OpenMP多线程编程及性能优化_707706743.pdf

OpenMP 多线程编程及性能优化 本章将以 OpenMP 为例，具体介绍多线程编程的基本技能。OpenMP 是一种针对共享内 存的多线程编程技术，由一些具有国际影响力的大规模软件和硬件厂商共同定义标准。它是 一种编译指导语句指导多线程、共享内存并行的应用程序编程接口（API ）。本章介绍 OpenMP 编程的概况、编写 OpenMP 程序所需要的基本技术以及 OpenMP 程序优化的基本方法。由 于 OpenMP 同时支持C/C++语言和 Fortran 语言，针对 OpenMP 的参考书籍非常少，而使用 C/C++来讲解 OpenMP 的参考资料也更少，因此本章将主要讲解如何用 C/C++语言来实现 OpenMP 的多线程编程。 第 1 节 OpenMP 编程简介 1.1 OpenMP 多线程编程发展概况 OpenMP 是一种面向共享内存以及分布式共享内存的多处理器多线程并行编程语言。 OpenMP 是一种能够被用于显示指导多线程、共享内存并行的应用程序编程接口（API ）。 OpenMP 的规范由 SGI 发起，由一组主要的计算机硬件和软件厂商共同制定并认可，希望以 后能够成为美国国家标准（ANSI standard ）。 OpenMP 标准诞生于 1997年，目前其结构审议委员会（Architecture Review Board, ARB ） 正在制定并即将推出 OpenMP 3.0 版本。可以从 官方网站上看到有关于 OpenMP 最新的发展，并且能够下载到关于 OpenMP 的最新标准。最早的标准发表于 1997 年 10 月，为 Fortran 1.0 标准。标准版本 2.5 发表于 2005 年 5 月，将两个语言（Fortran/C/C++ ） 的标准合并在一起。 OpenMP 具有良好的可移植性，支持多种编程语言，包括 Fortran77 ，Fortran90 ，Fortran95 以及C/C++ ；同时在平台支持上，OpenMP 能够支持多种平台，包括大多数的类 UNIX 系统 以及Windows NT 系统（Windows 2000 ，Windows XP ，Windows Vista 等）。 OpenMP 最初是为共享内存多处理的系统结构设计的并行编程方法，这与通过消息传递 进行并行编程的模型有很大的不同。这种计算机对程序员来说是多个处理器共享同一个内存 设备，如下图所示。 处理器  P0  P1  P2  Pn  共享内存  图6. 1 共享内存多处理器的体系结构  从图中可以看出，所有的处理器都被连接到一个共享的内存单元上，处理器在访问内存 的时候使用的是相同的内存编址空间。由于内存是共享的，因此，某一个处理器写入内存的 数据会立刻被其它处理器访问到。常见的对称多处理（Symmetrical Multi-Processing，SMP） 就是一种共享内存的体系结构即在一个计算机上汇集了一组处理器，各个处理器之间共享内 存子系统以及总线结构。除此之外，分布式共享内存的系统也属于共享内存多处理器结构， 分布式共享内存将多机的内存资源通过虚拟化的方式形成一个统一的内存空间提供给多机 上的处理器使用，OpenMP 对这样的机器也提供一定的支持。 与共享内存方式相对的就是分布式内存，每一个处理器或者一组处理器会有一个自己私 有的内存单元，共享或者不共享一个公用的内存单元。此时，程序员需要关心数据的实际存 放问题，因为数据存放未知会直接影响相应处理器的处理速度。通过网络连接的个人计算机 系统组成的集群以及工作站网络（NOWs : Network of Workstations ）就是典型的分布式内存 多处理器系统。这种系统一般使用特定的消息传递库，例如 MPI 或者并行虚拟机（PVM ） 来进行编程，OpenMP 不专注于这种编程模式。OpenMP3.0 的标准开始支持分布式结构的集 群，Intel 也有 ClusterOpenMP 对此种方式进行支持。而 OpenMP 并不适合于这种编程模式。 1.2 OpenMP 多线程编程基础 OpenMP 的编程模型以线程为基础，通过编译指导语句来显示地指导并行化，为编程人 员提供了对并行化的完整的控制。在动手编写 OpenMP 程序之前