MPI（Message Passing Interface）

【应该了解的背景知识】
1、MPI知识－－[比较熟悉]
2、VC/Visual Studio知识－－[一般了解]
3、C++知识－－[熟悉]

 

 

MPI全称消息传递接口，是Message Passing Interface的缩写，MPI是一个库，而不是一门语言。它是一种标准或规范的代表，而不特指某一个对它的具体实现。

本次实验过程中，使用的MPI实现是MPICH，MPICH是一种最重要的MPI实现，它可以免费从http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich 取得，更为重要的是，MPICH是一个与MPI-1规范同步发展的版本，每当MPI推出新的版本，就会有相应的MPICH的实现版本。

MPICH的下载安装

       可以从http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich 免费下载得到MPICH的最新版本。本次实验使用的是MPICH2 for Microsoft Windows 版本是1.0.3 ，下载后直接运行，安装即可。

MPICH的配置

       本次实验使用的开发语言是C/C++，运行环境为Microsoft Windows XP Professional，开发工具为Microsoft Visual Studio 2005。安装完MPICH2后，要将MPI库添加到Visual Studio的库目录中，将inculde文件添加到Visual Studio的include目录中。具体步骤如下：

1.     单击“工具”菜单，选择“选项”，在弹出对话框中双击树型目录中的“项目和解决方案”，打开之。在其子目录里面选中“VC++目录”一项，此时右侧显示相应属性。

2.     在“显示以下内容的目录”下拉菜单中选择“库目录”，单击“新行”按钮（快捷键Ctrl+Insert），在新添加的行中单击最右侧浏览按钮，选择MPICH2的安装目录，然后选择lib子目录，选择“打开”，加入完成，如图：

3.     使用与第二步相同的方法，将“引用文件”添加上，如图：

4.     新建一个空白“Windows控制台应用程序”项目，假设命名为FFT，在“项目”菜单中选择“FFT属性”，在弹出对话框中依次开左侧树型列表的“配置属性”、“链接器”、“输入”，在“附加依赖项”一栏输入：mpi.lib，如图：

选择“配置”下拉列表中的release选项，同样将mpi.lib添加上去。（也可以使用＃pragma预处理指令：#pragmacomment(lib,"mpi.lib")）

 

程序运行与测试：

       VC下将程序直接编译链接为exe文件，然后使用MPICH2附带的运行工具即可模拟运行并行程序。

       在运行程序前，要对MPICH2的运行环境进行设置，本次实验仅使用一台计算机来进行模拟，所以，设置比较简单，使用开发包提供的wmpiregister即可。如果要同时使用多太计算机来运行，就要用到wmpiconfig工具来进行配置。两个工具都位于mpi安装目录下的bin目录中。这里，我们只介绍wmpiregister。wmpiregister运行界面如下：

      

程序的设置很简单，只要在Account中输入你当前登录Windows所使用的用户名，在password中输入该用户名对应的密码即可。MPICH2不能使用没有密码的用户，如果当前用户没有密码，则应该为其创建一个，然后再运行wmpiregister进行配置。输入完成后，单击Register进行注册即可。显示Password encrypted into the Registry，即表示注册成功。

MPICH2带有两个运行工具，第一个为mpiexec.exe，第二个为wmpiexec.exe，均位于mpi安装目录下的bin目录中。第一个为命令行工具，使用方法如下：

第2个参数为处理器个数，第4个参数为将要运行的程序。

       第二个为Win32窗口程序，运行后界面如下：

其实这个程序仅仅是一个界面，最终程序仍然要调用mpiexec.exe来运行，所以两种方式本质上是相同的。这里更建议使用命令行方式，或在使用窗口方式时将“run in a separate window”勾中，因为经过多次实验，发现窗口方式运行时，输出显示是没有问题的，但是如果要向程序输入数据，在窗口模式下似乎行不通，估计mpiexec这个程序有问题。

 

 

MPI（Message Passing Interface）是消息传递并行程序设计的标准之一，当前通用的是MPI1.1规范。正在制定的MPI2.0规范除支持消息传递外，还支持MPI的I/O规范和进程管理规范。MPI正成为并行程序设计事实上的工业标准。

　　MPI的实现包括MPICH、LAM、IBM MPL等多个版本，最常用和稳定的是MPICH，曙光天潮系列的MPI以MPICH为基础进行了定制和优化。

　　MPICH含三层结构，最上层是MPI的API，基本是点到点通信，和在点到点通信基础上构造的集群通信（Collective Communication）；中间层是ADI层（Abstract Device Interface），其中device可以简单地理解为某一种底层通信库，ADI就是对各种不同的底层通信库的不同接口的统一标准；底层是具体的底层通信库，例如工作站机群上的p4通信库、曙光1000上的NX库、曙光3000上的BCL通信库等。

　　MPICH的1.0.12版本以下都采用第一代ADI接口的实现方法，利用底层device提供的通信原语和有关服务函数实现所有的ADI接口，可以直接实现，也可以依靠一定的模板间接实现。自1.0.13版本开始，MPICH采用第二代ADI接口。

　　我们将MPICH移植到曙光3000高效通信库BCL(Basic Communication Library)上(简称MPI_BCL)。MPI_BCL的接口标准与MPICH版本1.1完全一致，满足MPI1.1标准。同时，也支持ch_p4的通信库，即利用TCP/IP通信机制。从网络硬件角度说，MPI_BCL针对系统网络，MPI_ch_p4针对高速以太网。

1.MPI的程序设计

　　MPI1.1标准基于静态加载，即所有进程在加载完以后就全部确定，直至整个程序结束才终止，在程序运行期间没有进程的创建和结束。一个MPI程序的所有进程形成一个缺省的组，这个组被MPI预先规定的Communicator MPI_COMM_WORLD所确定。

　　MPI环境的初始化和结束流程如下：在调用MPI例程之前，各个进程都应该执行MPI_INIT，接着调用MPI_COMM_SIZE获取缺省组(group)的大小，调用MPI_COMM_RANK获取调用进程在缺省组中的逻辑编号（从0开始）。然后，进程可以根据需要，向其它节点发送消息或接收其它节点的消息，经常调用的函数是MPI_SEND和MPI_RECV。最后，当不需要调用任何MPI例程后，调用MPI_FINALIZE消除MPI环境，进程此时可以结束，也可以继续执行与MPI无关的语句。

　　上面提到的六个函数：MPI_INIT，MPI_COMM_SIZE，MPI_COMM_RANK，MPI_SEND，MPI_RECV，MPI_FINALIZE 实际上构成了编写一个完整的MPI程序所需例程的最小集。

2.MPI的几个重要特征

　　下面分别介绍MPI的几个重要特征：Communicator（通信空间）、Group（进程组）、Context_id（上下文标识）、Data Types（数据类型）。
MPI提供Communicator来指定通信操作的上下文，提供了通信操作的执行空间。在某个通信空间（或上下文）中发送的消息必须在相同的空间中接收，不同空间中的消息互不干扰。定义一个Communicator，也就指定了一组共享该空间的进程，这些进程组成了该Communicator的Group。

　　Communicator通过其特征属性Context_id来区分，同一个进程不同的Communicator有不同的Context_id。因此Context_id是另一个区分消息的标志。

　　MPI引入消息的Data Type属性的目的有两个：一是支持异构系统计算；二是允许消息来自不连续的或类型不一致的存储区，例如，可以传送数组的一列，或传送一个结构值，而该结构的每个元素的类型不同。Data Types定义了消息中不连续的数据项及其可能不同的数据类型。Data Type由应用程序在执行时通过基本的数据类型创建。

3.消息

　　一个消息相当于一封信，消息内容相当于信本身，消息的接收者相当于信封上的内容。因此通常将前者称为消息的buffer, 后者称为消息的envelop。

　　buffer: message address, count, datatype;
　　envelop: process id, message tag,communicator

　　在MPI以前的大多数通信系统中，消息buffer通常仅由buffer的地址和长度决定（例如曙光1000上的NX通信系统），那么在MPI的消息格式中为什么要引入Data Type呢？这有两个主要原因：

　　支持异构计算：不同系统有不同的数据表示。解决这一问题的方法是预先定义一些基本数据类型，MPI实现过程中对这些类型进行转换，例如转换为XDR格式，接收时进行反转。

　　派生的数据类型（Derived Data Types）：允许消息来自于不连续的和类型不一致的存储区域。

4.MPI应用程序的编译

Include文件

　　C语言应用程序应有
　　　　#include "mpi.h"
　　若使用cc编译，命令行应有：
　　　　-I/cluster/mpi/net/include (net版)
　　　　-I/cluster/bcl/include -I/cluster/rms/include -I/cluster/sdr/include -I/cluster/mpi/mesh/include (mesh版)

　　Fortran语言应用程序应有
　　　include 'mpif.h'
　　若使用f77编译, 命令行应有：
　　　　-I/cluster/mpi/net/include (net版)
　　　　-I/cluster/bcl/include -I/cluster/rms/include -I/cluster/sdr/include -I/cluster/mpi/mesh/include (mesh版)

MPI库文件

C语言
　　C语言程序编译时需作下述链接：
　　　　-L/cluster/mpi/net/lib -lmpi -lbsd (net版)
　　　　-L/cluster/mpi/mesh/lib -L/cluster/bcl/lib -L/cluster/rms/lib -L/cluster/sdr/lib -lmpi -lbcl -lrms -lsdr (mesh版)
　　数学函数库还应链接： -lm

Fortran语言
　　Fortran编译时应作下述链接：
　　　　-L/cluster/mpi/net/lib -lmpi -lbsd (net版)
　　　　-L/cluster/mpi/mesh/lib -L/cluster/bcl/lib -L/cluster/rms/lib -L/cluster/sdr/lib -lmpi -lbcl -lrms -lsdr (mesh版)

mpif77和mpicc

　　MPI提供了两个工具(mpif77和mpicc)来简化MPI应用程序的编译。用户可以直接地使用命令行方式mpicc或mpif77来编译C或Fortran程序，编译方式与cc和f77完全一致。如：
　　　　mpif77 -c foo.f
　　　　mpicc -c foo.c
　　　　mpif77 -o foo foo.o
　　　　mpicc -o foo foo.o
　　有时链接时需一些特殊库, 应在链接时注明。使用mpicc和mpif77省略了有关MPI的路径设置。

5.MPI应用程序的运行

　　应用程序编译好后，使用mpirun命令运行MPI应用程序。mpirun命令完整的格式如下：
　　　　mpirun [-h|-?|-help] [-sz size|-sz hXw] [-np nprocs] [-pl poolname] 
　　各个选项的值由用户从命令行中显示地指定，选项的含义如下： 
　　-h
　　-?
　　-help：显示帮助信息。

　　-sz 
　　指定物理节点的数目。有两种指定形式，一是直接指定size值，另一种是指定物理节点的矩形域的长和宽。size值和h*w的值如果超过所在pool的节点数，sz项的值取pool的节点数，h*w值取整个pool。两者的缺省值分别为所在pool的节点数和整个pool。

　　-np 
　　用户期望运行的进程数。进程数与实际申请的物理节点数没有任何联系，因为允许一个节点上运行同一个应用的多个进程。如果未指定，取实际sz项的值。

　　-pl poolname
　　应用程序执行的pool。应用程序的每次执行能且只能在一个pool中执行。缺省值为系统为用户设置的缺省的pool名（每个用户在创建时已自行指定或系统分配了一个缺省的pool）。

　　在运行选项后，是用户的程序名。该可执行文件必须在所指定的或缺省的pool中的所有节点上能找到，并且与启动节点上的路径一致。用户程序名后的一切字符串都视为其参数（不包括被shell解释的重定向等，对shell解释的一些特殊字符，如需作为参数，应作相应的转换）。因此运行选项与用户程序名有先后的顺序，先运行选项，后用户程序名和参数。