OpenMP

OpenMP

OpenMP logo
Тип	прикладний програмний інтерфейс
Автор	OpenMP Architecture Review Board
Розробник	OpenMP Architecture Review Board
Стабільний випуск	4.0 (23 липня 2013 (2013-07-23))
Платформа	крос-платформовий
Операційна система	крос-платформовий
Мова програмування	C, C++, Fortran
Ліцензія	різні
Вебсайт	openmp.org
Медіафайли у Вікісховищі

OpenMP (Open Multi-Processing) — це набір директив компілятора, бібліотечних процедур та змінних середовища, які призначені для програмування багатопоточних застосунків на багатопроцесорних системах із спільною пам'яттю на мовах C, C++ та Fortran.

Розробку специфікації OpenMP ведуть кілька великих виробників обчислювальної техніки та програмного забезпечення, робота яких регулюється некомерційною організацією, названою OpenMP Architecture Review Board (ARB). Детальна специфікація OpenMP міститься на сторінці [Архівовано 24 квітня 2008 у Wayback Machine.]. Специфікації для мов Fortran і C/C++ з'явилися відповідно в жовтні 1997 року і жовтні 1998 року.

Опис

OpenMP можна розглядати як високорівневу надбудову над Pthreads (або аналогічними бібліотеками потоків). POSIX-інтерфейс для організації потоків Pthreads підтримується широко (практично на всіх UNIX-системах), проте з багатьох причин не підходить для практичного паралельного програмування:

1. немає підтримки Fortran
2. дуже низький рівень
3. немає підтримки паралелізму за даними
4. механізм потоків спочатку розроблявся не для цілей організації паралелізму

OpenMP реалізує паралельні обчислення за допомогою багатопотоковості, в якій «головний» (master) потік створює набір підлеглих (slave) потоків і завдання розподіляється між ними. Передбачається, що потоки виконуються паралельно на машині з декількома процесорами (кількість процесорів не обов'язково має бути більше або дорівнювати кількості потоків).

Завдання, що виконуються потоками паралельно, так само як і дані, необхідні для виконання цих завдань, описуються за допомогою спеціальних директив препроцесора відповідної мови — прагм. Наприклад, ділянка коду на мові Fortran, яка повинна виконуватися кількома потоками, кожна з яких має свою копію змінної N, передує наступній !$OMP PARALLEL PRIVATE(N)

Кількість створюваних потоків може регулюватися як самою програмою за допомогою виклику бібліотечних процедур, так і ззовні, за допомогою змінних оточення.

Переваги

1. За рахунок ідеї «інкрементального розпаралелювання» OpenMP ідеально підходить для розробників, що прагнуть швидко розпаралелювати свої обчислювальні програми з великими паралельними циклами. Розробник не створює нову паралельну програму, а просто послідовно додає в текст програми OpenMP-директиви.
2. При цьому, OpenMP — досить гнучкий механізм, що надає розробникові великі можливості контролю над поведінкою паралельної програми.
3. Передбачається, що OpenMP-програма на однопроцесорній платформі може бути використана як послідовна програма, тобто немає необхідності підтримувати послідовну та паралельну версії. Директиви OpenMP просто ігноруються послідовним компілятором, а для виклику процедур OpenMP можуть бути підставлені заглушки (stubs), текст яких приведений в специфікаціях.
4. Однією з переваг OpenMP розробники вважають підтримку так званих «orphan» (відірваних) директив, тобто директиви синхронізації і розподілу роботи можуть не входити безпосередньо в лексичний контекст паралельної області.

Ключові елементи

Ключовими елементами OpenMP є

• конструкції для створення потоків (директива parallel),
• конструкції розподілу роботи між потоками (директиви DO / for та section),
• конструкції для керування роботою з даними (вираз shared і private),
• конструкції для синхронізації потоків (директиви critical atomic і barrier),
• процедури бібліотеки підтримки часу виконанню (наприклад, omp_get_thread_num),
• змінні оточення (наприклад, OMP_NUM_THREADS).

Приклади програм

Нижче наведені приклади програм з використанням директив OpenMP:

C

У цій програмі два вектора (a і b) додаються паралельно десятьма потоками.

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

#define N 100

int main(int argc, char *argv[])
{
  float a[N], b[N], c[N];
  int i;
  omp_set_dynamic(0);      // заборонити змінювати число потоків за допомогою змінної оточення 
  omp_set_num_threads(10); // встановити число потоків у 10

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

  // обчислюємо суму векторів
#pragma omp parallel shared(a, b, c) private(i)
  {
#pragma omp for
    for (i = 0; i < N; i++)
      c[i] = a[i] + b[i];
  }
  printf ("%f\n", c[10]);
  return 0;
}

Fortran

Аналогічна програма на мові Фортран

program main
  use omp_lib
  implicit none
  integer, parameter :: rp = kind(1.0)
  integer, parameter :: N=100
  real(rp), dimension(1:N) :: a,b,c
  integer :: i  
  call  omp_set_dynamic(.false.) ! заборонити змінювати число нитей за допомогою змінної оточення  
  call  omp_set_num_threads(10) ! встановити число нитей у 10

  ! ініціалізуємо вектори
  do i=1,N
     a(i)=i*1.0_rp
     b(i)=i*2.0_rp
  enddo

  ! обчислюємо суму векторів
  !$omp parallel do shared(a, b, c) private(i)
  do i=1,N
     c(i)=a(i)+b(i)
  enddo
  !$omp end parallel do

  write(*,'(f10.6)') c(10)

end program main

Існуючі реалізації

OpenMP підтримується багатьма комерційними компіляторами.

Компілятори Oracle Solaris Studio, v12.3, підтримують офіційно специфікацію OpenMP 3.1 — з покращеною продуктивністю під ОС Solaris та обмеженим числом платформ під ОС Linux

Visual C++ 2005 підтримує OpenMP у редакціях Professional і Team System.

GCC 4.2 підтримує OpenMP 2.5, а деякі дистрибутиви (такі як Fedora Core 5 gcc [Архівовано 20 травня 2007 у Wayback Machine.]) включили підтримку в свої версії GCC 4.1. Починаючи з GCC 4.4 підтримується стандарт OpenMP 3.0 а з версії GCC 4.7 — OpenMP 3.1

В універсальному комплексі Intel Parallel Studio від Intel об'єднано компілятори C++ та Фортран, бібліотеки оптимізації та паралелізації, включаючи OpenMP 3.1 (починаючи з версії компіляторів 12.1), а також засоби перевірки помилок та продуктивності, зневаджувач і профайлер для останніх поколінь багатоядерних процесорів.

Приклад реалізації

Компілятори Sun Studio створюють окрему процедуру з вихідного коду, розташованого під директивою parallel, а замість самої директиви вставляють виклик процедури __mt_MasterFunction_ бібліотеки libmtsk, передаючи їй адресу штучно створену. Таким чином, розподілювані (shared) дані можуть бути передані останній за посиланням, а власні (private) оголошуються всередині цієї процедури, опиняючись незалежні від своїх копій в інших нитях.

Процедура __mt_MasterFunction_ створює групу нитей (кількістю 9 у наведеному вище прикладі на мові C), які будуть виконувати код конструкції parallel, а нить, що викликала їх, стає головною у групі. Потім головна нить організовує роботу підлеглих нитей, після чого починає виконувати код користувача сама. Коли код буде виконаний, головна нить викликає процедуру _mt_EndOfTask_Barrier_ що синхронізує її з іншими.

Інструменти

• VivaMP — Статичний аналізатор Сі/Сі++ коду для виявлення помилок в програмах, побудованих на технології OpenMP для ОС Windows.

Посилання

• OpenMP.org — Офіційний сайт OpenMP Architecture Review Board [Архівовано 30 грудня 2014 у Wayback Machine.]
• Что такое OpenMP? [Архівовано 1 лютого 2008 у Wayback Machine.] (рос.)
• Введение в OpenMP: API параллельных программ для многопроцессорных систем с общей памятью [Архівовано 10 листопада 2007 у Wayback Machine.] (рос.)
• OpenMP и C++ [Архівовано 17 січня 2009 у Wayback Machine.] (рос.)
• Учебный курс — Параллельное программирование с использованием OpenMP [Архівовано 20 квітня 2008 у Wayback Machine.] (рос.)
• OpenMP Support in Sun Studio Compilers and Tools [Архівовано 26 жовтня 2007 у Wayback Machine.] (англ.)
• Статья «32 подводных камня OpenMP при программировании на Си++» (рос.)