【MPI学习3】MPI并行程序设计模式：不同通信模式MPI并行程序的设计

学习了MPI四种通信模式 及其函数用法：

（1）标准通信模式：MPI_SEND

（2）缓存通信模式：MPI_BSEND

（3）同步通信模式：MPI_SSEND

（4）就绪通信模式：MPI_RSEND

四种通信模式的区别都在消息发送端，而消息接收端的操作都是MPI_RECV。

1.标准通信模式

原理图如下



标准通信模式由MPI决定是否用缓存。

如果MPI决定缓存将要发出的数据：发送操作不管接受操作是否执行，都可以进行；而且缓存结束后发送操作就可以返回，不需要等待接受操作收到数据

如果MPI决定不缓存将要发送的数据：对于阻塞通信，则要求接受操作执行，并且数据都发送到接受缓冲区了，发送操作才能够返回；对于非阻塞通信，发送操作虽然没有完成，但是发送调用可以正确返回。

2.缓存通信模式

与标准通信的区别在于需要自己维护程序的缓冲区。

int MPI_Buffer_attach(void *buffer, int size)用于申请缓存

int MPI_Buffer_detach(void **buffer, int *size) 用于释放缓存 这是一个阻塞调用 函数返回表示缓冲区已经被释放

示例代码如下：

#include "mpi.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define SIZE 6
static int src = 0;
static int dest = 1;

void generate_data(double *, int);
void normal_recv(double *, int);
void buffered_send(double *, int);

void generate_data(double *buffer, int buff_size){
int i;
for (i=0; i<buff_size; i++) buffer[i]=(double)i+1;
}

void normal_recv(double *buffer, int buff_size){
int i,j;
MPI_Status status;
double *b;

b = buffer;

MPI_Recv(b,(buff_size-1),MPI_DOUBLE,src,2000,MPI_COMM_WORLD, &status);
fprintf(stderr, "standard receive a message of %d data\n", buff_size-1);
for(j=0; j<buff_size-1; j++) fprintf(stderr, "buf[%d]=%f\n",j,b[j]);

b+=buff_size-1;
MPI_Recv(b, 1, MPI_DOUBLE, src, 2000, MPI_COMM_WORLD, &status);
fprintf(stderr, "standard receive a message of one data\n");
fprintf(stderr, "buf[0]=%f\n",*b);
}

void buffered_send(double *buffer, int buff_size){
int i,j;
void *bbuffer;
int size;

fprintf(stderr, "buffered send message of %d data\n", buff_size-1);
for(j=0; j<buff_size-1; j++) fprintf(stderr, "buf[%d]=%f\n",j,buffer[j]);
MPI_Bsend(buffer, (buff_size-1), MPI_DOUBLE, dest, 2000, MPI_COMM_WORLD);

buffer+=buff_size-1;
fprintf(stderr, "bufferred send message of one data\n");
fprintf(stderr, "buf[0]=%f\n", *buffer);
MPI_Bsend(buffer, 1, MPI_DOUBLE, dest, 2000, MPI_COMM_WORLD);

MPI_Buffer_detach(&buffer, &size);
MPI_Buffer_attach(bbuffer, size);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
int rank;
double buffer[SIZE], *tmpbuffer, *tmpbuf;
int tsize, bsize;
char *test = NULL;

MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);

if (rank==src) { // 发送消息进程
generate_data(buffer, SIZE);
MPI_Pack_size(SIZE, MPI_DOUBLE, MPI_COMM_WORLD, &bsize);
tmpbuffer = (double*)malloc(bsize+2*MPI_BSEND_OVERHEAD);
if (!tmpbuffer) {
MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1);
}
// 告诉系统MPI_Bsend用到buffer就去tmpbuffer那里去找
MPI_Buffer_attach(tmpbuffer, bsize+2*MPI_BSEND_OVERHEAD);
buffered_send(buffer, SIZE);
MPI_Buffer_detach(&tmpbuf, &tsize);
printf("tsize detach from tmpbuf is : %d\n", tsize);
}
else if (rank==dest) {
normal_recv(buffer, SIZE);
}
else {
MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1);
}
MPI_Finalize();
}

代码输出结果是：



总共需要发送5个double类型，每个类型占8个字节；MPI通信其他附属信息占200个字节；因此总共缓冲区的大小的240个字节。

3.同步通信模式

同步发送进程的特点是：发送操作可以不依赖接受进程的相应接受操作是否已经启动，但是必须等着接受操作开始执行后才能返回；这意味着一旦同步发送返回后，发送缓冲区中的数据已经全部被系统缓冲区缓存。“发送缓冲区”表示MPI的缓冲区，“系统缓冲区”指的是操作系统的写缓冲区，注意二者的区别。这意味着同步发送缓冲区中的数据可以被释放或重新利用。而标准通信模式（或缓存通信模式）中，在用缓存的模式下，发送操作返回仅仅意味着数据都已经到发送缓冲区中了，数据是否到系统缓冲区不得知。

示例代码如下：

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

#define SIZE 10

static int src = 0;
static int dest = 1;

int main(int argc, char *argv[])
{
int rank;
int act_size = 0;
int flag, np, rval, i;
int buffer[SIZE];
MPI_Status status, status1, status2;
int count1, count2;
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &np);

if (np!=2) {
MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1);
}
act_size = 5; /*最大消息长度*/
if (rank==src) {
MPI_Ssend(buffer, act_size, MPI_INT, dest, 1, MPI_COMM_WORLD);
fprintf(stderr, "MPI_Ssend %d data,tag=1\n", act_size);
act_size = 4;
MPI_Ssend(buffer, act_size, MPI_INT, dest, 2, MPI_COMM_WORLD);
fprintf(stderr, "MPI_Ssend %d data,tag=2\n", act_size);
}
else if (rank=dest) {
MPI_Recv(buffer, act_size, MPI_INT, src, 1, MPI_COMM_WORLD, &status1);
MPI_Recv(buffer, act_size, MPI_INT, src, 2, MPI_COMM_WORLD, &status2);
MPI_Get_count(&status1, MPI_INT, &count1);
fprintf(stderr, "receive %d data,tag=%d\n",count1, status1.MPI_TAG);
MPI_Get_count(&status2, MPI_INT, &count2);
fprintf(stderr, "receive %d data,tag=%d\n",count2, status2.MPI_TAG);
}
MPI_Finalize();
}

代码执行结果如下：



如果将33 34行代码互换位置，则程序陷入了deadlock：一方面发送进程中tag=1的MPI_Ssend操作一直处于阻塞状态；另一方面接受进程中的tag=2的MPI_Recv操作处于阻塞状态；两个进程互相等着对方，陷入了死锁。

4. 就绪通信模式

与前几种通信模式不同，只有当接受进程的接受操作已经启动时，才可以在发送端启动发送进程。

一种可能的就绪通信模式实现方法如下图：



上图保证的目标是①要先于④执行；方法是插入②和③；①一定先于②执行，③一定等②成功后才能执行，③成功后④才能执行。

由此一定保证①先于④执行，就保证了就绪通信。

示例代码如下：

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

#define TEST_SIZE 2000

void test_rsend();

int main(int argc, char *argv[])
{
MPI_Init(&argc, &argv);
test_rsend();
MPI_Finalize();
}

void test_rsend()
{
int rank, size;
int next, prev;
int tag;
int count;
float send_buf[TEST_SIZE], recv_buf[TEST_SIZE];
MPI_Status status;
MPI_Request request;

MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);

if (2!=size) {
MPI_Abort(MPI_COMM_WORLD, 1);
}
next = rank + 1;
if (next >= size) next = 0;
prev = rank - 1;
if (prev <0) prev = size-1;

if (0==rank) {
fprintf(stderr, " Rsend Test\n");
}
tag = 1456;
count = TEST_SIZE/3;
if (0==rank) {
MPI_Recv(MPI_BOTTOM,0,MPI_INT,next,tag,MPI_COMM_WORLD, &status);
fprintf(stderr, " Process %d post Ready send\n", rank);
MPI_Rsend(send_buf,count,MPI_FLOAT,next,tag,MPI_COMM_WORLD);
}
else {
fprintf(stderr, " process %d post a receive call\n", rank);
MPI_Irecv(recv_buf, TEST_SIZE, MPI_FLOAT,MPI_ANY_SOURCE,MPI_ANY_TAG,MPI_COMM_WORLD,&request);
MPI_Send(MPI_BOTTOM,0,MPI_INT,next,tag,MPI_COMM_WORLD);
MPI_Wait(&request, &status);
fprintf(stderr, " Process %d Receive Rsend message from %d\n",rank, status.MPI_SOURCE);
}
}

代码执行结果如下：