【MPI学习3】MPI并行程序设计模式：不同通信模式MPI并行程序的设计
学习了MPI四种通信模式 及其函数用法：
（1）标准通信模式：MPI_SEND
（2）缓存通信模式：MPI_BSEND
（3）同步通信模式：MPI_SSEND
（4）就绪通信模式：MPI_RSEND
四种通信模式的区别都在消息发送端，而消息接收端的操作都是MPI_RECV。
1.标准通信模式
原理图如下
标准通信模式由MPI决定是否用缓存。
如果MPI决定缓存将要发出的数据：发送操作不管接受操作是否执行，都可以进行；而且缓存结束后发送操作就可以返回，不需要等待接受操作收到数据
如果MPI决定不缓存将要发送的数据：对于阻塞通信，则要求接受操作执行，并且数据都发送到接受缓冲区了，发送操作才能够返回；对于非阻塞通信，发送操作虽然没有完成，但是发送调用可以正确返回。
2.缓存通信模式
与标准通信的区别在于需要自己维护程序的缓冲区。
int MPI_Buffer_attach(void *buffer, int size)用于申请缓存
int MPI_Buffer_detach(void **buffer, int *size) 用于释放缓存 这是一个阻塞调用 函数返回表示缓冲区已经被释放
示例代码如下：
1 #include "mpi.h"
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4 #define SIZE 6
5 static int src = 0; 6 static int dest = 1; 7
8 void generate_data(double *, int); 9 void normal_recv(double *, int); 10 void buffered_send(double *, int); 11
12 void generate_data(double *buffer, int buff_size){ 13 int i; 14 for (i=0; i<buff_size; i++) buffer[i]=(double)i+1; 15 } 16
17 void normal_recv(double *buffer, int buff_size){ 18 int i,j; 19 MPI_Status status; 20 double *b; 21
22 b = buffer; 23
24 MPI_Recv(b,(buff_size-1),MPI_DOUBLE,src,2000,MPI_COMM_WORLD, &status); 25 fprintf(stderr, "standard receive a message of %d data\n", buff_size-1); 26 for(j=0; j<buff_size-1; j++) fprintf(stderr, "buf[%d]=%f\n",j,b[j]); 27
28 b+=buff_size-1; 29 MPI_Recv(b, 1, MPI_DOUBLE, src, 2000, MPI_COMM_WORLD, &status); 30 fprintf(stderr, "standard receive a message of one data\n"); 31 fprintf(stderr, "buf[0]=%f\n",*b); 32 } 33
34 void buffered_send(double *buffer, int buff_size){ 35 int i,j; 36 void *bbuffer; 37 int size; 38
39 fprintf(stderr, "buffered send message of %d data\n", buff_size-1); 40 for(j=0; j<buff_size-1; j++) fprintf(stderr, "buf[%d]=%f\n",j,buffer[j]); 41 MPI_Bsend(buffer, (buff_size-1), MPI_DOUBLE, dest, 2000, MPI_COMM_WORLD); 42
43 buffer+=buff_size-1; 44 fprintf(stderr, "bufferred send message of one data\n"); 45 fprintf(stderr, "buf[0]=%f\n", *buffer); 46 MPI_Bsend(buffer, 1, MPI_DOUBLE, dest, 2000, MPI_COMM_WORLD); 47
48 MPI_Buffer_detach(&buffer, &size); 49 MPI_Buffer_attach(bbuffer, size); 50 } 51
52 int main(int argc, char *argv[]) 53 { 54 int rank; 55 double buffer[SIZE], *tmpbuffer, *tmpbuf; 56 int tsize, bsize; 57 char *test = NULL; 58
59 MPI_Init(&argc, &argv); 60 MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); 61
62 if (rank==src) { // 发送消息进程
63 generate_data(buffer, SIZE); 64 MPI_Pack_size(SIZE, MPI_DOUBLE, MPI_COMM_WORLD, &bsize); 65 tmpbuffer = (double*)malloc(bsize+2*MPI_BSEND_OVERHEAD); 66 if (!tmpbuffer) { 67 MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1); 68 } 69 // 告诉系统MPI_Bsend用到buffer就去tmpbuffer那里去找
70 MPI_Buffer_attach(tmpbuffer, bsize+2*MPI_BSEND_OVERHEAD); 71 buffered_send(buffer, SIZE); 72 MPI_Buffer_detach(&tmpbuf, &tsize); 73 printf("tsize detach from tmpbuf is : %d\n", tsize); 74 } 75 else if (rank==dest) { 76 normal_recv(buffer, SIZE); 77 } 78 else { 79 MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1); 80 } 81 MPI_Finalize(); 82 }
代码输出结果是：
总共需要发送5个double类型，每个类型占8个字节；MPI通信其他附属信息占200个字节；因此总共缓冲区的大小的240个字节。
3.同步通信模式
同步发送进程的特点是：发送操作可以不依赖接受进程的相应接受操作是否已经启动，但是必须等着接受操作开始执行后才能返回；这意味着一旦同步发送返回后，发送缓冲区中的数据已经全部被系统缓冲区缓存。“发送缓冲区”表示MPI的缓冲区，“系统缓冲区”指的是操作系统的写缓冲区，注意二者的区别。这意味着同步发送缓冲区中的数据可以被释放或重新利用。
示例代码如下：
1 #include "mpi.h"
2 #include <stdio.h>
3
4 #define SIZE 10
5
6 static int src = 0; 7 static int dest = 1; 8
9 int main(int argc, char *argv[]) 10 { 11 int rank; 12 int act_size = 0; 13 int flag, np, rval, i; 14 int buffer[SIZE]; 15 MPI_Status status, status1, status2; 16 int count1, count2; 17 MPI_Init(&argc, &argv); 18 MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); 19 MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &np); 20
21 if (np!=2) { 22 MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1); 23 } 24 act_size = 5; /*最大消息长度*/
25 if (rank==src) { 26 MPI_Ssend(buffer, act_size, MPI_INT, dest, 1, MPI_COMM_WORLD); 27 fprintf(stderr, "MPI_Ssend %d data,tag=1\n", act_size); 28 act_size = 4; 29 MPI_Ssend(buffer, act_size, MPI_INT, dest, 2, MPI_COMM_WORLD); 30 fprintf(stderr, "MPI_Ssend %d data,tag=2\n", act_size); 31 } 32 else if (rank=dest) { 33 MPI_Recv(buffer, act_size, MPI_INT, src, 1, MPI_COMM_WORLD, &status1); 34 MPI_Recv(buffer, act_size, MPI_INT, src, 2, MPI_COMM_WORLD, &status2); 35 MPI_Get_count(&status1, MPI_INT, &count1); 36 fprintf(stderr, "receive %d data,tag=%d\n",count1, status1.MPI_TAG); 37 MPI_Get_count(&status2, MPI_INT, &count2); 38 fprintf(stderr, "receive %d data,tag=%d\n",count2, status2.MPI_TAG); 39 } 40 MPI_Finalize(); 41 }
代码执行结果如下：
如果将33 34行代码互换位置，则程序陷入了deadlock：一方面发送进程中tag=1的MPI_Ssend操作一直处于阻塞状态；另一方面接受进程中的tag=2的MPI_Recv操作处于阻塞状态；两个进程互相等着对方，陷入了死锁。
4. 就绪通信模式
与前几种通信模式不同，只有当接受进程的接受操作已经启动时，才可以在发送端启动发送进程。
一种可能的就绪通信模式实现方法如下图：
上图保证的目标是①要先于④执行；方法是插入②和③；①一定先于②执行，③一定等②成功后才能执行，③成功后④才能执行。
由此一定保证①先于④执行，就保证了就绪通信。
示例代码如下：
1 #include "mpi.h"
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4
5 #define TEST_SIZE 2000
6
7 void test_rsend(); 8
9 int main(int argc, char *argv[]) 10 { 11 MPI_Init(&argc, &argv); 12 test_rsend(); 13 MPI_Finalize(); 14 } 15
16 void test_rsend() 17 { 18 int rank, size; 19 int next, prev; 20 int tag; 21 int count; 22 float send_buf[TEST_SIZE], recv_buf[TEST_SIZE]; 23 MPI_Status status; 24 MPI_Request request; 25
26 MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); 27 MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); 28
29 if (2!=size) { 30 MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1); 31 } 32 next = rank + 1; 33 if (next >= size) next = 0; 34 prev = rank - 1; 35 if (prev <0) prev = size-1; 36
37 if (0==rank) { 38 fprintf(stderr, " Rsend Test\n"); 39 } 40 tag = 1456; 41 count = TEST_SIZE/3; 42 if (0==rank) { 43 MPI_Recv(MPI_BOTTOM,0,MPI_INT,next,tag,MPI_COMM_WORLD, &status); 44 fprintf(stderr, " Process %d post Ready send\n", rank); 45 MPI_Rsend(send_buf,count,MPI_FLOAT,next,tag,MPI_COMM_WORLD); 46 } 47 else { 48 fprintf(stderr, " process %d post a receive call\n", rank); 49 MPI_Irecv(recv_buf, TEST_SIZE, MPI_FLOAT,MPI_ANY_SOURCE,MPI_ANY_TAG,MPI_COMM_WORLD,&request); 50 MPI_Send(MPI_BOTTOM,0,MPI_INT,next,tag,MPI_COMM_WORLD); 51 MPI_Wait(&request, &status); 52 fprintf(stderr, " Process %d Receive Rsend message from %d\n",rank, status.MPI_SOURCE); 53 } 54 }
代码执行结果如下：
