OpenMP使用经验

为了利用OpenMP来加速C/Fortran程序,我记录一些阅读OpenMP API Version 3.0 Specification (May 2008)的经验。另外,这篇文章主要关注C语言中OpenMP的使用经验。

本文包括 摘要、经验和其他注意事项、参考 三部分。

摘要 (按照Specification的顺序)

(1)第一章是Glossary, 定义了各种OpenMP使用的名词(terms),例如:construct, directive, clause, task, tied task … 这个可以在看不懂的时候返回来查询。其中有一个被多次使用的名词是sentinel,这似乎是Fortran中使用OpenMP时应该使用的名词,和C并没有关系。

(2)2.2:  _OPEN 这个macro 被定义成yyyymm形式,表示OpenMP API的版本

(3) parallel construct:表示紧挨着的程序可以parallel运行。用#pragma omp parallel 来使用,当程序遇到parallel construct之后,会用固定个数的threads形成一个team去完成work。至于有多少个threads,这不一定,可参考2.4.1中决定threads number的算法。注意,当parallel里一个thread结束的时候,其他的threads都会被结束 (If execution of a thread terminates while inside a parallel region, execution of all threads in all teams terminates. If execution of a thread terminates while inside a parallel region, execution of allthreads in all teams terminates.)

(4) worksharing construct:有4类:loop;sections constructs;single construct;workshare construct

对于worksharing loop construct来说,有5种scheduling,即安排工作,的方式。static(静态分配), dynamic(每一个thread动态要求一个chunk of iterations), guided(execution thread负责给其他threads分配chunks), auto(根据compiler和system的情况决定), runtime(运行期决定)。2.5.1.1给出了一个决定scheduling的流程图

四种类型的区别:

loop:在C中紧接着一个for循环

section:与loop类似,不必要是for循环,只要是structure block就行

single:只能由一个thread执行(不一定是master thread)

worshare:只有Fortran中出现,是把structure block分成若干份,每一份由一个thread执行

(5)2.6节讲了结合parallel construct 和worksharing construct,就是这两个construct可以合在一起用。然后分3个小节介绍了parallel loop construct (相当于loop construct 后直接用parallel construct),parallel section construct(相当于section construct 后直接用parallel construct)和parallel workshare construct(相当于worshare construct 后直接用parallel construct)。

(6)2.7节是task construct,这定义了一个task。当一个thread碰到task construct的时候会立刻产生一个task,并按照data-share attribute的指示准备相应的数据环境(data environment)。这个task可能被立刻执行,也可能被延后执行。

注意当task construct带有if clause (if 从句)的时候,当前的 thread会暂停(suspend)当前的task,并切换到刚刚生成的task。这里的if clause中的变量对于task construct后的structure block是引用型的(不是传值,是传引用)。默认的task是tied task (这个task被某个thread suspend后,只能由这个thread来resume)

task scheduling point 是指在这一点可以改变task的状态(如可以被suspended),或是task 结束的位置。包括task construct开始的地方;taskwait construct开始的地方;遇到barrier directive;隐含的barrier 区域; 在tied task region的末尾。

(7)2.8节介绍了master and synchronization constructs,包括master constructs(只有master thread可以执行), critical constructs(同一时间只能有一个thread来执行。可以给critical constructs起名字), barrier constructs(指定一个明确的barrier,举例:在parallel region的explicit tasks必须在barrier之前都完成,之后的程序才能继续执行。注:在C语言中使用有一定限制。), taskwait constructs(等待当前task生成的子程序全部完成), atomic constructs(原子语句,注:只支持+,-,*,/,++,–,|, &,+=,-=,*=等简单运算,原子性只是保证赋值的那一步), flush constructs(保证thread view里的数据和memory的数据相吻合,另外需考虑不同thread执行flush的order,见74页的范例), ordered constructs(保证按照loop region指定的顺序来运行thread).

(8)2.9节是Data Environment数据环境,即并行计算时不同thread间的变量是如何影响的。

construct里变量的数据共享属性(Data-sharing Attribute):提前决定的(private:用threadpriviate声明的,在construct里声明的,for construct里的循环变量;shared:在heap上的,static的变量),显示决定的(在construct上指明的),隐示决定的(default clause可以指定的;如果default clause没有指定,则比较复杂,例如parallel construct中是shared,全部规则见79页)。额外的不能由上面隐式规则推出的可以见92页。 (我认为如果数据共享属性已经复杂到不好看出,那是不是这个程序本身写的太不清晰了!)

不在construct里而是在region里的数据共享属性(Data-sharing Attribute),见2.9.1.1

threadprivate见2.9.2

default的数据共享属性见2.9.3 。包括shared, private,firstprivate(private,且给变量赋初值),lastprivate(private,在task结束后会改变原始变量的值),reduction(做functional programming里的reduction,需要提供运算符。先使用private copy,然后用初始值做reduce,最后更新原始的变量)

数据拷贝从句(Data Copy Clause),见2.9.4

(9)第3章是运行库里的子程序

3.1 所有函数的原型在omp.h中,都是用C做链接(link)的。

3.2 控制执行环境的函数,包括设置/取得线程数,得到最多的支持的线程数,设置线程数的上限等等。

3.3 Lock程序,这是为了给线程加锁而提供的函数,分简单锁(simple lock)和级联锁(nested lock,区别是可以set多次)

3.4 时间程序。只有两个:omp_get_wtime() 返回double型的时间 和omp_get_wtick()返回1秒等于多少个时钟的tick

(10)第4章讲环境变量,可以通过设置环境变量来改变调度方式(schedule type)OMP_SCHEDULE,线程数OMP_NUM_THREADS ,最多的线程数OMP_THREAD_LIMIT等等

(11)第5章有各种各样的样例程序。这样当我们不清楚概念的时候,都可以快速的查看,例如如何使用lock,如何用reduction……

经验其他注意事项:

这个Specification里很有结构化,对于各种construct都给出了Summary,Syntax,Binding(使用范围), Description,Restriction。

网上一些程序中常常显示指明shared variable,这样做可能是为了减少不必要的数据拷贝。

对于多重循环,只对外层循环并行化处理不一定能达到负载均衡。解决方法可以用,把多重循环合并成一层循环,见【4】

参考:

【1】OpenMP Specification Version 3.0 Complete Specifications – (May, 2008). (PDF)

【2】OpenMP C/C++ Summary Card http://www.openmp.org/mp-documents/OpenMP3.0-SummarySpec.pdf

【3】Wikipedia (其中介绍OpenMP语言架构的图很不错)http://en.wikipedia.org/wiki/OpenMP

【4】对多重循环的优化 http://blog.csdn.net/drzhouweiming/archive/2008/05/23/2472454.aspx

【5】OpenMP 编程指南 http://blog.csdn.net/drzhouweiming/archive/2009/04/20/4093624.aspx

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