OpenMP fortran 学习

参考自TAMU的PPThttps://people.math.umass.edu/~johnston/PHI_WG_2014/OpenMPSlides_tamu_sc.pdf

什么是OpenMP

在C、C++和FORTRAN中用于编写共享内存并行程序的事实上的标准API

OpenMP API 由以下组成：

  • 编译器指令Compiler Directives

  • 运行时 子程序/函数 Runtime subroutines/functions
  • 环境变量 Environment variables

例子：

代码

PROGRAM HELLO
!$OMP PARALLEL
PRINT *,”Hello World”
!$ OMP END PARALLEL
STOP
END

编译指令

intel: ifort -openmp -o hi.x hello.f
pgi: pgfortran -mp -o hi.x hello.f
gnu: gfortran -fopenmp -o hi.x hello.f

运行指令

Export OMP_NUM_THREADS=4

./hi.x

 

FORTRAN指令格式：

!$ OMP PARALLEL [clauses]
:
!$OMP END PARALLEL

 

OpenMP 遵循Fork/Join模型

OpenMP程序从一个线程开始；主线程（线程0）
在并行区域开始时，master创建一组并行“worker”线程（FORK）
并行块中的语句由每个线程并行执行
在并行区域的末尾，所有线程同步(隐式屏障implicit barrier)，并连接主线程（JOIN）

  

OpenMP线程与内核

  • 线程是独立的程序代码执行序列
    • 代码块只有一个入口和一个出口
  • 与核心/CPU无关
  • OpenMP的线程们都映射到物理核心们上
  • 可以在一个核心上映射多个线程
  • 实际上，线程和核心最好是一对一的映射。

OpenMP的线程数可通过如下方法设置：

  • 环境变量 OMP_NUM_THREADS

  • 运行时函数 omp_set_num_threads(n)

其它获取线程信息的有用的函数：

  • 运行时函数  omp_get_num_threads()
    • 返回并行域中线程数目
    • 如果在并行域外返回1
  • 运行时函数 omp_get_thread_num()
    • 返回组中线程id
    • 值为[0,n-1]，其中n为线程总数
    • 主线程的id是0

 

共享和私有变量

OpenMP在OpenMP块内，提供了一个声明变量是私有private还是共享shared的方法。这通过遵循如下OpenMP条款实现：

SHARED(list)

  • 在list中的所有变量被认为是共享的
  • 每一个openmp线程都可以访问所有这些变量

PRIVATE(list)

  • 每一个openmp线程，对于list中的变量，都有一个自己“私有的”副本
  • 其它的openmp线程不能访问这个“私有的”副本

例如 !$OMP PARALLEL PRIVATE(a,b,c) （fortran）

在OpenMP中，默认情况下，大多数变量都认为是共享的。以下情况例外：指针变量(Fortran, C/C++)和在parallel region区内声明的变量(C/C++)

TIPS：实际问题

  • openmp为每个工作线程创建单独的数据堆栈以存储私有变量的副本（主线程使用常规堆栈）
  • OpenMP标准未定义这些堆栈的大小
  • 英特尔编译器：默认堆栈为4MB
  • gcc/gfortran：默认堆栈为2mb
  • 超出堆栈空间时，程序的行为未定义
  • 尽管大多数编译器/RT都会抛出seg fault
  • 要增加堆栈大小，请使用环境变量OMP_STACKSIZE，例如
  • export OMP_STACKSIZE=512M
  • export OMP_STACKSIZE=1GB
  • 确保主线程有足够大的堆栈空间使用
  • ulimit-s命令（unix/linux）

 

作业共享（手动方法）

到目前为止，只讨论了在所有并行区域中做同样的工作，这不是很有用。我们想要的是在所有线程之间共享工作，这样我们就能更快地解决问题。

 

 

 

 

作业共享（OpenMP 方法）

 

 OpenMP帮你划分好了迭代空间。你唯一需要做的就是添加!$OMP DO 和!$OMP END DO指令

“可以通过使用 !$OMP PARALLEL DO 指令 使得命令更加紧凑”

 

规约 Reductions

或者

 a = a 运算符 表达式  称为归约运算。显然，变量“a”带有一个 流依赖关系（稍后将讨论），它阻碍了了并行化。

对于此类情况，openmp提供了规约语句 REDUCTION(op:list)。语句适用于满足下列限制条件时：

  • a是列表中的标量变量
  • expr是一个标量表达式，它不引用a
  • 只允许某些类型的运算符；例如，+，*，。-
  • 在fortran中，运算符也可以是内置函数的；例如MAX,MIN,IOR
  • 列表中的变量必须是共享的

提示：openmp作用域规则

到目前为止，所有指令都嵌套在同一个例程中（最外层的!$OMP PARALLEL）。然而，OpenMP提供了更灵活的范围规则。它只允许有例行程序!$OMP DO在这种情况下，我们调用!$OMP DO执行孤立指令orphaned directive。

注意：有一些规则（例如，当遇到一个!$OMP DO directive，程序应在parallel部分）

 

OMP如何安排迭代？

尽管openmp标准没有指定循环应该如何分区，但默认情况下，大多数编译器在N/p（N 迭代数，p线程数）块中分割循环。这称为静态调度（块大小为N/p）

为了显式地告诉编译器使用静态调度（或者我们稍后将看到的其他调度），openmp提供了SCHEDULE子句

 $!OMP DO SCHEDULE (STATIC,n) （n是分块的大小）

 

静态调度的问题

在静态调度中，迭代次数在所有openmp线程中均匀分布（即每个线程将被分配相似的迭代次数）。这并不总是分割的最佳方式。这是为什么？

 

 

动态调度

有了动态调度，新的块在线程可用时被分配给它们。OpenMP提供两个动态调度：

  • $!OMP DO SCHEDULE(DYNAMIC,n) // n is chunk size

循环迭代被分成大小块。当一个线程完成一个块时，它被动态地分配给另一个块。

  • $!OMP DO SCHEDULE(GUIDED,n) // n is chunk size

类似于DYNAMIC，但块大小是相对于剩余迭代次数的

请记住：虽然在某些情况下，动态调度可能是防止负载不平衡的首选，但与静态调度相比，这涉及到很大的开销。

 

OMP SINGLE

openmp提供的另一个共享作业指令是!$OMP SINGLE。当遇到单个指令时，只有一个团队成员将执行块中的代码

  • 一个线程（不一定是主线程）执行块
  • 其他线程将等待
  • 对线程不安全代码有用
  • 对I/O操作有用

 

数据的依赖

并非所有的循环都可以并行化。在添加openmp指令之前，需要检查是否存在任何依赖项：
我们将依赖项分为三类：

  • 流依赖性：在写之后读Read after Write (RAW)
  • 反依赖：读后写Write after Read (WAR)
  • 输出依赖性：写后写Write after Write (WAW)

 对于我们的目的（openmp并行循环），我们只关心循环携带的依赖（循环的不同迭代中指令之间的依赖）

 

 

 

 

1. S3→S2 anti(B) 变量B反依赖。对于变量B，写第i个的数据(S2)，读第i+1个的数据(S3) （先写后读）

2. S3→S4 flow(A) 变量A流依赖。对于变量A，写第i+1个的数据(S3)，读第i个的数据(S4)（先读后写）

3. S4→S2 flow(B) 变量temp流依赖。对于变量temp，先读取它的数据(S2)，然后再写入数据(S4)（先读后写）

4. S3→S4 flow(B) 变量temp输出依赖。对于变量temp，先向它写入数据(S4)，然后向它写入数据(下一个S4)（写后写）

循环携带的反依赖项和输出依赖项不是真正的依赖项（重复使用相同的名称），在许多情况下可以相对容易地解决。

流依赖项是真正的依赖项（有一个从定义到使用的流），在许多情况下不容易删除。可能需要重写算法（如果可能）

 

处理反/输出依赖

使用 PRIVATE语句： 见hello_threads (略)

变量重命名（如果可能）：

示例：原地左移

 

除了openmp之前描述的子句之外，一些非常有用的附加datascope子句：

  • FIRSTPRIVATE ( list ):
    与private相同，但变量“x”的每个私有副本都是用“x”的原始值（在omp区域开始之前）初始化
  • LASTPRIVATE ( list ):
    与private相同，但列表中上次工作共享的变量的私有副本将复制到共享版本。与!$OMP DO指令一起使用。
  • DEFAULT (SHARED | PRIVATE | FIRSTPRIVATE | LASTPRIVATE ):
    指定omp区域中所有变量的默认范围。

 

例子学习：去除流依赖

Y=prefix(X) 前缀和（数列前n项的和）

求法：

串行：

Y[1]=X[1]

Do i=2,n

   Y[i]=Y[i-1]+X[i]

END DO

 

但这种算法不能用于并行运算

    

 改写算法

第一步：将X根据线程数分割，每一个线程计算自己的前缀和。

第二步：创建数组T，收集各个分隔段的最后一个元素，并计算前缀和到T。

第三步：每一个线程的结果的加上T[theadid]。

第四部：完成。

 

前缀和的实现Prefix Sum Implementation

三个独立步骤

  • 步骤1和3可以并行完成
  • 步骤2必须按顺序执行
  • 步骤1必须在步骤2之前执行
  • 步骤2必须在步骤3之前执行

注意：为了便于说明，我们可以假设数组长度是线程数目的倍数

这个案例研究展示了一个具有实际（流）依赖关系的算法示例

  • 有时我们可以重写algorightm来并行运行
  • 大多数时候这不是小事
  • 加速（通常）不那么令人印象深刻 

 

OpenMP Sections

假设您有可以并行执行的代码块（即没有依赖项）。要并行执行它们，openmp提供了!$OMP SECTIONS指令。语法如下：

 

 这将并行执行“WROK1”和“WORK2”

 

NOWAIT 指令

每当作业共享结构中的线程（例如!$OMP DO）比其他线程更快地完成工作，它将等待所有参与线程完成各自的工作。所有线程将在作业共享结构结束时同步。
对于不需要或不想在末尾同步的情况，OpenMP 提供了NOWAIT 指令

 关于作业共享总结

 我们讨论了OMP 作业共享结构

  • !$OMP DO
  • !$OMP SECTIONS
  • !$OMP SINGLE

可与这些结构一起使用的有用指令（不完整列表，并非所有指令都可与每个指令一起使用）

  • SHARED (list)
  • PRIVATE (list)
  • FIRSTPRIVATE (list)
  • LASTPRIVATE(list)
  • SCHEDULE (STATIC | DYNAMIC | GUIDED, chunk)
  • REDUCTION(op:list)
  • NOWAIT

 

同步化

OpenMP程序使用共享变量进行通信。我们需要确保不同的线程不会同时访问这些变量（会导致争用情况，为什么？）。OpenMP提供了许多同步指令。

  • !$OMP MASTER
  • !$OMP CRITICAL
  • !$OMP ATOMIC
  • !$OMP BARRIER

!$OMP MASTER

此指令确保只有主线程超出块中的指令。没有隐式屏障，因此其他线程不会等待master完成
与!$OMP SINGLE DIRECTIVE 有什么不同？

 

!$OMP CRITICAL

此指令确保只有一个线程可以执行块中的代码。如果另一个线程到达临界区，它将等待直到当前线程完成此临界区。每个线程都将执行关键块，并且它们将在CRITICAL部分的末尾同步。

  • 引入开销
  • 序列化关键块
  • 如果临界区的时间相对较大→加速可忽略不计

 

!$OMP ATOMIC

这个指令非常类似于上一张幻灯片上的 !$OMP CRITICAL 指令。不同的是 !$OMP ATOMIC仅用于更新内存位置。有时 !$OMP ATOMIC被称为mini 临界区。

  • 块仅由一个语句组成
  • 原子语句必须遵循特定语法
  • 在前面的示例中，可以将“critical”替换为“atomic”

 

!$OMP BARRIER

!$OMP BARRIER 将强制每个线程在该屏障处等待，直到所有线程都达到该屏障为止。!$OMP BARRIER 可能是最著名的同步机制；显式或隐式地。我们之前讨论过的以下omp指令包含一个隐式屏障：

  • !$ OMP END PARALLEL
  • !$ OMP END DO
  • !$ OMP END SECTIONS
  • !$ OMP END SINGLE
  • !$ OMP END CRITICAL

 

潜在的加速

理想情况下，我们希望有完美的加速（即使用n个处理器时n的加速）。然而，这在大多数情况下并不切实可行，原因如下：

  • 并非所有的执行时间都花在并行区域（例如循环）上
    例如，并非所有循环都是并行的（数据依赖关系）
  • 使用openmp线程有一个固有的开销

让我们看一个例子，它显示了由于程序的非并行部分，加速将如何受到影响（略）

 

TIP: IF 指令

OpenMP提供了另一个有用的指令，用于在运行时确定并行区域是实际并行运行（多线程）还是仅由主线程运行：

IF (logical expr)

例如:

$!OMP PARALLEL IF(n > 100000) (fortran)
#pragma omp parallel if (n>100000) (C/C++)

这将只在n>100000时运行并行区域

 

Amdahl法则

每个程序由两部分组成：:

  • 串行部分
  • 并行部分

显然，无论有多少个处理器，串行部分只在一个处理器执行。假设，程序花费总时间的p（0<p<1）部分在并行区域，（相对于串行的）运行时间将是：

((1-p)+p/N)/1

这意味着加速倍数将是：

1/((1-p)+p/N)

例如：假设80%的程序可以并行执行，且有用不限制的CPU数目，则最大加速将仅仅是5倍

 

OpenMP开销/可扩展性

启动并行OpenMP 区域不是免费的。这涉及相当多的开销。在循环周围放置openmp pragmas之前，请考虑以下内容：

  • 记住阿姆达定律
  • 尽可能并行化大多数外部循环（在某些情况下，即使迭代次数较少）
  • 确保并行区域的加速足以克服开销
    循环中的迭代次数足够大吗？
    每次迭代的工作量是否足够？
  • 不同机器/操作系统/编译器的开销可能不同

OpenMP 程序的伸缩性并不总是很好。即，当openmp线程数增加时，加速将受到以下影响

  • 更多线程竞争可用带宽
  • 缓存问题

 

嵌套并行

OpenMP允许嵌套并行（例如 在!$OMP DO里面嵌套!$OMP DO)

  • 设置环境变量OMP_NESTED以启用/禁用嵌套
  • omp_get_nested(), omp_set_nested() 运行时函数
  • 编译器仍然可以选择序列化嵌套的并行区域（即只使用一个线程的team ）
  • 大量开销。为什么？
  • 会导致额外的负载不平衡。为什么？

 

OpenMP循环折叠

当您拥有完全嵌套的循环时，可以使用OpenMP 命令  collapse(n)来折叠内部循环。折叠循环：

  • 循环需要完全嵌套perfectly nested
  • 循环需要有矩形迭代空间
  • 使迭代空间更大
  • 比嵌套的并行循环需要更少的同步

例子：

!$OMP PARALLEL DO PRIVATE (i,j) COLLAPSE(2)
DO i = 1,2
DO j=1,2
call foo(A,i,j)
ENDDO
ENDDO
!$OMP END PARALLEL DO

 

提示：使用的线程数

OpenMP有两种模式来确定在并行区域中实际使用的线程数：

  • 动态模式DYNAMIC MODE
    • 每个并行区域使用的线程数可能不同
    • 设置线程数只设置最大线程数（实际数量可能更少）
  • 静态模式STATIC MODE
    • 线程数是固定的，由程序员决定
  • 通过改变环境变量 OMP_DYNAMIC 来设置模式
  • 运行时函数 omp_get_dynamic/omp_set_dynamic

 

数学库

数学库具有许多函数的非常专业化和优化版本，其中许多函数已使用OpenMP并行化。在EOS上，我们有英特尔数学内核库（MKL）
有关mkl的更多信息：
http://sc.tamu.edu/help/eos/mathlib.php
因此，在实现自己的OpenMP数学函数之前，请检查MKL中是否已经有一个版本

posted @ 2019-10-13 13:14  chinagod  阅读(9609)  评论(0)  编辑  收藏  举报