并行计算技术解密：MPI和OpenMP的学习和应用指南

欢迎来到并行计算技术的奇妙世界！本指南将带您深入了解MPI（Message Passing Interface）和OpenMP（Open Multi-Processing）两种重要的并行计算技术，并为您提供学习和应用的指南。无论您是一个科研工作者、开发人员还是对高性能计算感兴趣的学生，本指南都将帮助您在并行计算领域取得突破性进展。

第一部分：MPI入门

在现代计算领域，MPI已成为实现分布式内存并行计算的事实标准。本部分将为您介绍MPI的基本概念、工作原理和编程模型。您将学习如何在不同计算节点之间进行通信和同步操作，探索如何利用MPI实现高效的并行算法。我们还将深入讨论MPI的一些高级功能和最佳实践，帮助您充分发挥MPI在大规模并行计算中的潜力。

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一级模块名称	二级模块名称	小知识点名称	小知识点描述
MPI并行编程技术	MPI基本概念	进程的概念	本模块重点学习MPI技术，这是一种针对分布式内存系统的多进程并行编程技术，因此学员首先需要理解并掌握线程和进程的概念
		MPI基本编程方式	简要介绍了MPI基本编程方式
		MPI程序编译和运行	掌握如何进行MPI程序编译和运行
		MPI四个基本接口	掌握MPI程序的四个基本接口，MPI_Init，MPI_Finalize，MPI_Comm_rank，MPI_Comm_size
		并行模式	掌握以对等模式和主从模式为主的几种并行模式
	点对点通信（阻塞式）	点对点通信分类	理解点对点通信含义，为MPI中用于两个进程之间的传输数据。可分为阻塞式通信和非阻塞式通信
		阻塞式通信接口MPI_Send/MPI_Recv	学习阻塞式通信的两个常用函数接口，包括发送MPI_Send，接收MPI_Recv。 需熟悉这些接口及函数参数列表中各个参数的含义。
		阻塞式MPI并行示例程序	通过一个阻塞式MPI并行的简单示例程序，熟悉MPI编程算法思路
		消息标签tag	理解通信接口参数中的消息标签tag含义，并掌握tag的使用
		MPI_ANY_TAG和MPI_ANY_SOURCE	进阶：了解通信接口参数中消息标签tag和进程号source的特殊使用情况：MPI_ANY_TAG和MPI_ANY_SOURCE
		jacobi迭代算法及串行代码实现	如果已经有了一个串行程序，如何使之并行化呢?在一般情况下，需要将工作进行拆分，让其分布在各个进程中，使每个进程所获得的工作量大致相同，并且使通信量最小。通常可按照如下步骤进行串行程序并行化，这些步骤也称作Foster方法： 1）划分(partition)：将要执行的指令和数据按照计算部分拆分成多个小任务。这一步的关键在于识别出可以并行执行的任务。 2）通信(communication)。确定上一步所识别出来的任务之间需要执行哪些通信。 3）聚合(aggregation)。将第一步所确定的任务与通信结合成更大任务。 4）分配(mapping)。将上一步聚合好的任务分配到进程中。这一步还要使通信量最小化，并使各个进程所得到的工作量大致均衡。 下面将以jacobi迭代程序的并行化作为案例，熟悉MPI并行化方法。首先介绍下jacobi迭代算法及串行代码实现。
		jacobi程序并行化算法的数据划分和通信方法	Foster方法中的步骤1（划分）和步骤2（通信）是基本步骤，必须掌握这两个概念。接下来是并行化jacobi迭代程序的数据划分和通信方法。
		案例1:jacobi并行化-基于阻塞消息通信	第一个版本jacobi：阻塞消息通信版本
		常见问题：死锁	在存在多次点对点通信时，若进程间通信顺序不合理，常常导致通信死锁，需熟悉死锁的产生情形。
		组织进程通信避免死锁	学习并理解如何通过合理组织进程间通信，来避免发生死锁的情形
		捆绑消息接口MPI_Sendrecv	掌握MPI_Sendrecv接口
		案例2:jacobi并行化-基于基于捆绑消息发送接收	第二个版本jacobi：基于捆绑消息发送接收版本
	点对点通信（非阻塞式）	非阻塞通信接口MPI_Isend/MPI_Irecv及wait/test接口	学习非阻塞式通信的四个常用函数接口，包括发送MPI_Isend，接收MPI_IRecv，等候MPI_Wait，检测MPI_Test 需熟悉这些接口及函数参数列表中各个参数的含义。
		多个非阻塞通信的批量完成与检测	多个非阻塞通信的批量完成与检测
		非阻塞式MPI并行示例程序	以一个小程序为例，详细说明非阻塞通信接口的使用思路。
		案例3:jacobi并行化-基于非阻塞消息通信	第三个版本jacobi：非阻塞消息通信版本
		重复非阻塞通信	理解重复非阻塞通信
		案例4:jacobi并行化-基于重复非阻塞消息通信	第四个版本jacobi：重复非阻塞消息通信版本
	集合通信	广播cast	本模块学习MPI的集合通信，可在多个进程之间便捷地相互交换数据，同时可以避免进程之间的竞争，避免出现死锁。MPI集合通信包括广播、规约、聚集、全互换等。接下来先学习掌握广播（bast）通信，该通信是将数据从组的一个进程广播到组的所有进程。
		分散scatter	分散(scatter)通信是将一个进程中的数据分散到通信组总所有进程上。
		收集gather	收集(gather)通信可理解成分散通信的反操作，是将数据从通信组的所有进程上收集到某一个进程。
		规约reduce	规约(reduce)通信是让组内所有进程执行全局化简操作。 可以指定预定义的数学或逻辑运算操作。
		全互换alltoall	全互换(alltoall)通信可理解成是先从通信组内所有进程中收集数据，并分散到组内所有进程
		路障barrier	掌握路障barrier
		案例5：梯形积分法求圆周率的并行化	实例2：使用区域分解算法对梯形积分法求圆周率程序实现MPI并行化
		并行性能分析和负载不均衡问题	实例2：并行性能分析和负载不均衡问题
	通信模式和虚拟进程拓扑	四类通信模式	通信模式：标准、缓存、同步、就绪
		虚拟进程拓扑	MPI虚拟进程拓扑 ，重点学习笛卡尔拓扑

第二部分：OpenMP入门

作为一种共享内存并行计算技术，OpenMP为多核处理器提供了简单而强大的并行化方法。本部分将带您逐步了解OpenMP的基本概念和编程模型。您将学习如何使用OpenMP指令集来标识和管理并行任务，以及如何通过调整线程数和任务分配来优化并行程序的性能。我们还将分享一些实用的技巧和技巧，以帮助您充分利用OpenMP在多核环境中的潜力。

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一级模块名称	二级模块名称	二级模块简介	小知识点名称
OpenMP并行编程技术	OpenMP基本概念	本节课简要介绍了OpenMP多线程并行编程的基本概念，为什么和如何实施OpenMP	线程简介
			OpenMP概述
			多核架构的来源
			线程与OpenMP
			OpenMP的基本编码、编译和运行方式
	OpenMP并行程序基础设计	以梯形积分法求取圆周率PI程序的openMP并行化为例，详细说明OpenMP多线程并行程序编程设计的基础思路，常见问题解决办法	案例-梯形积分法计算圆周率PI算法
			案例-积分法计算Pi程序的初步OpenMP并行化
			openMP并行域与指令parallel
			变量作用域属性与子句shared、private、default
			手动实现循环体迭代任务分配
			缓存一致性对多核并行的影响
			线程竞争、临界区和指令critical、atomic
	循环体for结构	仍然以模块中的梯形积分法程序为例，继续对其中的for循环体做进一步的openMP并行化，进而学习更深层次的openMP指令、子句及其机制。	for循环体并行与指令for
			变量规约属性与子句reduction
			循环调度策略与子句schedule
			嵌套循环与子句collapse
			案例3-积分法计算Pi程序的完整OpenMP并行化
			内存一致性
			线程亲核性
	分段section结构、任务task结构和其他指令	上个模块学习了使用for指令并行化典型for循环体。本模块学习如何使用section子句来并行化上下文代码块，以及使用task来并行化do-while循环体。	代码段并行与指令section
			单线程指令single、master
			线程同步与阻塞
			任务池并行和指令task-静态任务
			任务池并行和指令task-动态任务
			案例：二叉树遍历程序的OpenMP并行化

第三部分：MPI与OpenMP的结合应用

在现实世界的并行计算应用中，MPI和OpenMP经常被同时使用，以实现高效的并行执行。本部分将重点介绍如何将MPI和OpenMP结合起来，以充分利用分布式内存和共享内存的优势。您将学习如何设计并行算法，合理划分计算任务，并使用MPI和OpenMP进行任务调度和数据交换。我们还将深入讨论一些复杂的并行计算模式和案例研究，以帮助您解决实际问题并优化性能。

结语

本指南为您提供了MPI和OpenMP的全面学习和应用指南，帮助您进入并行计算的精彩世界。无论您是一个初学者还是有一定经验的开发者，本指南都将为您提供深入的理解和实用的技能。立即开始您的并行计算之旅吧！通过学习MPI和OpenMP，您将能够：

充分利用计算资源：MPI和OpenMP使您能够在集群、超级计算机和多核处理器等高性能计算环境中充分利用计算资源。您可以将复杂的计算任务划分为多个子任务，并通过并行化和分布式计算加速整个过程。

解决大规模问题：并行计算技术能够处理大规模问题，如气候模拟、基因组学分析、大规模数据处理等。通过学习MPI和OpenMP，您将能够设计和实现高效的并行算法，将计算时间从几天甚至几个月缩短到几小时或几分钟。

提升计算性能：通过并行化计算任务，您可以充分利用计算资源的潜力，提高计算性能和效率。MPI和OpenMP提供了灵活的并行编程模型，使您能够有效地管理线程和进程之间的通信和同步，减少冗余计算并最大限度地利用硬件资源。

深入理解并行计算：学习MPI和OpenMP将使您对并行计算的原理和技术有更深入的理解。您将了解并行计算的挑战和限制，并学会如何优化并行算法和调整参数以获得最佳性能。

无论您是从零开始学习并行计算，还是希望进一步提升您的技能水平，本指南将为您提供全面的学习和应用指南。开始您的并行计算之旅，并将这些强大的技术应用于您的研究、开发或实际项目中。准备好迎接高性能计算的挑战吗？立即开始，探索MPI和OpenMP的奇妙世界吧！