oneAPI GPU 优化指南 - 更好地使用 OpenMP 构造

本章节翻译by chenchensmail@163.com  原文：Making Better Use of OpenMP Constructs (intel.com)

使用 nowait 减少同步

如果适当，可以在 target 构造上使用 nowait 子句来减少同步。

默认情况下，在 target 区域的末尾有一个隐式 barrier ，该 barrier 确保遇到 target 构造的主机线程在 target 区域完成之前不能继续。

在 target 构造上添加 nowait 子句可以消除这个隐式 barrier ，因此即使 target 区域尚未完成， 遇到 target 构造的主机线程也可以继续。这允许 target 区域在设备上异步执行， 而无需主机线程空闲等待 target 区域完成。

考虑以下示例，其中在一个 parallel 区域（第 48 行）中计算两个向量 v1 和 v2 的乘积。 一半的计算在主机上由执行 parallel 区域的线程完成。设备上进行另一半的计算。 主线程启动一个 target 区域来在设备上进行计算。

默认情况下，主线程必须等待 target 区域完成后才能继续并参与主机上的计算（工作共享循环）。

 1/*
 2 * This test is taken from OpenMP API 5.0.1 Examples (June 2020)
 3 * https://www.openmp.org/wp-content/uploads/openmp-examples-5-0-1.pdf
 4 * (4.13.2 nowait Clause on target Construct)
 5 */
 6
 7
 8#include <stdio.h>
 9#include <stdlib.h>
10#include <time.h>
11#include <omp.h>
12
13#define N 100000 // N must be even
14
15void init(int n, float *v1, float *v2) {
16  int i;
17
18  for(i=0; i<n; i++){
19    v1[i] = i * 0.25;
20    v2[i] = i - 1.25;
21  }
22}
23
24int main() {
25  int i, n=N;
26  float v1[N],v2[N],vxv[N];
27  double start,end; // timers
28
29  init(n, v1, v2);
30
31  /* Dummy parallel and target regions, so as not to measure startup
32     time. */
33  #pragma omp parallel
34  {
35     #pragma omp master
36     #pragma omp target
37       {;}
38  }
39
40  start=omp_get_wtime();
41
42  #pragma omp parallel
43  {
44     #pragma omp master
45     #pragma omp target teams distribute parallel for        \
46       map(to: v1[0:n/2])                                    \
47       map(to: v2[0:n/2])                                    \
48       map(from: vxv[0:n/2])
49     for(i=0; i<n/2; i++){
50       vxv[i] = v1[i]*v2[i];
51     }
52     /* Master thread will wait for target region to be completed
53        before proceeding beyond this point. */
54
55     #pragma omp for
56     for(i=n/2; i<n; i++) {
57       vxv[i] = v1[i]*v2[i];
58     }
59     /* Implicit barrier at end of worksharing for. */
60  }
61
62  end=omp_get_wtime();
63
64  printf("vxv[0]=%f, vxv[n-1]=%f, time=%lf\n", vxv[0], vxv[n-1], end-start);
65  return 0;
66}

编译命令:

icpx -fiopenmp -fopenmp-targets=spir64 test_target_no_nowait.cpp

运行命令:

OMP_TARGET_OFFLOAD=MANDATORY ZE_AFFINITY_MASK=0.0 LIBOMPTARGET_DEBUG=1 ./a.out

如果在 target 构造上指定了 nowait 子句，那么性能可能会得到提高， 因为这样主线程就不必等待 target 区域完成，可以继续处理工作共享循环。 通过工作共享循环末尾的隐式 barrier 保证了 target 区域的完成。

 1/*
 2 * This test is taken from OpenMP API 5.0.1 Examples (June 2020)
 3 * https://www.openmp.org/wp-content/uploads/openmp-examples-5-0-1.pdf
 4 * (4.13.2 nowait Clause on target Construct)
 5 */
 6
 7
 8#include <stdio.h>
 9#include <stdlib.h>
10#include <time.h>
11#include <omp.h>
12
13#define N 100000 // N must be even
14
15void init(int n, float *v1, float *v2) {
16  int i;
17
18  for(i=0; i<n; i++){
19    v1[i] = i * 0.25;
20    v2[i] = i - 1.25;
21  }
22}
23
24int main() {
25  int i, n=N;
26  float v1[N],v2[N],vxv[N];
27  double start,end; // timers
28
29  init(n, v1,v2);
30
31  /* Dummy parallel and target (nowait) regions, so as not to measure
32     startup time. */
33  #pragma omp parallel
34  {
35     #pragma omp master
36     #pragma omp target nowait
37       {;}
38  }
39
40  start=omp_get_wtime();
41
42  #pragma omp parallel
43  {
44     #pragma omp master
45     #pragma omp target teams distribute parallel for nowait \
46       map(to: v1[0:n/2])                                    \
47       map(to: v2[0:n/2])                                    \
48       map(from: vxv[0:n/2])
49     for(i=0; i<n/2; i++){
50       vxv[i] = v1[i]*v2[i];
51     }
52
53     #pragma omp for
54     for(i=n/2; i<n; i++) {
55       vxv[i] = v1[i]*v2[i];
56     }
57     /* Implicit barrier at end of worksharing for. Target region is
58        guaranteed to be completed by this point. */
59  }
60
61  end=omp_get_wtime();
62
63  printf("vxv[1]=%f, vxv[n-1]=%f, time=%lf\n", vxv[1], vxv[n-1], end-start);
64  return 0;
65}

对于两个版本，在我们实验室的一台机器上运行时的性能如下:

no nowait 版本        : 0.008220 秒
nowait on target 版本 : 0.002110 秒

Fortran

上面显示的相同的 nowait 示例可以用 Fortran 编写如下。

 1      !
 2      ! This test is from OpenMP API 5.0.1 Examples (June 2020)
 3      ! https://www.openmp.org/wp-content/uploads/openmp-examples-5-0-1.pdf
 4      !(4.13.2 nowait Clause on target Construct)
 5      !
 6
 7      subroutine init(n, v1, v2)
 8      integer :: i, n
 9      real :: v1(n), v2(n)
10
11      do i = 1, n
12         v1(i) = i * 0.25
13         v2(i) = i - 1.25
14      end do
15      end subroutine init
16
17      program test_target_nowait
18      use omp_lib
19      use iso_fortran_env
20      implicit none
21
22      integer, parameter :: NUM=100000 ! NUM must be even
23      real :: v1(NUM), v2(NUM), vxv(NUM)
24      integer :: n, i
25      real(kind=REAL64) :: start, end
26
27      n = NUM
28      call init(n, v1, v2)
29
30      ! Dummy parallel and target (nowait) regions, so as not to measure
31      ! startup time.
32      !$omp parallel
33        !$omp master
34          !$omp target nowait
35          !$omp end target
36        !$omp end master
37      !$omp end parallel
38
39      start=omp_get_wtime()
40
41      !$omp parallel
42
43        !$omp master
44          !$omp target teams distribute parallel do nowait &
45          !$omp& map(to: v1(1:n/2)) &
46          !$omp& map(to: v2(1:n/2)) &
47          !$omp& map(from: vxv(1:n/2))
48          do i = 1, n/2
49             vxv(i) = v1(i)*v2(i)
50          end do
51        !$omp end master
52
53        !$omp do
54        do i = n/2+1, n
55           vxv(i) = v1(i)*v2(i)
56        end do
57
58      !$omp end parallel
59
60      end=omp_get_wtime()
61
62      write(*,110) "vxv(1)=", vxv(1), ", vxv(n-1)=", vxv(n-1), ", time=", end-start
63110   format (A, F10.6, A, F17.6, A, F10.6)
64
65      end program test_target_nowait

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