Parallel Computing–Cannon算法 (MPI 实现)
原理不解释，直接上代码
代码中被注释的源程序可用于打印中间结果，检查运算是否正确。
#include "mpi.h"
#include <math.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void scatter_matrix(int* fstream,int n1,int n2,int*Q,int root,int tag){
/*每个矩阵块的大小*/
int rows=(n1+root-1)/root;
int cols=(n2+root-1)/root;
int* tmp_matrix=(int*)malloc(rows*cols*sizeof(int));
int i,j;
memset(Q,0,rows*cols*sizeof(int));
for(i=0;i<root;i++){
for(j=0;j<root;j++){
int p=0,q=0;
int imin=i*rows*n2;
int jmin=j*cols;
memset(tmp_matrix,0,sizeof(tmp_matrix));
/*在划分矩阵时，由于地空间不连续，需要另开辟一个数组连续的保存起来，以便于调用MPI_Send*/
for(p=0;p<rows;p++,imin+=n2){
for(q=0;q<cols;q++){
tmp_matrix[p*cols+q]=fstream[imin+jmin+q];
}
}
if(i==0&&j==0){
/*进程0 不需要使用MPI_Send将数据发送给自己，直接使用memcpy将结果拷贝即可*/
memcpy(Q,tmp_matrix,rows*cols*sizeof(int));
}else{
/*将分块发送给位于i行，j列的进程*/
MPI_Send(tmp_matrix,rows*cols,MPI_INT,i*root+j,tag,MPI_COMM_WORLD);
}
}
}
}
/*
*@row:矩阵所在的行
*@col:矩阵所在的列
*@sp:sp=root=sqrt(nprocs)
*@return 根据行列号计算进程实际编号
*/
int get_index(int row,int col,int sp){
int tmp=((row+sp)%sp)*sp+(col+sp)%sp;
return tmp;
}
/*计算矩阵乘法，将结果存入C中*/
void matrix_multi(int* A,int *B,int *C,int n1,int n2,int n3,int myid){
int i=0,j=0,k=0;
int* tmp_C=(int*)malloc(n1*n3*sizeof(int));
memset(tmp_C,0,sizeof(int)*n1*n3);
for(i=0;i<n1;i++){
for(j=0;j<n3;j++){
for(k=0;k<n2;k++){
tmp_C[i*n3+j]+=A[i*n2+k]*B[k*n3+j];
}
C[i*n3+j]+=tmp_C[i*n3+j];
}
}
}
/*用于矩阵下标定位对齐*/
void shuffle(int*A,int*buf_A,int buf_A_size,int *B,int*buf_B,int buf_B_size,int root,int myid){
int i,j;
MPI_Status status;
int cur_col=0;
int cur_row=0;
/*通过进程编号计算获得当前进程所在的行号和列号*/
cur_row=myid/root;
cur_col=myid-cur_row*root;
/*对于矩阵A，第i行的矩阵需要向左平移i次*/
for(i=0;i<cur_row;i++){
/*接收来自右边的数据，并将当前矩阵发送给左边的进程*/
MPI_Sendrecv(A,buf_A_size,MPI_INT,get_index(cur_row,cur_col-1,root),102,
buf_A,buf_A_size,MPI_INT,get_index(cur_row,cur_col+1,root),102,MPI_COMM_WORLD,&status);
memcpy(A,buf_A,buf_A_size*sizeof(int));/*buf_A用于通信时缓存矩阵*/
memset(buf_A,0,buf_A_size*sizeof(int));
}
/*对于矩阵B，第j列的矩阵需要向上平移j次*/
for(j=0;j<cur_col;j++){
/*接收来自下边的数据，并将当前矩阵发送给上边的进程*/
MPI_Sendrecv(B,buf_B_size,MPI_INT,get_index(cur_row-1,cur_col,root),103,
buf_B,buf_B_size,MPI_INT,get_index(cur_row+1,cur_col,root),103,MPI_COMM_WORLD,&status);
memcpy(B,buf_B,buf_B_size*sizeof(int));/*buf_B用于通信时缓存矩阵*/
memset(buf_B,0,buf_B_size*sizeof(int));
}
/*printf("I have shuffled!\n");*/
}
void cannon(int*A,int*buf_A,int buf_A_size,int *B,int*buf_B,int buf_B_size,
int *C,int buf_C_size,int row_a,int col_a,int col_b,int root,int myid){
MPI_Status status;
double elapsed_time,multiply_time=0,passdata_time=0;
int i,j;
memset(C,0,sizeof(int)*buf_C_size);
int cur_col=0;
int cur_row=0;
/*通过进程编号计算获得当前进程所在的行号和列号*/
cur_row=myid/root;
cur_col=myid-cur_row*root;
for(i=0;i<root;i++){/*一共需要循环root次，root=sqrt(nprocs)*/
elapsed_time=MPI_Wtime();
matrix_multi(A,B,C,row_a,col_a,col_b,myid);/*计算矩阵乘法*/
elapsed_time=MPI_Wtime()-elapsed_time;
multiply_time+=elapsed_time;
/*elapsed_time=MPI_Wtime(); */
/*接收来自右边(row,col+1)的数据，并将当前矩阵发送给左边(row,col-1)的进程*/
MPI_Sendrecv(A,buf_A_size,MPI_INT,get_index(cur_row,cur_col-1,root),102,
buf_A,buf_A_size,MPI_INT,get_index(cur_row,cur_col+1,root),102,MPI_COMM_WORLD,&status);
/*接收来自下边(row+1,col)的数据，并将当前矩阵发送给上边(row-1,col)的进程*/
MPI_Sendrecv(B,buf_B_size,MPI_INT,get_index(cur_row-1,cur_col,root),103,
buf_B,buf_B_size,MPI_INT,get_index(cur_row+1,cur_col,root),103,MPI_COMM_WORLD,&status);
/*elapsed_time=MPI_Wtime()-elapsed_time;
passdata_time+=elapsed_time;*/
memcpy(B,buf_B,buf_B_size*sizeof(int));/*将buf_B中的数据拷贝至B中*/
memcpy(A,buf_A,buf_A_size*sizeof(int));/*将buf_A中的数据拷贝至A中*/
}
/*将计算结果发送给数组C*/
MPI_Send(C,row_a*col_b,MPI_INT,0,104,MPI_COMM_WORLD);
printf("proc:%d, passdata time:%lf multiply time:%lf\n",myid,passdata_time,multiply_time);
}
void gather_matrix(int *fstream,int n1,int n3,int*C,int root,FILE*fhc){
MPI_Status status;
int rows=(n1+root-1)/root;
int cols=(n3+root-1)/root;
int* tmp_matrix=(int*)malloc(rows*cols*sizeof(int));
int i,j;
for(i=0;i<root;i++){
for(j=0;j<root;j++){
int p,q;
int imin=i*rows*n3;
int jmin=j*cols;
memset(tmp_matrix,0,sizeof(tmp_matrix));
/*接收来自各个进程的数据*/
MPI_Recv(tmp_matrix,rows*cols,MPI_INT,i*root+j,104,MPI_COMM_WORLD,&status);
/*printf("I am passed proc:%d \n",i*root+j);*/
/*将接收的矩阵tmp拼接到矩阵C中去，需要按照合理顺序拼接，否则结果会出错*/
for(p=0;p<rows;p++,imin+=n3){
for(q=0;q<cols;q++){
fstream[imin+jmin+q]=tmp_matrix[p*cols+q];
/*printf("%d ",((int*)fstream)[imin+jmin+q]);*/
}
/*printf("\n");*/
}
}
}
/*将结果打印到文件中*/
for(i=0;i<n1;i++){
for(j=0;j<n3;j++){
fprintf(fhc,"%d ",fstream[i*n3+j]);
}
fprintf(fhc,"\n");
}
}
int main(int argc,char**argv){
int myid,numprocs;
int i,j;
MPI_Status status;
int root=0;
int dim[3];
double elapsed_time=0;
int max_rows_a,max_cols_a,max_rows_b,max_cols_b;
int buf_A_size,buf_B_size,buf_C_size;
FILE* fhc;
/*suppose A:n1*n2 ,B:n2*n3;n1,n2,n3 are read from input file*/
int n1,n2,n3;
/*buffer for matrix A,B,C will be shifted ,so they each have two buffer*/
int *A,*B,*C,*buf_A,*buf_B;
/*on proc0,buffers to cache matrix files of A,B and C*/
int *fstream_a=NULL,*fstream_b=NULL,*fstream_c=NULL;
MPI_Init(&argc,&argv);/*初始化*/
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myid);/*获取当前进程ID*/
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&numprocs);/*获取全部进程数量*/
root=sqrt(numprocs);
if(numprocs!=root*root){
/*如果进程总数不是平方数，则结束程序*/
printf("process number must be a squre!\n");
exit(-1);
}
/*on proc0,preprocess the command line,read in file
for A,B and put their sizes in dim[]*/
if(myid==0){
FILE *file_a,*file_b,*file_c;
int n1,n2,n3;
int i,j;
file_a=fopen(argv[1],"r");/*打开文件a，文件名从运行时给的参数中获得*/
file_b=fopen(argv[2],"r");/*打开文件b，文件名从运行时给的参数中获得*/
fscanf(file_a,"%d %d",&n1,&n2);/*从文件a中读取矩阵A的行数，列数*/
fscanf(file_b,"%d %d",&n2,&n3);/*从文件b中读取矩阵B的行数，列数*/
dim[0]=n1,dim[1]=n2,dim[2]=n3;
fstream_a=(int*)malloc(n1*n2*sizeof(int));/*分配一块内存，用于将矩阵A读入内存*/
fstream_b=(int*)malloc(n2*n3*sizeof(int));/*分配一块内存，用于将矩阵B读入内存*/
/*printf("Yeah! I got n1=%d,n2=%d,n3=%d\n",n1,n2,n3);*/
/*读入矩阵A，保存在fstream_a中*/
for(i=0;i<n1;i++)
for(j=0;j<n2;j++)
fscanf(file_a,"%d",&((int*)fstream_a)[i*n2+j]);
/*读入矩阵B，保存在fstream_b中*/
for(i=0;i<n2;i++)
for(j=0;j<n3;j++)
fscanf(file_b,"%d",&((int*)fstream_b)[i*n3+j]);
}
/*将矩阵的行数，列数通过Bcast广播给所有进程*/
MPI_Bcast(dim,3,MPI_INT,0,MPI_COMM_WORLD);
n1=dim[0],n2=dim[1],n3=dim[2];
/*begin new version*/
max_rows_a=(n1+root-1)/root;/*子矩阵块A的行数*/
max_cols_a=(n2+root-1)/root;/*子矩阵块A的列数*/
max_rows_b=max_cols_a; /*子矩阵块B的行数*/
max_cols_b=(n3+root-1)/root;/*子矩阵块B的列数*/
buf_A_size=max_rows_a*max_cols_a;/*子矩阵块A的大小*/
buf_B_size=max_rows_b*max_cols_b;/*子矩阵块B的大小*/
buf_C_size=max_rows_a*max_cols_b;/*子矩阵块C的大小*/
/*给A,，buf_A,buf_B,B,C分配内存空间，其中buf_A,buf_B用于通讯中的缓存*/
A=(int*)malloc(sizeof(int)*buf_A_size);
buf_A=(int*)malloc(sizeof(int)*buf_A_size);
B=(int*)malloc(sizeof(int)*buf_B_size);
buf_B=(int*)malloc(sizeof(int)*buf_B_size);
C=(int*)malloc(sizeof(int)*buf_C_size);
if(A==NULL||buf_A==NULL||B==NULL||buf_B==NULL||C==NULL)
{
/*如果内存申请失败，就退出*/
printf("Memory allocation failed!\n");
exit(-1);
}
/*proc 0 scatter A,B to other procs in a 2D block distribution fashion*/
if(myid==0){
/*printf("max_rows_a:%d\n",max_rows_a);
printf("max_cols_a:%d\n",max_cols_a);
printf("max_rows_b:%d\n",max_rows_b);
printf("max_cols_b:%d\n",max_cols_b);*/
/*进程0 将矩阵A，B划分成小块，分发给其他进程*/
scatter_matrix((int*)fstream_a,n1,n2,A,root,100);
/*printf("I am debuging!\n");*/
scatter_matrix((int*)fstream_b,n2,n3,B,root,101);
/*printf("I am finding fault!\n");*/
}else{
/*其他进程接收来自进程0 发送的矩阵A,B*/
MPI_Recv(A,max_rows_a*max_cols_a,MPI_INT,0,100,MPI_COMM_WORLD,&status);
MPI_Recv(B,max_rows_b*max_cols_b,MPI_INT,0,101,MPI_COMM_WORLD,&status);
}
MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);/*等待全部进程完成数据接收工作。*/
/*printf("I am proc %d\n",myid);
for(i=0;i<max_rows_a;i++){
printf("%d: ",myid);
for(j=0;j<max_cols_a;j++){
printf("%d ",A[i*max_cols_a+j]);
}
printf("\n");
}
printf("I am proc %d\n",myid);
for(i=0;i<max_rows_b;i++){
printf("%d: ",myid);
for(j=0;j<max_cols_b;j++){
printf("%d ",B[i*max_cols_b+j]);
}
printf("\n");
}*/
/*compute C=A*B by Cannon algorithm*/
/*矩阵块必须定位对齐，先做预处理*/
shuffle(A,buf_A,buf_A_size,B,buf_B,buf_B_size,root,myid);
elapsed_time=MPI_Wtime();
/*包含cannon全部内容*/
cannon(A,buf_A,buf_A_size,B,buf_B,buf_B_size,
C,buf_C_size,max_rows_a,max_cols_a,max_cols_b,root,myid);
MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
elapsed_time=MPI_Wtime()-elapsed_time;/*统计cannon算法实际耗时*/
MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);/*等待所有进程完成cannon算法，将结果发送给进程0*/
int fsize_c=sizeof(int)*n1*n3;
if(myid==0){
/*进程0创建文件写句柄，准备将计算结果写入文件中*/
if(!(fhc=fopen(argv[3],"w"))){
printf("Cant't open file %s\n",argv[3]);
MPI_Finalize();
}
fstream_c=(int*)malloc(fsize_c);
/*进程0 接收来自各个进程的结果矩阵，拼接成一个完整的结果，写入文件，持久化数据结果*/
gather_matrix(fstream_c,n1,n3,C,root,fhc);
}
MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD); /*make sure proc 0 read all it needs*/
if(myid==0){
int i,j;
printf("Cannon algorithm :multiply a %d* %d with a %d*%d, use %lf(s)\n",
n1,n2,n2,n3,elapsed_time);
/*printf("I have finished!\n");*/
fclose(fhc);/*关闭文件读写句柄*/
/*释放申请的内存空间*/
free(fstream_a);
free(fstream_b);
free(fstream_c);
}
/*释放申请的内存空间*/
free(A);free(buf_A);
free(B);free(buf_B);
free(C);
MPI_Finalize();
return 0;
}
