高性能计算之MPI：第一次MPI并行程序设计练习

第一次MPI并行程序设计练习

第一题：定积分计算

题目要求：

设计MPI并行程序，计算定积分： f 0 10 x d x f_{0}^{10}\sqrt{x}dx f010​x ​dx。

解题思路：

这题非常简单，首先我们设定有 n 个进程分任务并行完成这个计算需求。每个进程要计算 m 个小曲边梯形的面积。然后规定除了 0 进程以外的进程把计算的结果发给 0 进程，然后再由 0 进程统一把计算的部分结果加起来就是整个定积分的值了！

怎么计算曲边梯形的面积呢？稍微啰嗦一下下，假设当前进程的秩是 rank，那么这个进程处理的区间的左边界一定是：rank * m，然后在该进程下，每次计算的曲边梯形的高 h = f((rank * m + k) * w + w / 2)，这个f(x)也就是被积函数！这个 w 也就是每个进程处理的区间的每个小曲边梯形的步长，也就是人家的底边。每次我们计算小曲边梯形的底边中点对应的高，就是 h了！然后累积它们即可！

解题代码：

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

double f(double x) {
	return sqrt(x);// f(x) = sqrt(x)
}

int main(int argc, char** argv) {
	int rank, size;
	double s = 0.0, t = 10.0;
	MPI_Init(&argc, &argv);
	MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
	MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
	int pro_num = size;
	int per_num = 10000, k;
	double w = (t - s) / (1.0 * pro_num * per_num);
	double part_num = 0.0, x;
	for (k = 0; k < per_num; ++k) {
		x = s + (1.0 * rank * per_num + k) * w + w / 2.0;
		part_num += f(x) * w;
	}
	if (0 != rank) {
		MPI_Send(&part_num, 1, MPI_DOUBLE, 0, rank, MPI_COMM_WORLD);
	}
	else {
		int j = 0;
		double result = part_num;
		double temp_res;
		for (j = 1; j < size; ++j) {
			MPI_Recv(&temp_res, 1, MPI_DOUBLE, j, j, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUSES_IGNORE);
			result += temp_res;
		}
		printf("The result is : %.3lf\n", result);
	}
	MPI_Finalize();
	return 0;
}

解题结果：

解题感悟：

这题还是比较easy的，相比课题上那不是人的seidel迭代、超松弛迭代……这个还算非常友好！

不过需要注意的是，这个Linux里头啊，编译带有 math.h 的数学库，需要在后面加一个参数 -lm 来告知编译器你用了 math 库！

第二题：计算圆周率PI（定积分拓展）

题目要求：

想办法计算圆周率PI，要用MPI并行程序设计！

解题思路：

已知 PI = arctan(1) * 4，于是有下列计算PI的公式：

π = 4 ∗ f 0 1 1 1 + x 2 d x \pi = 4 * f_{0}^{1}\frac{1}{1 + x^2}dx π=4∗f01​1+x21​dx

这样就和上面第一题完全一样的啦，就不多解释了，直接上代码吧！

解题代码：

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

double f(double x) {
	// f(x) = 1/(1 + x^2)
	return (1.0 / (1 + x * x));
}

int main(int argc, char** argv) {
	int rank, size;
	double s = 0.0, t = 1.0;
	MPI_Init(&argc, &argv);
	MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
	MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
	int pro_num = size;
	int per_num = 100000, k;
	double w = (t - s) / (1.0 * pro_num * per_num);
	double part_num = 0.0, x;
	for (k = 0; k < per_num; ++k) {
		x = s + (1.0 * rank * per_num + k) * w + w / 2.0;
		part_num += f(x) * w;
	}
	if (0 != rank) {
		MPI_Send(&part_num, 1, MPI_DOUBLE, 0, rank, MPI_COMM_WORLD);
	}
	else {
		int j = 0;
		double result = part_num;
		double temp_res;
		for (j = 1; j < size; ++j) {
			MPI_Recv(&temp_res, 1, MPI_DOUBLE, j, j, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUSES_IGNORE);
			result += temp_res;
		}
		result *= 4;
		printf("The result is : %.3lf\n", result);
	}
	MPI_Finalize();
	return 0;
}

解题结果：

解题感悟：

本题的做法理应非常多！
还可以去做级数，因为PI = cos(-1) = ……（级数的表示）
所以还可以分任务，并行计算这个级数，然后近似得到结果！

第三题：环形乒乓球

题目要求：

乒乓球是一项双人运动，要求是A发球，随后B接球……如此循环往复！

要求利用MPI并行程序设计，得到两个计算节点（或者是同一计算节点下的两个进程），并行完成接球与发球，做到两个进程双方来回打乒乓球！一定要是A发完球B才能接球，B发球时A同理！

解题思路：

两方发球接球倒是很简单的事情，只需要两个进程并行完成消息传递即可！

但是后面的要求是要A完成发球B才能接球，由于程序的运行、内存的分配在不同的两个进程中是相互独立的！所以可能出现A一直调度而B比较慢，又无法抢占调度！

出现A连续发球好几次B才接到球这样的情况，所以我们用Sleep()的方式处理，要求A在发球后立刻进入阻塞队列，好让B有机会调度，等到B发球的时候同理！

解题代码：

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char** argv)
{
	MPI_Init(NULL, NULL);
	int world_size;
	MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &world_size);
	int world_rank;
	MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &world_rank);
	if(2 != world_size)
	{
		fprintf(stderr, "error: must have two process in %s \n", argv[0]);
		MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1);
	}
	int LIMIT = 10, count = 0, tag1 = 0, tag2 = 0;
	while(count < LIMIT)
	{
		if(tag1 == tag2)
                        MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
		if(world_rank == 1)
		{
			MPI_Recv(&count, 1, MPI_INT, 0, tag2, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
			tag2++;
			printf("1 process received %d from 0 process\n", count);
			sleep(1);
			count++;
			MPI_Send(&count, 1, MPI_INT, 0, tag2, MPI_COMM_WORLD);
		}
		else
		{
			count++;
			MPI_Send(&count, 1, MPI_INT, 1, tag1, MPI_COMM_WORLD);
			tag1++;
			MPI_Recv(&count, 1, MPI_INT, 1, tag1, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
			printf("0 process received %d from 1 process\n", count);
			sleep(1);
		}
	}
	MPI_Finalize();
	return 0;
}

解题结果：

这里我们就可以看到，我们做到了每一轮收到的一方都是上一轮发球的一方！

解题感悟：

自认为这题我做的很糟糕！！！！

因为我采用这种强行阻断进程，强行让进程进入阻塞队列的Sleep()函数，导致了效率非常底下！！！！

希望各位前辈大佬带带刚刚入门高性能计算的小弟，教教我有无高效的做法完成这种来回进程调度！！！！

标签：num,并行程序,rank,MPI,int,高性能,COMM,WORLD
来源： https://blog.51cto.com/u_15262702/2883290