OpenMP

OpenMP (Open Multi-Processing) — открытый стандарт для распараллеливания программ на языках Си, Си++ и Фортран. Даёт описание совокупности директив компилятора, библиотечных процедур и переменных окружения, которые предназначены для программирования многопоточных приложений на многопроцессорных системах с общей памятью.

Разработка спецификаций стандарта ведётся некоммерческой организацией OpenMP Architecture Review Board (ARB)[1], в которую входят все основные производители процессоров, а также ряд суперкомпьютерных лабораторий и университетов. Первая версия спецификации вышла в 1997 году, предназначалась только для Фортрана, в следующем году вышла версия для Си и C++.

OpenMP реализует параллельные вычисления с помощью многопоточности, в которой ведущий (англ. master) поток создаёт набор ведомых потоков, и задача распределяется между ними. Предполагается, что потоки выполняются параллельно на машине с несколькими процессорами (количество процессоров не обязательно должно быть больше или равно количеству потоков).

Задачи, выполняемые потоками параллельно, так же, как и данные, требуемые для выполнения этих задач, описываются с помощью специальных директив препроцессора соответствующего языка — «прагм». Например, участок кода на Фортране, который должен исполняться несколькими потоками, каждый из которых имеет свою копию переменной N, предваряется следующей директивой: !$OMP PARALLEL PRIVATE(N)

Количество создаваемых потоков может регулироваться как самой программой при помощи вызова библиотечных процедур, так и извне, при помощи переменных окружения.

Ключевые элементы стандарта:

  • конструкции для создания потоков (директива parallel),
  • конструкции распределения работы между потоками (директивы DO/for и section),
  • конструкции для управления работой с данными (выражения shared и private для определения класса памяти переменных),
  • конструкции для синхронизации потоков (директивы critical, atomic и barrier),
  • процедуры библиотеки поддержки времени выполнения (например, omp_get_thread_num),
  • переменные окружения (например, OMP_NUM_THREADS).

Примеры

Программа на Фортране-77, создающая заранее неизвестное число потоков (оно определяется переменной окружения OMP_NUM_THREADS перед запуском программы), каждый из которых выводит приветствие вместе со своим номером; ведущий поток (имеющий номер 0) также выводит общее число потоков, но только после того, как все они «пройдут» директиву BARRIER:

      PROGRAM HELLO
      INTEGER ID, NTHRDS
      INTEGER OMP_GET_THREAD_NUM, OMP_GET_NUM_THREADS
C$OMP PARALLEL PRIVATE(ID)
      ID = OMP_GET_THREAD_NUM()
      PRINT *, 'HELLO WORLD FROM THREAD', ID
C$OMP BARRIER
      IF ( ID .EQ. 0 ) THEN
        NTHRDS = OMP_GET_NUM_THREADS()
        PRINT *, 'THERE ARE', NTHRDS, 'THREADS'
      END IF
C$OMP END PARALLEL
      END

Программа на Си, складывающая в десять потоков массив a с массивом b (компилируется с использованием gcc-4.4 и более новых версий с флагом -fopenmp):

#include <stdio.h>
#include <omp.h>

#define N 100

int main(int argc, char *argv[])
{
  double a[N], b[N], c[N];
  int i;
  omp_set_dynamic(0);      // запретить библиотеке openmp менять число потоков во время исполнения
  omp_set_num_threads(10); // установить число потоков в 10

  // инициализируем массивы
  for (i = 0; i < N; i++)
  {
      a[i] = i * 1.0;
      b[i] = i * 2.0;
  }

  // вычисляем сумму массивов
#pragma omp parallel for shared(a, b, c) private(i)
   for (i = 0; i < N; i++)
     c[i] = a[i] + b[i];

  printf ("%f\n", c[10]);
  return 0;
}

Реализации

OpenMP поддерживается многими современными компиляторами.

Компиляторы Sun Studio поддерживают спецификацию OpenMP 2.5[2] с поддержкой операционной системы Solaris; поддержка Linux запланирована на следующий выпуск[уточнить]. Эти компиляторы создают отдельную процедуру из исходного кода, располагающегося под директивой parallel, а вместо самой директивы вставляют вызов процедуры __mt_MasterFunction_ библиотеки libmtsk, передавая ей адрес искусственно созданной. Таким образом, разделяемые (shared) данные могут быть переданы последней по ссылке, а собственные (private) объявляются внутри этой процедуры, оказываясь независимыми от своих копий в других потоках. Процедура __mt_MasterFunction_ создает группу потоков (количеством 9 в приведенном выше примере на языке C), которые будут выполнять код конструкции parallel, а вызвавший её поток становится главным в группе. Затем главный поток организовывает работу подчиненных потоков, после чего начинает выполнять пользовательский код сам. Когда код будет выполнен, главный поток вызывает процедуру _mt_EndOfTask_Barrier_, синхронизирующую его с остальными.

Visual C++ 2005 и 2008 поддерживает OpenMP 2.0 в редакциях Professional и Team System, 2010 — в редакциях Professional, Premium и Ultimate, 2012 — во всех редакциях[3].

В GCC начиная с версии 4.2 реализована поддержка OpenMP для Си, C++ и Фортрана (на базе gfortran), а некоторые дистрибутивы (такие как Fedora Core 5) включили поддержку в GCC 4.1. В Clang и LLVM 3.7 поддерживается OpenMP 3.1.[4].

Intel C++ Compiler, Intel Fortran Compiler и Intel Parallel Studio поддерживают версию OpenMP 3.0, а также Intel Cluster OpenMP для программирования в системах с распределённой памятью. Существуют также реализации в компиляторах IBM XL compiler, PGI (Portland group), Pathscale, HP[уточнить].

См. также
  • Intel Threading Building Blocks — библиотека для параллельного программирования на C++
  • MPI (Message Passing Interface) — интерфейс обмена сообщений между процессами
  • OpenCL — открытый каркас для параллельных вычислений на графических и центральных процессорах
  • OpenACC

Примечания
  1. Официальный сайт OpenMP Architecture Review Board (недоступная ссылка). Дата обращения: 15 января 2008. Архивировано 20 июля 2008 года.
  2. 1. Introducing the OpenMP API (Sun Studio 12: OpenMP API User’s Guide) — Sun Microsystems
  3. Visual C++ Editions
  4. OpenMP.org  » Blog Archive  » Clang 3.7 will have full OpenMP 3.1 support. openmp.org. Дата обращения: 3 сентября 2015.

Ссылки
  • openmp.org — официальный сайт OpenMP
Intel Software Network (рус.)
viva64.com (рус.)
Другие источники
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.