在上一篇中我们介绍了 caput 软件包的 mpiutil 模块中提供的若干方便和易用的函数，下面我们将介绍 caput 中另一个模块 mpiarray 提供的建立在 numpy array 基础上的并行分布式数组 MPIArray。
MPIArray 类继承自 numpy.ndarray，因此 numpy 数组的众多方法都适用于 MPIArray，不过 MPIArray 却能够以一种整体的方式管理和操作分布在不同进程间的 numpy 数组，并提供若干特有的但方便的方法和属性以供使用，下面就将介绍它们。
注意：因为 MPIArray 类所在的 mpiarray 模块在内部导入使用我们前面介绍过的 mpiutil，因此 MPIArray 也能兼容非 MPI 环境，在此情况下只有单个进程执行，MPIArray 的 comm 属性将为 None，MPIArray 实际上就是一个单一的完整的 numpy.ndarray，附加上一些额外的属性和方法。
方法接口
__new__(cls, global_shape, axis=0, comm=None, *args, **kwargs)
MPIArray 构造方法。创建一个 shape 为 global_shape， 分布在通信子对象 comm 上的，分布轴为 axis 的 MPIArray，其它可选参数同 numpy.ndarray。comm 的默认值为 None，在 mpi4py 可用的情况下会使用 MPI.COMM_WORLD，不可用时就为 None （此时创建的 MPIArray 就存在于单个进程上)。当 comm 是一个有效的通信子对象时，所创建的 MPIArray 会按照 axis 轴分布在 comm 所包含的所有进程上。MPIArray 只能分布在一个单独的轴上，并且在该轴上的分布必须满足一定的限制，即每个进程所持有的子数组在该轴上的 shape 都相等（如果能够均分的话）或者 rank 较小的一些进程会多 1 （如果不能均分）。这一限制必须在 MPIArray 存在的整个生命时期内都得到满足。MPIArray 在除了分布轴之外的所有其它轴上的 shape 在各个进程中都相同。
from_numpy_array(cls, array, axis=0, root=None, comm=None)
由一个 numpy 数组 array 构造一个分布在通信子 comm 上，分布轴为 axis 的 MPIArray 并返回，所创建的 MPIArray 的 global_shape 同 array 的shape。参数 root 可为一个整数或 None，当其为一个整数时，数据将由 rank 等于该整数的进程的 array 散发给所有其它进程，因此其它进程的 array 参数可以为 None；当 root 为 None 时，每个进程从各自的 array 中获取对应的数据，因此一般来说每个进程的 array 应该都相同，但也可以不同。
to_numpy_array(self, root=0)
将当前的 MPIArray 转化为 numpy array。如果 root 为一个整数，则只有 rank 为该整数的进程会返回转化后的 numpy array，其它进程返回 None；如果 root 为 None，则所有进程都返回转化后的 numpy array。
wrap(cls, array, axis, comm=None)
将通信子 comm 上的各个进程所持有的 numpy 数组 array 沿分布轴 axis 包装成一个 MPIArray 并返回。各个进程的 array 在 axis 轴上的 shape 必须满足 MPIArray 的限制要求，即都相等或者 rank 较小的进程多 1，在其它轴上的 shape 必须都相同。注意该方法与 from_numpy_array 的区别。
redistribute(self, axis)
将当前的 MPIArray 重新分布到轴 axis 上，返回一个不与原 MPIArray 共享数据的新的 MPIArray。注意：这是一个通信量比较大的操作，数据会在所有进程间重新分布。
enumerate(self, axis)
一个方便的方法来返回当前的 MPIArray 在轴 axis 上的 local_index 和 global_index 迭代器。global_index 是指在将整个 MPIArray 当作一个大的 numpy array 时的 index，而 local_index 则在每个进程所持有的子数组中的 index。当 axis 不是分布轴时，每个进程返回的 local_index 和 global_index 都是一样的，但当 axis 为分布轴时，除了 rank = 0 的的进程返回的 local_index 和 global_index 一样之外，其它进程的都不一样，因为 local_index 会从 0 开始计数。
from_hdf5(cls, f, dataset, axis=0, comm=None)
由一个 HDF5 文件 f 中的数据 dataset 构造一个分布在通信子 comm 上，分布轴为 axis 的 MPIArray 并返回。f 可以为一个 HDF5 文件的文件名字符串或者一个打开的 HDF5 文件句柄。HDF5 文件操作以及并行分布式的 HDF5 在后面会有相应的介绍。注意：该方法同 from_numpy_array 非常类似，只不过数据的来源不同。
to_hdf5(self, filename, dataset, create=False)
将当前的 MPIArray 中的数据存储到 HDF5 文件 filename 中的数据集 dataset 中，当 create 为 True 时会创建一个新文件，为 False时会写入到已经存在的文件中，此时该存在的文件中如果已经有数据集 dataset 则会出错。HDF5 文件操作以及并行分布式的 HDF5 在后面会有相应的介绍。
transpose(self, axes)
将当前的 MPIArray 按照轴 axes 进行转置，即调整轴的次序。返回转置后的新 MPIArray，但是共享原 MPIArray 的数据。
reshape(self, *shape)
改变当前 MPIArray 的 global_shape。返回 reshpae 后的新 MPIArray，但是共享原 MPIArray 的数据。注意不能改变分布轴且分布轴对应的元素必须设置成 None，除此之外同 numpy array 的 reshape。
copy(self)
返回一个当前 MPIArray 的复制对象，其所包含的数据也会进行复制，即不再共享原 MPIArray 的数据。
属性
global_shape
MPIArray 的整体 shape，每个进程都会返回相同的结果。
local_shape
每个进程所持有的子数组的 shape。
local_offset
每个进程所持有的子数组在整个 MPIArray 中各轴的偏移位置，对非分布轴偏移都为 0。
axis
MPIArray 的分布轴。
local_array
每个进程所持有的子数组，是一个 numpy array。
comm
MPIArray 的通信子对象，如果 mpi4py 不可用则为 None。
例程
下面给出以上介绍的方法和属性的使用例程。
# mpiarray_demo.py
"""
Demonstrates the usage of MPIArray, from_numpy_array, to_numpy_array,
to_hdf5, enumerate, redistribute, reshape, transpose, wrap.
Run this with 4 processes like:
$ mpiexec -n 4 python mpiarray_demo.py
"""
import os
import numpy as np
from caput import mpiutil
from caput.mpiarray import MPIArray
rank = mpiutil.rank
size = mpiutil.size
# construct a MPIArray with global_shape (5, 4, 3) and distribute axis 0
shape = (5, 4, 3)
dist_axis = 0
darr = MPIArray(global_shape=shape, axis=dist_axis, dtype=np.float32)
print 'rank %d has global_shape = %s, local_shape = %s, local_offset = %s' % (rank, darr.global_shape, darr.local_shape, darr.local_offset)
# from_numpy_array
nparr = np.arange(6*5*4).reshape(6, 5, 4)
darr1 = MPIArray.from_numpy_array(nparr, axis=0, root=None)
# to_numpy_array
nparr1 = darr1.to_numpy_array(root=0)
if rank == 0:
print 'rank 0: nparr1 == nparr: %s' % np.allclose(nparr, nparr1)
else:
print 'rank %d: nparr1 = %s' % (rank, nparr1)
# to_hdf5
h5_file = 'test.hdf5'
darr1.to_hdf5(h5_file, 'test', create=True)
# remove the file
if rank == 0:
os.remove(h5_file)
# enumerate
for (li, gi) in darr1.enumerate(axis=0):
print 'rank %d has (local_index, global_index) = (%d, %d) for axis 0' % (rank, li, gi)
# redistribute to axis 1
darr2 = darr1.redistribute(axis=1)
print 'rank %d has global_shape = %s, local_shape = %s after redistribute to axis 1' % (rank, darr2.global_shape, darr2.local_shape)
# reshape darr1 to have global_shape = (6, 20)
darr3 = darr1.reshape(None, 20)
# transpose darr1 to have global_shape = (5, 6, 4)
darr4 = darr2.transpose((1, 0, 2))
# wrap
if rank == 0:
a = np.zeros((2, 3))
elif rank == 1:
a = np.zeros((2, 3))
elif rank == 2:
a = np.zeros((2, 2))
elif rank == 3:
a = np.zeros((2, 2))
da = MPIArray.wrap(a, axis=1)
print 'rank %d has global_shape of da = %s' % (rank, da.global_shape)
运行结果如下：
$ mpiexec -n 4 python mpiarray_demo.py
Starting MPI rank=0 [size=4]
Starting MPI rank=1 [size=4]
Starting MPI rank=2 [size=4]
Starting MPI rank=3 [size=4]
rank 3 has global_shape = (5, 4, 3), local_shape = (1, 4, 3), local_offset = (4, 0, 0)
rank 1 has global_shape = (5, 4, 3), local_shape = (1, 4, 3), local_offset = (2, 0, 0)
rank 2 has global_shape = (5, 4, 3), local_shape = (1, 4, 3), local_offset = (3, 0, 0)
rank 0 has global_shape = (5, 4, 3), local_shape = (2, 4, 3), local_offset = (0, 0, 0)
rank 2: nparr1 = None
rank 3: nparr1 = None
rank 1: nparr1 = None
rank 0: nparr1 == nparr: True
rank 1 has (local_index, global_index) = (0, 2) for axis 0
rank 1 has (local_index, global_index) = (1, 3) for axis 0
rank 2 has (local_index, global_index) = (0, 4) for axis 0
rank 3 has (local_index, global_index) = (0, 5) for axis 0
rank 0 has (local_index, global_index) = (0, 0) for axis 0
rank 0 has (local_index, global_index) = (1, 1) for axis 0
rank 0 has global_shape = (6, 5, 4), local_shape = (6, 2, 4) after redistribute to axis 1
rank 1 has global_shape = (6, 5, 4), local_shape = (6, 1, 4) after redistribute to axis 1
rank 2 has global_shape = (6, 5, 4), local_shape = (6, 1, 4) after redistribute to axis 1
rank 3 has global_shape = (6, 5, 4), local_shape = (6, 1, 4) after redistribute to axis 1
rank 0 has global_shape of da = (2, 10)
rank 1 has global_shape of da = (2, 10)
rank 2 has global_shape of da = (2, 10)
rank 3 has global_shape of da = (2, 10)
以上我们介绍了 caput 中另一个模块 miarray 提供的建立在 numpy array 基础上的并行分布式数组 MPIArray，其中也提到了 HDF5 文件及其操作，我们将在后面介绍并行分布式的 HDF5 相关操作，在此之前我们先介绍 HDF5 文件的基本内容以及 Python 中操作 HDF5 文件的方法，以为后面的介绍作铺垫，在下一篇中我们将介绍 HDF5 文件以及操作 HDF5 文件的 Python 工具 h5py。