数组结构的 MPI-3 共享内存

Question

我有一个简单的 C++ 结构，它基本上包装了一个标准 C 数组：

struct MyArray {
    T* data;
    int length;
    // ...
}

其中T 是数字类型，例如float 或double。 length 是数组中元素的数量。通常我的数组非常大（数万到数千万个元素）。

我有一个 MPI 程序，我想通过 MPI 3 共享内存公开两个 MyArray 实例，例如 a_old 和 a_new，作为共享内存对象。上下文是每个 MPI 等级都从 a_old 读取。然后，每个 MPI 等级写入 a_new 的某些索引（每个等级只写入自己的索引集 - 没有重叠）。最后，必须在所有等级上设置a_old = a_new。 a_old 和 a_new 大小相同。现在，我正在通过将 (Isend/Irecv) 每个等级的更新值与其他等级同步来使我的代码工作。但是，由于数据访问模式，我没有理由需要承担消息传递的开销，而是可以拥有一个共享内存对象并在a_old = a_new 之前放置一个屏障。我认为这会给我带来更好的表现（尽管如果我错了请纠正我）。

我很难找到使用 MPI 3 进行共享内存的完整代码示例。大多数站点仅提供参考文档或不完整的 sn-ps。有人可以引导我完成一个简单且完整的代码示例，它可以完成我想要实现的那种事情（通过 MPI 共享内存更新和同步数字数组）？我了解创建共享内存通信器和窗口、设置栅栏等的主要概念，但是看到一个将所有内容组合在一起的示例确实有助于我的理解。

另外，我应该提到我只会在一个节点上运行我的代码，所以我不需要担心需要跨节点的共享内存对象的多个副本；对于运行 MPI 进程的单个节点，我只需要一份数据副本。尽管如此，在这种情况下，像 OpenMP 这样的其他解决方案对我来说是不可行的，因为我有大量的 MPI 代码并且不能为了我想共享的一两个数组而重写所有内容。

Answer 1

在 MPI-3 中使用共享内存相对简单。

首先，您使用MPI_Win_allocate_shared分配共享内存窗口：

MPI_Win win;
MPI_Aint size;
void *baseptr;

if (rank == 0)
{
   size = 2 * ARRAY_LEN * sizeof(T);
   MPI_Win_allocate_shared(size, sizeof(T), MPI_INFO_NULL,
                           MPI_COMM_WORLD, &baseptr, &win);
}
else
{
   int disp_unit;
   MPI_Win_allocate_shared(0, sizeof(T), MPI_INFO_NULL,
                           MPI_COMM_WORLD, &baseptr, &win);
   MPI_Win_shared_query(win, 0, &size, &disp_unit, &baseptr);
}
a_old.data = baseptr;
a_old.length = ARRAY_LEN;
a_new.data = a_old.data + ARRAY_LEN;
a_new.length = ARRAY_LEN;

这里，只有 rank 0 分配内存。哪个进程分配它并不重要，因为它是共享的。甚至可以让每个进程分配一部分内存，但由于默认情况下分配是连续的，因此两种方法是等效的。然后所有其他进程使用MPI_Win_shared_query 来找出共享内存块开始的虚拟地址空间中的位置。该地址可能因等级而异，因此不应传递绝对指针。

您现在可以简单地分别从a_old.data 加载和存储到a_new.data。由于您的案例中的等级适用于不相交的内存位置集，因此您实际上并不需要锁定窗口。使用窗口锁来实现例如a_old 的受保护初始化或其他需要同步的操作。您可能还需要明确告诉编译器不要重新排序代码并发出内存围栏，以便在例如之前完成所有未完成的加载/存储操作。你打电话给MPI_Barrier()。

a_old = a_new 代码建议将一个数组复制到另一个数组。相反，您可以简单地交换数据指针并最终交换大小字段。由于只有数组的数据在共享内存块中，因此交换指针是本地操作，即不需要同步。假设两个数组长度相等：

T *temp;
temp = a_old.data;
a_old.data = a_new.data;
a_new.data = temp;

您仍然需要一个屏障来确保所有其他进程都已完成处理，然后再继续。

最后，简单地释放窗口：

MPI_Win_free(&win);

一个完整的例子（C）如下：

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

#define ARRAY_LEN 1000

int main (void)
{
   MPI_Init(NULL, NULL);

   int rank, nproc;
   MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
   MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &nproc);

   MPI_Win win;
   MPI_Aint size;
   void *baseptr;

   if (rank == 0)
   {
      size = ARRAY_LEN * sizeof(float);
      MPI_Win_allocate_shared(size, sizeof(int), MPI_INFO_NULL,
                              MPI_COMM_WORLD, &baseptr, &win);
   }
   else
   {
      int disp_unit;
      MPI_Win_allocate_shared(0, sizeof(int), MPI_INFO_NULL,
                              MPI_COMM_WORLD, &baseptr, &win);
      MPI_Win_shared_query(win, 0, &size, &disp_unit, &baseptr);
   }

   printf("Rank %d, baseptr = %p\n", rank, baseptr);

   int *arr = baseptr;
   for (int i = rank; i < ARRAY_LEN; i += nproc)
     arr[i] = rank;

   MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);

   if (rank == 0)
   {
      for (int i = 0; i < 10; i++)
         printf("%4d", arr[i]);
      printf("\n");
   }

   MPI_Win_free(&win);

   MPI_Finalize();
   return 0;
}

免责声明：对此持保留态度。我对 MPI 的 RMA 的理解还是比较薄弱的。

Answer 2

这是一个提供您描述的代码。在 cmets 中，我对代码进行了一些描述。通常，它呈现一个动态 RMA 窗口，并且必须将内存分配给该窗口。

MPI_Win_lock_all(0, win)Open MPI Documentation的描述：

对 win 中的所有进程启动 RMA 访问纪元，锁定类型为 MPI_LOCK_SHARED。在epoch期间，调用进程可以通过RMA操作访问win中所有进程的窗口内存。

在我使用MPI_INFO_NULL 的地方，您可以使用 MPI_Info 对象向 MPI 提供附加信息，但这取决于您的内存访问模式。

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

typedef struct MyArray {
    double* data;
    int length;
}MyArray;

#define ARRAY_SIZE 10

int main(int argc, char *argv[]) {
    int rank, worldSize, i;
    MPI_Win win;
    MPI_Aint disp;
    MPI_Aint *allProcessDisp;
    MPI_Request *requestArray;

    MyArray myArray;

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

    MPI_Win_create_dynamic(MPI_INFO_NULL, MPI_COMM_WORLD, &win);

    allProcessDisp = malloc(sizeof(MPI_Aint) * worldSize);

    requestArray = malloc(sizeof(MPI_Request) * worldSize);
    for (i = 0; i < worldSize; i++) 
        requestArray[i] = MPI_REQUEST_NULL;

    myArray.data = malloc(sizeof(double) * ARRAY_SIZE);
    myArray.length = ARRAY_SIZE;

    //Allocating memory for each process share window space 
    MPI_Alloc_mem(sizeof(double) * ARRAY_SIZE, MPI_INFO_NULL, &myArray.data);
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
        myArray.data[i] = rank;

    //attach the allocating memory to each process share window space 
    MPI_Win_attach(win, myArray.data, sizeof(double) * ARRAY_SIZE);

    MPI_Get_address(myArray.data, &disp);

    if (rank == 0) {
        allProcessDisp[0] = disp;
        //Collect all displacements
        for (i = 1; i < worldSize; i++) {
            MPI_Irecv(&allProcessDisp[i], 1, MPI_AINT, i, 0, MPI_COMM_WORLD, &requestArray[i]);
        }
        MPI_Waitall(worldSize, requestArray, MPI_STATUS_IGNORE);
        MPI_Bcast(allProcessDisp, worldSize, MPI_AINT, 0, MPI_COMM_WORLD);
    }
    else {
        //send displacement 
        MPI_Send(&disp, 1, MPI_AINT, 0, 0, MPI_COMM_WORLD);
        MPI_Bcast(allProcessDisp, worldSize, MPI_AINT, 0, MPI_COMM_WORLD);
    }

    // here you can do RMA operations 
    // Each time you need an RMA operation you start with 
    double otherRankData = -1.0;
    int otherRank = 1;
    if (rank == 0) {
        MPI_Win_lock_all(0, win);
        MPI_Get(&otherRankData, 1, MPI_DOUBLE, otherRank, allProcessDisp[otherRank], 1, MPI_DOUBLE, win);
        // and end with 
        MPI_Win_unlock_all(win);
        printf("Rank 0 : Got %.2f from %d\n", otherRankData, otherRank);
    }

    if (rank == 1) {
        MPI_Win_lock_all(0, win);
        MPI_Put(myArray.data, ARRAY_SIZE, MPI_DOUBLE, 0, allProcessDisp[0], ARRAY_SIZE, MPI_DOUBLE, win);
        // and end with 
        MPI_Win_unlock_all(win);
    }

    printf("Rank %d: ", rank);
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
        printf("%.2f ", myArray.data[i]);
    printf("\n");

    //set rank 0 array
    if (rank == 0) {
        for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
            myArray.data[i] = -1.0;

        printf("Rank %d: ", rank);
        for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
            printf("%.2f ", myArray.data[i]);
        printf("\n");
    }

    free(allProcessDisp);
    free(requestArray);
    free(myArray.data);

    MPI_Win_detach(win, myArray.data);
    MPI_Win_free(&win);
    MPI_Finalize();

    return 0;
}