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基于笛卡尔虚拟拓扑的MPI并行程序,用于实现Jacobi迭代算法的区域分解和通信 ...

摘要: 基于笛卡尔虚拟拓扑的MPI并行程序,用于实现Jacobi迭代算法的区域分解和通信
```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <mpi.h>

#define N 1024
#define MAX_ITER 1000
#define EPSILON 0.001

// 定义子块的大小
#define BLOCK_SIZE (N / 8)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int rank, size;
    int i, j, iter;
    double diff, sum_diff, local_diff;
    double u[BLOCK_SIZE + 2][BLOCK_SIZE + 2], u_new[BLOCK_SIZE + 2][BLOCK_SIZE + 2];
    double start_time, end_time;

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

    // 创建笛卡尔虚拟拓扑
    int dims[2] = {8, 8}; // 二维网格的维度
    int periods[2] = {0, 0}; // 周期性拓扑
    int coords[2]; // 进程的坐标
    MPI_Comm cart_comm;
    MPI_Cart_create(MPI_COMM_WORLD, 2, dims, periods, 0, &cart_comm);
    MPI_Cart_coords(cart_comm, rank, 2, coords);

    // 计算当前进程的子块在全局数组中的起始索引
    int start_row = coords[0] * BLOCK_SIZE;
    int start_col = coords[1] * BLOCK_SIZE;

    // 初始化子块
    for (i = 1; i <= BLOCK_SIZE; i++) {
        for (j = 1; j <= BLOCK_SIZE; j++) {
            u[i][j] = 0.0;
        }
    }

    // 执行Jacobi迭代
    iter = 0;
    diff = EPSILON + 1;
    start_time = MPI_Wtime();
    while (iter < MAX_ITER && diff > EPSILON) {
        // 保存上一次迭代的结果
        for (i = 1; i <= BLOCK_SIZE; i++) {
            for (j = 1; j <= BLOCK_SIZE; j++) {
                u_new[i][j] = u[i][j];
            }
        }

        // 进行Jacobi迭代计算
        sum_diff = 0.0;
        for (i = 1; i <= BLOCK_SIZE; i++) {
            for (j = 1; j <= BLOCK_SIZE; j++) {
                u[i][j] = (u_new[i-1][j] + u_new[i+1][j] + u_new[i][j-1] + u_new[i][j+1]) * 0.25;
                local_diff = fabs(u[i][j] - u_new[i][j]);
                sum_diff += local_diff;
            }
        }

        // 全局计算总体差异
        MPI_Allreduce(&sum_diff, &diff,

 1, MPI_DOUBLE, MPI_SUM, MPI_COMM_WORLD);

        // 进行进程间的数据交换
        MPI_Request requests[8];
        MPI_Status statuses[8];

        // 向上邻居发送第一行
        if (coords[0] > 0) {
            MPI_Isend(&u[1][1], BLOCK_SIZE, MPI_DOUBLE, rank - dims[1], 0, cart_comm, &requests[0]);
        }
        // 向下邻居发送最后一行
        if (coords[0] < dims[0] - 1) {
            MPI_Isend(&u[BLOCK_SIZE][1], BLOCK_SIZE, MPI_DOUBLE, rank + dims[1], 0, cart_comm, &requests[1]);
        }
        // 从上邻居接收第一行
        if (coords[0] > 0) {
            MPI_Irecv(&u[0][1], BLOCK_SIZE, MPI_DOUBLE, rank - dims[1], 0, cart_comm, &requests[2]);
        }
        // 从下邻居接收最后一行
        if (coords[0] < dims[0] - 1) {
            MPI_Irecv(&u[BLOCK_SIZE + 1][1], BLOCK_SIZE, MPI_DOUBLE, rank + dims[1], 0, cart_comm, &requests[3]);
        }
        // 向左邻居发送第一列
        if (coords[1] > 0) {
            MPI_Isend(&u[1][1], 1, MPI_DOUBLE, rank - 1, 0, cart_comm, &requests[4]);
        }
        // 向右邻居发送最后一列
        if (coords[1] < dims[1] - 1) {
            MPI_Isend(&u[1][BLOCK_SIZE], 1, MPI_DOUBLE, rank + 1, 0, cart_comm, &requests[5]);
        }
        // 从左邻居接收第一列
        if (coords[1] > 0) {
            MPI_Irecv(&u[1][0], 1, MPI_DOUBLE, rank - 1, 0, cart_comm, &requests[6]);
        }
        // 从右邻居接收最后一列
        if (coords[1] < dims[1] - 1) {
            MPI_Irecv(&u[1][BLOCK_SIZE + 1], 1, MPI_DOUBLE, rank + 1, 0, cart_comm, &requests[7]);
        }

        // 等待通信完成
        MPI_Waitall(8, requests, statuses);

        iter++;
    }
    end_time = MPI_Wtime();

    // 打印每个进程的执行时间
    double *execution_times = NULL;
    if (rank == 0) {
        execution_times = (double *)malloc(size * sizeof(double));
    }
    MPI_Gather(&end_time, 1, MPI_DOUBLE, execution_times, 1, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
    if (rank == 0) {
        printf("Execution Times:\n");
        for (i = 0; i < size; i++) {
            printf("Process %d: %lf seconds\n", i, execution_times[i] - start_time);
        }
        free(execution_times);
    }

    MPI_Finalize();

    return 0;
}
```

这是一个使用MPI实现Jacobi迭代算法的程序。程序使用了二维笛卡尔虚拟拓扑,将数据分解为多个二维子块,并使用非阻塞通信接口进行进程间的数据交换。每个进程负责计算和更新自己的子块。程序还打印了每个进程的执行时间。

请注意,该代码只提供了基本的框架和关键部分的代码示例,实际使用时需要根据具体的需求和问题进行适当的修改和优化。

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本文作者
2023-6-28 11:13
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