实验一 并行计算MPI

实验目的

初步了解并行计算的概念，能够在 Windows 平台上安装 MPI 库（OpenMPI或者 MPICH2），并掌握在 Visual studio 中调用 MPI 头文件的方法；初步掌握使用MPI 编制并行程序的步骤与核心函数的意义及其参数的含义。

实验内容

（1）介绍并行计算消息接口 MPI 的定义、应用背景与基本概念；
（2）在教师指导下在 Windows 系统上安装 MPI，（鼓励学生在 Linux 操作系统上安装以及完成实验）；
（3）教师讲解 MPI 程序编制的基本步骤，演示基于 MPI 的两个演示程序；
（4）在教师指导下，学生完成基于 MPI 的两个演示程序（鼓励学生添加入其他基于 MPI 的功能），完成相应的实验报告。

实验要求

（1）独立完成两个演示程序。
（2）独立完成实验报告，给出在操作系统上安装 MPI 的详细过程，以及实现的代码，着重分析MPI并行程序的优势以及可能的应用领域、普通C/C++程序与 MPI 程序的区别，在实验报告中应给出程序运行的结果截图。

实验过程

  • 安装MPI详细过程：
  • 在Visual Studio2019中配置MPI环境
  • 将MPI加入到环境变量中：

实验结果

演示程序一

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
#include <mpi.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
	int myrank, nprocs;
	// 初始化 MPI 环境
	MPI_Init(&argc, &argv);
	// 获取当前进程在通信器 MPI_COMM_WORLD 中的进程号
	MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &nprocs);
	MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myrank);
	printf("Hellow, world! %dth of totalTaskNum = %d\n", myrank, nprocs);
	MPI_Finalize();
	return 0;
}

演示程序二

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
#include "mpi.h"
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
	int myrank, nprocs, name_len, flag;
	double start_time, end_time;
	char host_name[128];
	MPI_Initialized(&flag);
	printf("flag:%d/n", flag);
	MPI_Init(0, 0);//用来初始化MPI运行环境，建立多个MPI进程之间的联系
	//用来标识各个MPI进程的，给出调用该函数的进程的进程号
	//MPI_COMM_WORLD:这个进程组是MPI实现预先定义好的进程组，指的是全部MPI进程所在的进程组。
	//&rank返回调用进程中的标识号。
	MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myrank);
	//用来标识对应进程组中有多少个进程
	//MPI_Comm类型的通信域，标识參与计算的MPI进程组。
	// &size返回对应进程组中的进程数。
	MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &nprocs);
	//用于获得计算机名，并存放在processor_name中，长度为namelen。
	MPI_Get_processor_name(host_name, &name_len);
	if (myrank == 0)
	{
		//MPI_Wtick则返回MPI_Wtime结果的精度
		printf("Precision of MPI_WTIME(): %f.\n", MPI_Wtick());
		printf("Host Name:%s\n", host_name);
	}
	//MPI_Wtime返回一个双精度数，表示从过去某点的时刻到当前时刻所消耗的时间秒数
	start_time = MPI_Wtime();
	Sleep(myrank * 3);
	end_time = MPI_Wtime();
	printf("myrank: %d. I have slept %f seconds.\n", myrank, end_time-start_time);
	MPI_Finalize(); //结束MPI运行环境
	return 0;
}

实验分析

1.MPI 并行程序的优势：

  • 无论硬件是否共享内存空间，都可以使用。
  • 每个线程有自己的内存和变量，这样不用担心冲突问题
  • 其并行粒度为进程级；存储方式为分布式存储；
  • 可扩展性好。

2.MPI可能的应用领域

  • CFD里面的粒子算法SPH
  • 气候模拟，按照网格划分后用MPI

3.普通 C/C++程序与 MPI 程序的区别

  • MPI程序是基于消息传递的并行程序。消息传递指的是并行运行的各个进程具有自己独立的堆栈和代码段，作为互不相关的多个程序独立运行，进程之间的信息交互全然通过显示地调用通信函数来完毕。
  • 而C/C++程序通常是一个串行程序，C++支持多线程运行。