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OpenMP并行程序設計（二）

1.fork/join并行執(zhí)行模式的概念

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OpenMP是一個編譯器指令和庫函數(shù)的集合，主要是為共享式存儲計算機上的并行程序設計使用的。

前 面一篇文章中已經試用了OpenMP的一個Parallel for指令。從上篇文章中我們也可以發(fā)現(xiàn)OpenMP并行執(zhí)行的程序要全部結束后才能執(zhí)行后面的非并行部分的代碼。這就是標準的并行模式 fork/join式并行模式，共享存儲式并行程序就是使用fork/join式并行的。

標準并行模式執(zhí)行代碼的基本思想是，程序開始時只有一個主線程，程序中的串行部分都由主線程執(zhí)行，并行的部分是通過派生其他線程來執(zhí)行，但是如果并行部分沒有結束時是不會執(zhí)行串行部分的，如上一篇文章中的以下代碼：

 
 
 
      
  
  
  1. int main(int argc, char* argv[]) 
    2.   
  
  
  2. { 
    3.   
  
  
  3.      clock_t t1 = clock(); 
    4.   
  
  
  4. #pragma omp parallel for 
    5.   
  
  
  5.      for ( int j = 0; j < 2; j++ ){ 
    6.   
  
  
  6.          test(); 
    7.   
  
  
  7.      } 
    8.   
  
  
  8.      clock_t t2 = clock(); 
    9.   
  
  
  9.      printf("Total time = %d/n", t2-t1); 
    10.   
  
  
  10.   
    11.   
  
  
  11.      test(); 
    12.   
  
  
  12.      return 0; 
    13.   
  
  
  13. } 
    14.

在沒有執(zhí)行完for循環(huán)中的代碼之前，后面的clock_t t2 = clock();這行代碼是不會執(zhí)行的，如果和調用線程創(chuàng)建函數(shù)相比，它相當于先創(chuàng)建線程，并等待線程執(zhí)行完，所以這種并行模式中在主線程里創(chuàng)建的線程并沒有和主線程并行運行。

2.OpenMP指令和庫函數(shù)介紹

下面來介紹OpenMP的基本指令和常用指令的用法，

在C/C++中，OpenMP指令使用的格式為

＃pragma omp 指令 [子句[子句]…]

前面提到的parallel for就是一條指令，有些書中也將OpenMP的“指令”叫做“編譯指導語句”，后面的子句是可選的。例如：

#pragma omp parallel private(i, j)

parallel 就是指令， private是子句

為敘述方便把包含#pragma和OpenMP指令的一行叫做語句，如上面那行叫parallel語句。

OpenMP的指令有以下一些：

    parallel，用在一個代碼段之前，表示這段代碼將被多個線程并行執(zhí)行

       for，用于for循環(huán)之前，將循環(huán)分配到多個線程中并行執(zhí)行，必須保證每次循環(huán)之間無相關性。

       parallel for， parallel 和 for語句的結合，也是用在一個for循環(huán)之前，表示for循環(huán)的代碼將被多個線程并行執(zhí)行。

       sections，用在可能會被并行執(zhí)行的代碼段之前

       parallel sections，parallel和sections兩個語句的結合

   critical，用在一段代碼臨界區(qū)之前

      single，用在一段只被單個線程執(zhí)行的代碼段之前，表示后面的代碼段將被單線程執(zhí)行。

flush，

barrier，用于并行區(qū)內代碼的線程同步，所有線程執(zhí)行到barrier時要停止，直到所有線程都執(zhí)行到barrier時才繼續(xù)往下執(zhí)行。

atomic，用于指定一塊內存區(qū)域被制動更新

master，用于指定一段代碼塊由主線程執(zhí)行

ordered， 用于指定并行區(qū)域的循環(huán)按順序執(zhí)行

threadprivate, 用于指定一個變量是線程私有的。

OpenMP除上述指令外，還有一些庫函數(shù)，下面列出幾個常用的庫函數(shù)：

       omp_get_num_procs, 返回運行本線程的多處理機的處理器個數(shù)。

       omp_get_num_threads, 返回當前并行區(qū)域中的活動線程個數(shù)。

       omp_get_thread_num, 返回線程號

       omp_set_num_threads, 設置并行執(zhí)行代碼時的線程個數(shù)

omp_init_lock, 初始化一個簡單鎖

omp_set_lock， 上鎖操作

omp_unset_lock， 解鎖操作，要和omp_set_lock函數(shù)配對使用。

omp_destroy_lock， omp_init_lock函數(shù)的配對操作函數(shù)，關閉一個鎖

OpenMP的子句有以下一些

private, 指定每個線程都有它自己的變量私有副本。

firstprivate，指定每個線程都有它自己的變量私有副本，并且變量要被繼承主線程中的初值。

lastprivate，主要是用來指定將線程中的私有變量的值在并行處理結束后復制回主線程中的對應變量。

reduce，用來指定一個或多個變量是私有的，并且在并行處理結束后這些變量要執(zhí)行指定的運算。

nowait，忽略指定中暗含的等待

num_threads，指定線程的個數(shù)

schedule，指定如何調度for循環(huán)迭代

shared，指定一個或多個變量為多個線程間的共享變量

ordered，用來指定for循環(huán)的執(zhí)行要按順序執(zhí)行

copyprivate，用于single指令中的指定變量為多個線程的共享變量

copyin，用來指定一個threadprivate的變量的值要用主線程的值進行初始化。

default，用來指定并行處理區(qū)域內的變量的使用方式，缺省是shared

3.parallel 指令的用法

parallel 是用來構造一個并行塊的，也可以使用其他指令如for、sections等和它配合使用。

在C/C++中，parallel的使用方法如下：

 
 
 
      
  
  
  1. #pragma omp parallel [for | sections] [子句[子句]…] 
    2.   
  
  
  2. { 
    3.   
  
  
  3.        //代碼 
    4.   
  
  
  4. } 
    5.   
  
  
  5. parallel語句后面要跟一個大括號對將要并行執(zhí)行的代碼括起來。 
    6.   
  
  
  6. void main(int argc, char *argv[]) { 
    7.   
  
  
  7. #pragma omp parallel 
    8.   
  
  
  8. { 
    9.   
  
  
  9.               printf(“Hello, World!/n”); 
    10.   
  
  
  10. } 
    11.   
  
  
  11. } 
    12.   
  
  
  12. 執(zhí)行以上代碼將會打印出以下結果 
    13.   
  
  
  13. Hello, World! 
    14.   
  
  
  14. Hello, World! 
    15.   
  
  
  15. Hello, World! 
    16.   
  
  
  16. Hello, World! 
    17.   
  
  
  17. 可以看得出parallel語句中的代碼被執(zhí)行了四次，說明總共創(chuàng)建了4個線程去執(zhí)行parallel語句中的代碼。 
    18.   
  
  
  18. 也可以指定使用多少個線程來執(zhí)行，需要使用num_threads子句： 
    19.   
  
  
  19. void main(int argc, char *argv[]) { 
    20.   
  
  
  20. #pragma omp parallel num_threads(8) 
    21.   
  
  
  21. { 
    22.   
  
  
  22.               printf(“Hello, World!, ThreadId=%d/n”, omp_get_thread_num() ); 
    23.   
  
  
  23. } 
    24.   
  
  
  24. } 
    25.   
  
  
  25. 執(zhí)行以上代碼，將會打印出以下結果： 
    26.   
  
  
  26. Hello, World!, ThreadId = 2 
    27.   
  
  
  27. Hello, World!, ThreadId = 6 
    28.   
  
  
  28. Hello, World!, ThreadId = 4 
    29.   
  
  
  29. Hello, World!, ThreadId = 0 
    30.   
  
  
  30. Hello, World!, ThreadId = 5 
    31.   
  
  
  31. Hello, World!, ThreadId = 7 
    32.   
  
  
  32. Hello, World!, ThreadId = 1 
    33.   
  
  
  33. Hello, World!, ThreadId = 3 
    34.

ThreadId的不同可以看出創(chuàng)建了8個線程來執(zhí)行以上代碼。所以parallel指令是用來為一段代碼創(chuàng)建多個線程來執(zhí)行它的。parallel塊中的每行代碼都被多個線程重復執(zhí)行。

和傳統(tǒng)的創(chuàng)建線程函數(shù)比起來，相當于為一個線程入口函數(shù)重復調用創(chuàng)建線程函數(shù)來創(chuàng)建線程并等待線程執(zhí)行完。

4.for指令的使用方法

for指令則是用來將一個for循環(huán)分配到多個線程中執(zhí)行。for指令一般可以和parallel指令合起來形成parallel for指令使用，也可以單獨用在parallel語句的并行塊中。

#pragma omp [parallel] for [子句]

      for循環(huán)語句

先看看單獨使用for語句時是什么效果：

 
 
 
      
  
  
  1. 先看看單獨使用for語句時是什么效果： 
    2.   
  
  
  2. int j = 0; 
    3.   
  
  
  3. #pragma omp for 
    4.   
  
  
  4.      for ( j = 0; j < 4; j++ ){ 
    5.   
  
  
  5.          printf(“j = %d, ThreadId = %d/n”, j, omp_get_thread_num()); 
    6.   
  
  
  6.      } 
    7.   
  
  
  7. 執(zhí)行以上代碼后打印出以下結果 
    8.   
  
  
  8. j = 0, ThreadId = 0 
    9.   
  
  
  9. j = 1, ThreadId = 0 
    10.   
  
  
  10. j = 2, ThreadId = 0 
    11.   
  
  
  11. j = 3, ThreadId = 0 
    12.   
  
  
  12. 從結果可以看出四次循環(huán)都在一個線程里執(zhí)行，可見for指令要和parallel指令結合起來使用才有效果： 
    13.   
  
  
  13. 如以下代碼就是parallel 和for一起結合成parallel for的形式使用的： 
    14.   
  
  
  14. int j = 0; 
    15.   
  
  
  15. #pragma omp parallel for 
    16.   
  
  
  16.      for ( j = 0; j < 4; j++ ){ 
    17.   
  
  
  17.          printf(“j = %d, ThreadId = %d/n”, j, omp_get_thread_num()); 
    18.   
  
  
  18.      } 
    19.   
  
  
  19. 執(zhí)行后會打印出以下結果： 
    20.   
  
  
  20. j = 0, ThreadId = 0 
    21.   
  
  
  21. j = 2, ThreadId = 2 
    22.   
  
  
  22. j = 1, ThreadId = 1 
    23.   
  
  
  23. j = 3, ThreadId = 3 
    24.   
  
  
  24. 可見循環(huán)被分配到四個不同的線程中執(zhí)行。 
    25.   
  
  
  25.   
    26.   
  
  
  26. 上面這段代碼也可以改寫成以下形式： 
    27.   
  
  
  27. int j = 0; 
    28.   
  
  
  28. #pragma omp parallel 
    29.   
  
  
  29. { 
    30.   
  
  
  30. #pragma omp for 
    31.   
  
  
  31.      for ( j = 0; j < 4; j++ ){ 
    32.   
  
  
  32.          printf(“j = %d, ThreadId = %d/n”, j, omp_get_thread_num()); 
    33.   
  
  
  33.      } 
    34.   
  
  
  34. } 
    35.

 執(zhí)行以上代碼會打印出以下結果：

j = 1, ThreadId = 1

j = 3, ThreadId = 3

j = 2, ThreadId = 2

j = 0, ThreadId = 0

在一個parallel 塊中也可以有多個for語句，如：

 
 
 
      
  
  
  1. int j; 
    2.   
  
  
  2. #pragma omp parallel 
    3.   
  
  
  3. { 
    4.   
  
  
  4. #pragma omp for 
    5.   
  
  
  5.      for ( j = 0; j < 100; j++ ){ 
    6.   
  
  
  6.          … 
    7.   
  
  
  7.      } 
    8.   
  
  
  8. #pragma omp for 
    9.   
  
  
  9.      for (  j = 0; j < 100; j++ ){ 
    10.   
  
  
  10.          … 
    11.   
  
  
  11.      } 
    12.   
  
  
  12. … 
    13.   
  
  
  13. } 
    14.

for 循環(huán)語句中，書寫是需要按照一定規(guī)范來寫才可以的，即for循環(huán)小括號內的語句要按照一定的規(guī)范進行書寫，for語句小括號里共有三條語句

for( i=start; i < end; i++)

i=start; 是for循環(huán)里的第一條語句，必須寫成 “變量＝初值” 的方式。如 i＝0

i < end;是for循環(huán)里的第二條語句，這個語句里可以寫成以下4種形式之一：

變量 < 邊界值

變量 <= 邊界值

變量 > 邊界值

變量 >= 邊界值

如 i>10 i< 10   i>=10 i>10 等等

最后一條語句i++可以有以下9種寫法之一

 
 
 
      
  
  
  1. i++ 
    2.   
  
  
  2. ++i 
    3.   
  
  
  3. i-- 
    4.   
  
  
  4. --i 
    5.   
  
  
  5. i += inc 
    6.   
  
  
  6. i -= inc 
    7.   
  
  
  7. ii = i + inc 
    8.   
  
  
  8. i = inc + i 
    9.   
  
  
  9. ii = i –inc 
    10.

例如i += 2; i -= 2；i = i + 2；i = i - 2；都是符合規(guī)范的寫法。

5.sections和section指令的用法

section語句是用在sections語句里用來將sections語句里的代碼劃分成幾個不同的段，每段都并行執(zhí)行。用法如下：

 
 
 
      
  
  
  1. #pragma omp [parallel] sections [子句] 
    2.   
  
  
  2. { 
    3.   
  
  
  3.    #pragma omp section 
    4.   
  
  
  4.    { 
    5.   
  
  
  5.             代碼塊 
    6.   
  
  
  6.    }  
    7.   
  
  
  7. } 
    8.

先看一下以下的例子代碼：

 
 
 
      
  
  
  1. void main(int argc, char *argv) 
    2.   
  
  
  2. { 
    3.   
  
  
  3. #pragma omp parallel sections { 
    4.   
  
  
  4. #pragma omp section 
    5.   
  
  
  5.     printf(“section 1 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    6.   
  
  
  6. #pragma omp section 
    7.   
  
  
  7.     printf(“section 2 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    8.   
  
  
  8. #pragma omp section 
    9.   
  
  
  9.     printf(“section 3 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    10.   
  
  
  10. #pragma omp section 
    11.   
  
  
  11.     printf(“section 4 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    12.   
  
  
  12. } 
    13.

執(zhí)行后將打印出以下結果：

section 1 ThreadId = 0

section 2 ThreadId = 2

section 4 ThreadId = 3

section 3 ThreadId = 1

從結果中可以發(fā)現(xiàn)第4段代碼執(zhí)行比第3段代碼早，說明各個section里的代碼都是并行執(zhí)行的，并且各個section被分配到不同的線程執(zhí)行。

使用section語句時，需要注意的是這種方式需要保證各個section里的代碼執(zhí)行時間相差不大，否則某個section執(zhí)行時間比其他section過長就達不到并行執(zhí)行的效果了。

上面的代碼也可以改寫成以下形式：

 
 
 
      
  
  
  1. void main(int argc, char *argv) 
    2.   
  
  
  2. { 
    3.   
  
  
  3. #pragma omp parallel { 
    4.   
  
  
  4. #pragma omp sections 
    5.   
  
  
  5. { 
    6.   
  
  
  6. #pragma omp section 
    7.   
  
  
  7.        printf(“section 1 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    8.   
  
  
  8. #pragma omp section 
    9.   
  
  
  9.        printf(“section 2 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    10.   
  
  
  10. } 
    11.   
  
  
  11. #pragma omp sections 
    12.   
  
  
  12. { 
    13.   
  
  
  13.   
    14.   
  
  
  14. #pragma omp section 
    15.   
  
  
  15.        printf(“section 3 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    16.   
  
  
  16. #pragma omp section 
    17.   
  
  
  17.        printf(“section 4 ThreadId = %d/n”, omp_get_thread_num()); 
    18.   
  
  
  18. } 
    19.   
  
  
  19. } 
    20.

執(zhí)行后將打印出以下結果：

section 1 ThreadId = 0

section 2 ThreadId = 3

section 3 ThreadId = 3

section 4 ThreadId = 1

這種方式和前面那種方式的區(qū)別是，兩個sections語句是串行執(zhí)行的，即第二個sections語句里的代碼要等第一個sections語句里的代碼執(zhí)行完后才能執(zhí)行。

用for語句來分攤是由系統(tǒng)自動進行，只要每次循環(huán)間沒有時間上的差距，那么分攤是很均勻的，使用section來劃分線程是一種手工劃分線程的方式，最終并行性的好壞得依賴于程序員。

本篇文章中講的幾個OpenMP指令parallel, for, sections, section實際上都是用來如何創(chuàng)建線程的，這種創(chuàng)建線程的方式比起傳統(tǒng)調用創(chuàng)建線程函數(shù)創(chuàng)建線程要更方便，并且更高效。

當然，創(chuàng)建線程后，線程里的變量是共享的還是其他方式，主線程中定義的變量到了并行塊內后還是和傳統(tǒng)創(chuàng)建線程那種方式一樣的嗎？創(chuàng)建的線程是如何調度的？等等諸如此類的問題到下一篇文章中進行講解。


分享題目：OpenMP并行程序設計（二）
文章URL：http://www.dlmjj.cn/article/cdggjjd.html