基于C++实现多核平台下的并行计算课程实验

多核平台下的并行计算课程实验报告

1.填写下表，给出所使用的软硬件环境参数

操作系统版本	Ubuntu 16.04
并行编程模型	MPICH-3.2
编译器版本	gcc 5.4.0
CPU 型号、主频及核数	Intel(R) Core(TM) i5-4200H CPU @ 2.80GHz
内存型号，大小及主频	FPM EDO DIMM SDRAM；1024

2.综合题目 1 和题目 2，在提交的报告中需要给出至少四个如下表 格记录计算时间和加速比：（也可以自己设计图表描述不同线程数 时程序的运行时间及加速比）

3000X3000 (使用常数 d）

线程数目	运行时间（秒）	加速比
1	334.08	461.95/334.08=1.382
2	269.34	461.95/269.34=1.715
4	223.69	461.95/223.69=2.065
8	309.13	461.95/309.13=1.494
16	652.20	461.95/652.20=0.708
……	……	……

3000X3000 使用(（i-k）2和（j-k）2）

线程数目	运行时间（秒）	加速比
1	303.99	360.81/303.99=1.187
2	289.15	360.81/289.15=1.248
4	268.84	360.81/268.84=1.342
8	380.04	360.81/380.04=0.949
16	778.66	360.81/778.66=0.463
……	……	……

5000X5000(使用常数 d）

线程数目	运行时间（秒）	加速比
1	1818.32	1947.51/1818.32=1.071
2	3685.13	1947.51/3685.13=0.529
4	3291.24	1947.51/3291.24=0.592
8	7441.92	1947.51/7441.92=0.262
16	时间太长，死机	根据规律，低于0.262
……	……	……

5000X5000使用（i-k）2和（j-k）2）

线程数目	运行时间（秒）	加速比
1	1778.46	4991.53/1778.46=2.807
2	3791.12	4991.53/3791.12=1.317
4	3323.69	4991.53/3323.69=1.502
8	8241.85	4991.53/8241.85=0.606
16	时间太长	根据规律，低于0.606
……	……	……

3.并行算法设计和优化思路

算法设计过程

1.首先写出串行实现的代码

基本是十分简单的逐行计算

int one(int i,int j,int **M,int S[26][26],char *X,char *Y);

计算M(i-1,j-1)+S(Xi,Yj)

int two(int i,int j,int **M,int d);

计算M(k,j)+d

int three(int i,int j,int **M,int d);

计算M(i,k)+d

int max(int i,int j,int **M,int S[26][26],int d,char *X,char *Y);

计算 M(i,j)

随后逐行逐列计算M(i,j)

2.改成并行

算法思路：由于矩阵中每一个数都依赖于它左、右和斜上方的值，斜向行列之间的关联却不强，由此可以设计出一个算法。

将矩阵M分成适当的小块，当第（0，0）块计算完成时，第（1，0），（0，1）块就变得可以计算，这两块结束后，（2，0），（1，1），（0，2）变得可以计算。

将这个思路延续下去，我们利用多开的核来计算斜方向上互不相干的数据块，再利用MPI的消息传递汇拢至0号进程，循环往复，最终实现程序的并行。

3.Block类

用c语言写的代码不能创建class 将文件改为c++语言即可使用class类

同时发现mpicc不能编译c++  则将makefile中编译指令改为mpicxx

Block类中有参数int row_begin，row_end，col_begin，col_end分别代表所分成小块的行数起止和列数起止，int block代表用一维数组存放的数据块，int calculate（）方法用来计算数据。

4.计算过程

a.算第一小块(0,0),每个进程都具有的第一步

b.计算左上分块，即斜对角线以上的所有块。利用循环，每次调用几个进程计算一条斜线列，将结果返回到0进程，并由0号进程将数据安放至M内

c.计算右下分块，即斜对角线以下的所有块，循环同b

例：

block_x=block_line-rank;
block_y=rank;
local_block=blocks[block_x][block_y];

上述三行代码是过程b中用于确定分块位置与进程关系的，即本进程应该被分配到哪一块数据块。

d.分块为正方形，可能矩阵M中会有没有分成块的剩余行列，由进程0在最后单独计算，完成矩阵M。

5.获取命令行参数dimension 和M 的行号 row_number

条件：int main (int argc, char **argv)中 argv储存了命令行输入的参数，argv[0]是./main命令本身，argv[1]为dimension，argv[2]为row_number

Atoi（）用于将字符串转为整型数

1.获取dimension

dimension=atoi(argv[1]);  
dimensionx=dimension+1; //实际的矩阵比输入的行列大一圈

2.获取row_number

row_number=atoi(argv[2]);

6.消息传递

MPI_Bcast(M_storage,LX*LY,MPI_INT,0,MPI_COMM_WORLD);

用于将0号进程内的M矩阵散播给各个进程，更新它们的数据

MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);

每个进程运行到此处都会停下，直到所有进程都调用到了这个方法，用于同步进程。

点对点通信

if(rank!=0){
    MPI_Send(&row_begin,1,MPI_INT,0,1,MPI_COMM_WORLD);
    MPI_Send(&col_begin,1,MPI_INT,0,2,MPI_COMM_WORLD);
    MPI_Send(bloc,length*length,MPI_INT,0,3,MPI_COMM_WORLD); 
}

除0号之外的进程将本身计算完毕的数据块发送给0

for(int c=1;c<=block_line;c++){
    MPI_Recv(&row_begin,1,MPI_INT,c,1,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);  
    MPI_Recv(&col_begin,1,MPI_INT,c,2,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE); 
    MPI_Recv(bloc,length*length,MPI_INT,c,3,MPI_COMM_WORLD,MPI_STATUS_IGNORE);
}

0号进程接收每一个进程的数据并放入M内

测试时间

单独创建time.cc，用于测试main.cc的运行速度0

使用MPI_Wtime()方法记录时间，并调用system（）运行待测试程序

例：./time 3 main 200 7

./time是测试时间的程序，3是运行的核数，main为并行计算程序，200是维度数dimension，7为希望输出的行数row_number 将会输出程序运行时间

优化

1.代码中

由于类Block中int* calculate（）方法内计算数据块时已经随时更新了矩阵M中的数值，所以在进程0中就不必将自己bloc块中的数字复制到M上去了，只需要接收从其他进程传来的bloc数组，将他们的数据放进M里

2.算法上

广播矩阵M

由于M是个二维数组，每一行的地址是不连续的，所以没办法用一个MPI_Bcast()就广播出去。

int* M_storage=new int[dimensionx*dimensionx];
int** M=(int**)malloc(sizeof(int*)*dimensionx);  
for(i=0;i<dimensionx;i++)  
	M[i]=&M_storage[i*dimensionx];

如上，指定一个一维数组M_storage,一个二维数组M，将二者的地址联系起来，如此M的行与行之间就连续了。

M_storage专门用来广播，M用来作二维数组调用

3.编译时

-O2     提供更加高级的代码优化,会占用更长的编译时间

在Makefile的编译语句中加入-O2，注意O为大写

经测试，的确提升了程序运行速度

说明

并行计算

在“源程序“文件夹中有”题目1并行版本“，”题目1串行版本“，”题目2并行版本“，”题目2串行版本“等文件夹

每个文件夹中都有相应的源程序代码和 Makefile,ReadMe等，里面有单独的执行命令

执行命令在此总览如下

main为计算程序

time为测试运行时间程序

使用make命令编译

以下为命令行指令

并行

mpirun -np 核数 ./main dimension row_number

例：  mpirun -np 3 ./main 7 5

意为：用3个核进行计算，执行main程序，维度为7,输出第5行的结果

检测并行计算时间

./time 核数 main dimension row_number

例：  ./time 3 main 200 7

意为：用3个核进行计算，执行main程序，维度为200,输出第7行的结果，并输出程序运行时间

串行

./mainchuanxing dimension row_number

例：  ./mainchuanxing 200 7

意为：执行main程序，维度为200,输出第7行的结果

检测串行时间

./timechuanxing mainchuanxing dimension row_number

例：  ./timechuanxing mainchuanxing 200 7

意为：执行main程序，维度为200,输出第7行的结果，并输出程序运行时间