编译编译制导语句制导语句(4)(4)Synchronization constructsSynchronization constructs MASTERMASTER CRITICALCRITICAL BARRIERBARRIER
49、ATOMICATOMIC FLUSHFLUSH ORDEREDORDERED国家高性能计算中心（合肥）例子例子(ORDERED)(ORDERED)规定了各个线程执行的顺序规定了各个线程执行的顺序规定了各个线程执行的顺序规定了各个线程执行的顺序 !$OMP PARALLEL!$OMP PARALLEL !$OMP DO!$OMP DO ORDEREDORDERED SCHEDULE(DYNAMIC)SCHEDULE(DYNAMIC)DO I=DO I=LowBoundLowBound,UpBoundUpBound,Step,Step CALL WORK(I)CALL WORK(I)END DO
50、END DO !$OMP END PARALLEL!$OMP END PARALLEL SUBROUTINE WORK(K)SUBROUTINE WORK(K)!$OMP!$OMP ORDEREDORDERED WRITE(*,*)K WRITE(*,*)K !$OMP END!$OMP END ORDERED ORDERED END END 国家高性能计算中心（合肥）Synchronization Directivesmaster,barrier,critical,atomic,flush,ordered国家高性能计算中心（合肥）OpenMPOpenMP的的OrphanOrphan新特性新特