MPI基础教程：深入理解MPI_Send和MPI_Recv通信机制-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00017/article/details/148888738

MPI基础教程：深入理解MPI_Send和MPI_Recv通信机制

mpitutorial 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/mpi/mpitutorial

前言

在并行计算领域，MPI（Message Passing Interface）是最重要的通信标准之一。本文将基于wesleykendall/mpitutorial项目，深入讲解MPI中最基础也是最重要的两个函数：MPI_Send和MPI_Recv。这两个函数构成了MPI通信的基石，理解它们的工作原理对于掌握MPI编程至关重要。

MPI通信基础概念

MPI的发送和接收操作遵循以下基本流程：

发送方准备数据：进程A确定需要向进程B发送消息后，会将所有必要数据打包到一个缓冲区中。这个缓冲区可以类比为"信封"，数据被封装成单一消息准备传输。
消息路由：通信设备（通常是网络）负责将消息路由到正确的位置。消息的目的地由进程的rank（排名）唯一确定。
接收方确认：即使消息已经路由到进程B，进程B仍需明确表示它愿意接收来自A的数据。只有完成这一确认，数据传输才算真正完成。
消息标签：当进程A需要向B发送多种不同类型的消息时，MPI允许使用标签（tag）来区分这些消息。接收方可以指定只接收特定标签的消息。

MPI_Send和MPI_Recv函数详解

让我们仔细分析这两个核心函数的原型：

MPI_Send(
    void* data,             // 发送数据缓冲区的指针
    int count,              // 发送数据的数量
    MPI_Datatype datatype,  // 发送数据的类型
    int destination,        // 目标进程的rank
    int tag,                // 消息标签
    MPI_Comm communicator)  // 通信域

MPI_Recv(
    void* data,             // 接收数据缓冲区的指针
    int count,              // 接收数据的最大数量
    MPI_Datatype datatype,  // 接收数据的类型
    int source,             // 源进程的rank
    int tag,                // 消息标签
    MPI_Comm communicator,  // 通信域
    MPI_Status* status)     // 接收状态信息

参数说明

数据缓冲区：发送或接收数据的起始地址
数据数量：MPI_Send发送确切的元素数量，而MPI_Recv最多接收指定数量的元素
数据类型：MPI定义了一系列数据类型对应C语言的基本类型
进程rank：指定发送目标或接收来源
消息标签：用于区分不同类型的消息
通信域：通常使用MPI_COMM_WORLD
状态信息（仅MPI_Recv）：提供接收操作的详细信息

MPI基本数据类型对照表

MPI定义了一系列数据类型与C语言基本类型对应：

| MPI数据类型 | C语言等效类型 | |-------------------|---------------------| | MPI_SHORT | short int | | MPI_INT | int | | MPI_LONG | long int | | MPI_LONG_LONG | long long int | | MPI_FLOAT | float | | MPI_DOUBLE | double | | MPI_LONG_DOUBLE | long double | | MPI_BYTE | char | | ... | ... |

实例解析

基础通信示例

让我们看一个最简单的MPI通信示例：

int world_rank;
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &world_rank);

int number;
if (world_rank == 0) {
    number = -1;
    MPI_Send(&number, 1, MPI_INT, 1, 0, MPI_COMM_WORLD);
} else if (world_rank == 1) {
    MPI_Recv(&number, 1, MPI_INT, 0, 0, MPI_COMM_WORLD,
             MPI_STATUS_IGNORE);
    printf("Process 1 received number %d from process 0\n", number);
}

这个例子展示了：

进程0发送一个整数-1给进程1
进程1接收这个整数并打印
使用MPI_INT指定数据类型
使用标签0标识消息

乒乓通信示例

更复杂一点的例子是"乒乓"通信模式：

int ping_pong_count = 0;
int partner_rank = (world_rank + 1) % 2;
while (ping_pong_count < PING_PONG_LIMIT) {
    if (world_rank == ping_pong_count % 2) {
        ping_pong_count++;
        MPI_Send(&ping_pong_count, 1, MPI_INT, partner_rank, 0,
                 MPI_COMM_WORLD);
    } else {
        MPI_Recv(&ping_pong_count, 1, MPI_INT, partner_rank, 0,
                 MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
    }
}

这个模式的特点：

两个进程轮流发送和接收
每次发送前递增计数器
通过计数器奇偶性决定当前是发送还是接收

环形通信示例

最后看一个环形通信的例子，消息在所有进程中依次传递：

int token;
if (world_rank != 0) {
    MPI_Recv(&token, 1, MPI_INT, world_rank - 1, 0,
             MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
} else {
    token = -1;
}
MPI_Send(&token, 1, MPI_INT, (world_rank + 1) % world_size,
         0, MPI_COMM_WORLD);

if (world_rank == 0) {
    MPI_Recv(&token, 1, MPI_INT, world_size - 1, 0,
             MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
}

环形通信的特点：