MPI 集合通信函數 MPI_Scatterv()，MPI_Gatherv()，MPI_Allgatherv()，MPI_Alltoall()，MPI_Alltoallv()，MPI_Alltoallw()

本文轉載自查看原文 2018-02-14 19:23 3828 MPI/ 《並行程序設計導論》

▶ 函數 MPI_Scatterv() 和 MPI_Gatherv() 。注意到函數 MPI_Scatter() 和 MPI_Gather() 只能向每個進程發送或接受相同個數的元素，如果希望各進程獲得或發送的元素個數不等，就需要時個用着兩個函數，不同點是將發送或接受的元素個數變成一個元素個數表和一個元素偏移表，分別指定每個進程的接受或發送狀況。

● 函數原型

 1 _Pre_satisfies_(sendbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Scatterv(
 2     _In_opt_ const void* sendbuf,                           // 指向發送數據的指針
 3     _In_opt_ const int sendcounts[],                        // 發送給各進程數據的個數表
 4     _In_opt_ const int displs[],                            // 發送給各進程數據關於 sendbuf 的偏移表，注意當 sendcounts[] 不全為 1 時 displs 是以
 5     _In_ MPI_Datatype sendtype,                             // 發送數據類型
 6     _When_(root != MPI_PROC_NULL, _Out_opt_) void* recvbuf, // 指向接收數據的指針
 7     _In_range_(>= , 0) int recvcount,                       // 接收數據個數
 8     _In_ MPI_Datatype recvtype,                             // 接收數據類型
 9     _mpi_coll_rank_(root) int root,                         // 發送數據源進程號
10     _In_ MPI_Comm comm                                      // 通信子
11 );
12 
13 _Pre_satisfies_(recvbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Gatherv(
14     _In_opt_ const void* sendbuf,                           // 指向發送數據的指針，各進程指針可以不同（自帶偏移）
15     _In_range_(>= , 0) int sendcount,                       // 發送數據個數
16     _In_ MPI_Datatype sendtype,                             // 發送數據類型
17     _When_(root != MPI_PROC_NULL, _Out_opt_) void* recvbuf, // 指向接收數據的指針
18     _In_opt_ const int recvcounts[],                        // 接收數據個數表（指定存放個數）
19     _In_opt_ const int displs[],                            // 接收數據在 recvbuf 中的偏移表（指定存放地點）
20     _In_ MPI_Datatype recvtype,                             // 接收數據類型
21     _mpi_coll_rank_(root) int root,                         // 接收數據匯進程號
22     _In_ MPI_Comm comm                                      // 通信子
23 );

● 使用范例

 1 {
 2     const int localSize = 8, nProcess = 8, globalSize = 36;
 3     int globalData[globalSize], localData[localSize], count[nProcess], disp[nProcess];
 4     int comRank, comSize, i, j;
 5 
 6     MPI_Init(&argc, &argv);
 7     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &comRank);
 8     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comSize);
 9 
10     if (comRank == 0)
11         for (i = 0; i < globalSize; globalData[i] = i, i++);
12     for (i = 0; i < comSize; count[i] = i + 1, i++);                                    // 向 0 ~ 7 號進程分別發送 1 ~ 8 個數字   
13     for (disp[0] = 0, i = 1; i < comSize; disp[i] = disp[i - 1] + count[i - 1], i++);   // 每個進程取得的元素的起始地址
14 
15     MPI_Scatterv(globalData, count, disp, MPI_INT, localData, count[comRank], MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);  // 分發數據    
16     for (i = 0; i < count[comRank]; i++)                                                // 每個進程將收到的數字加上自身的進程編號
17         localData[i] += comRank;
18     MPI_Gatherv(localData, count[comRank], MPI_INT, globalData, count, disp, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);   // 聚集數據
19 
20     if (comRank == 0)                                                                   // 輸出結果
21     {
22         for (i = 0; i < globalSize; i++)
23             printf("%d ", globalData[i]);
24     }
25     
26     MPI_Finalize();
27     return 0;
28 }

● 輸出結果：

D:\Code\MPI\MPIProjectTemp\x64\Debug>mpiexec -n 8 -l MPIProjectTemp.exe
[0]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
// 即 0+0，1+1，2+1，3+2，4+2，5+2，6+3，7+3，8+3，9+3，……，35+7

▶ 函數 MPI_Allgatherv() ，同時具備 MPI_Allgather() 和 MPI_Gatherv() 的特點，即各進程各自擁有同一向量中長度不相等的各分段，要將他們全部同步為整個向量

● 函數原型，僅比函數 MPI_Gatherv() 少了一個 root 參數

 1 _Pre_satisfies_(recvbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Allgatherv(
 2     _In_opt_ const void* sendbuf,       // 指向發送數據的指針
 3     _In_range_(>= , 0) int sendcount,   // 發送數據量
 4     _In_ MPI_Datatype sendtype,         // 發送數據類型
 5     _Out_opt_ void* recvbuf,            // 指向接收數據的指針
 6     _In_ const int recvcounts[],        // 從各進程接收的數據量
 7     _In_ const int displs[],            // 從各進程接收的數據在 recvbuf 中的偏移
 8     _In_ MPI_Datatype recvtype,         // 接收數據類型
 9     _In_ MPI_Comm comm                  // 通信子
10 );

● 使用范例

 1 int main(int argc, char **argv)
 2 {
 3     const int localSize = 8, nProcess = 8, globalSize = 36;
 4     int globalData[globalSize], localData[localSize], count[nProcess], disp[nProcess];
 5     int comRank, comSize, i;
 6 
 7     MPI_Init(&argc, &argv);
 8     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &comRank);
 9     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comSize);    
10 
11     if (comRank == 0)                        // 0 號進程初始化為所需數據，其他進程初始化為 -1
12         for (i = 0; i < globalSize; globalData[i] = i, i++);
13     else
14         for (i = 0; i < globalSize; globalData[i] = 0, i++);
15     for (i = 0; i < localSize; localData[i++] = -1);
16     for (i = 0; i < comSize; count[i] = i + 1, i++);
17     for (disp[0] = 0, i = 1; i < comSize; disp[i] = disp[i - 1] + count[i - 1], i++);
18 
19     MPI_Scatterv(globalData, count, disp, MPI_INT, localData, count[comRank], MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);  // 分發數據
20     for (i = 0; i < count[comRank]; i++)
21         localData[i] += comRank;
22     MPI_Allgatherv(localData, count[comRank], MPI_INT, globalData, count, disp, MPI_INT, MPI_COMM_WORLD);   // 聚集數據
23 
24     for (i = 0; i < globalSize; i++)
25         printf("%d ", globalData[i]);
26 
27     MPI_Finalize();
28     return 0;
29 }

● 輸出結果

D:\Code\MPI\MPIProjectTemp\x64\Debug>mpiexec -n 8 -l MPIProjectTemp.exe
[2]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[7]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[4]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[5]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[3]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[6]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[0]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42
[1]0 2 3 5 6 7 9 10 11 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 27 28 29 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41 42

▶ 函數 MPI_Alltoall()，MPI_Alltoallv()，MPI_Alltoallw() 。類似函數 MPI_Allgather() 的擴展，從每個進程的數據中挑出一部分來對所有的進程進行同步，第一個函數要求相同的大小和數據類型，第二個函數可以不同大小，第三個函數可以不同的數據類型

● 函數原型

 1 _Pre_satisfies_(recvbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Alltoall(
 2     _In_opt_ _When_(sendtype == recvtype, _In_range_(!= , recvbuf)) const void* sendbuf,// 指向發送數據的指針
 3     _In_range_(>= , 0) int sendcount,   // 發送數據個數
 4     _In_ MPI_Datatype sendtype,         // 發送數據類型
 5     _Out_opt_ void* recvbuf,            // 指向接收數據的指針
 6     _In_range_(>= , 0) int recvcount,   // 接收數據個數
 7     _In_ MPI_Datatype recvtype,         // 接收數據類型
 8     _In_ MPI_Comm comm                  // 通信子
 9 );
10 
11 
12 _Pre_satisfies_(recvbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Alltoallv(
13     _In_opt_ const void* sendbuf,       // 指向發送數據的指針
14     _In_opt_ const int sendcounts[],    // 發送數據個數列表
15     _In_opt_ const int sdispls[],       // 發送數據的偏移列表
16     _In_ MPI_Datatype sendtype,         // 發送數據類型
17     _Out_opt_ void* recvbuf,            // 指向接收數據的指針
18     _In_ const int recvcounts[],        // 接收數據個數列表
19     _In_ const int rdispls[],           // 接收數據的偏移列表
20     _In_ MPI_Datatype recvtype,         // 接收數據類型
21     _In_ MPI_Comm comm                  // 通信子
22 );
23 
24 _Pre_satisfies_(recvbuf != MPI_IN_PLACE) MPI_METHOD MPI_Alltoallw(
25     _In_opt_ const void* sendbuf,               // 指向發送數據的指針
26     _In_opt_ const int sendcounts[],            // 發送數據列表
27     _In_opt_ const int sdispls[],               // 發送數據的偏移列表
28     _In_opt_ const MPI_Datatype sendtypes[],    // 發送數據的類型列表
29     _Out_opt_ void* recvbuf,                    // 指向接收數據的指針
30     _In_ const int recvcounts[],                // 接收數據個數列表
31     _In_ const int rdispls[],                   // 接收數據的偏移列表
32     _In_ const MPI_Datatype recvtypes[],        // 接收數據類型列表
33     _In_ MPI_Comm comm                          // 通信子
34 );

● 函數 MPI_Alltoall() 使用范例

 1 {
 2     const int localSize = 8, nProcess = 8, globalSize = localSize * nProcess;
 3     int comRank, comSize, i, sendData[globalSize], receiveData[globalSize];
 4 
 5     MPI_Init(&argc, &argv);
 6     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &comRank);
 7     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comSize);
 8 
 9     for (i = 0; i < globalSize; sendData[i] = comRank + 1, receiveData[i] = 0, i++);
10 
11     MPI_Alltoall(sendData, localSize, MPI_INT, receiveData, localSize, MPI_INT, MPI_COMM_WORLD);
12 
13     for (i = 0; i < globalSize; i++)
14         printf("%d, ", sendData[i]);    
15     fflush(stdout), MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);// 使用緩沖區清空函數 fflush() 和同步函數 MPI_Barrier() 來實現分隔輸出
16     for (i = 0; i < globalSize; i++)
17         printf("%d, ", receiveData[i]);
18     
19     MPI_Finalize();
20     return 0;
21 }

● 輸出結果，前 8 行為原始數據，同一個進程內所有元素均相等；后 8 行為通信后的數據，所有的進程數據都相同，各分段的值來自不同的進程

D:\Code\MPI\MPIProjectTemp\x64\Debug>mpiexec -n 8 -l MPIProjectTemp.exe
[7]8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
[5]6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
[4]5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
[2]3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
[3]4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
[0]1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
[1]2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
[6]7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
[3]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[6]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[4]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[0]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[7]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[2]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[5]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8
[1]1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8

● 函數 MPI_Alltoallv() 使用范例

 1 {
 2     const int nProcess = 8;
 3     int sendData[nProcess * nProcess], receiveData[nProcess * nProcess];
 4     int sendCount[nProcess], receiveCount[nProcess], sendDisp[nProcess], receiveDisp[nProcess];
 5     int comRank, comSize, i;
 6 
 7     MPI_Init(&argc, &argv);
 8     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comSize);
 9     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &comRank);    
10 
11     for (i = 0; i < comSize * comSize; sendData[i] = 100 * comRank + i, receiveData[i] = -1, i++);
12     for (i = 0; i < comSize; i++)
13     {
14         sendCount[i] = i;
15         receiveCount[i] = comRank;
16         receiveDisp[i] = i * comRank;
17         sendDisp[i] = (i * (i + 1)) / 2;
18     }
19     MPI_Alltoallv(sendData, sendCount, sendDisp, MPI_INT, receiveData, receiveCount, receiveDisp, MPI_INT, MPI_COMM_WORLD);
20     for (i = 0; i < comSize * comSize; i++)
21         printf("%3d ", sendData[i]);
22     fflush(stdout), MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
23     for (i = 0; i < comSize * comSize; i++)
24         printf("%3d ", receiveData[i]);
25     /*// 二維形式打印 sendData 和 receiveData
26     for (i = 0; i < comSize; i++)
27     {
28         for (int j = 0; j < comSize; j++)
29             printf("%3d ", sendData[i*comSize + j]);
30         printf("\n");
31     }
32     fflush(stdout), MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
33     for (i = 0; i < comSize; i++)
34     {
35         for (int j = 0; j < comSize; j++)
36             printf("%3d ", receiveData[i*comSize + j]);
37         printf("\n");
38     }
39     */
40     MPI_Finalize();
41     return 0;
42 }

● 輸出結果

D:\Code\MPI\MPIProjectTemp\x64\Debug>mpiexec -n 8 -l MPIProjectTemp.exe
[2]200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263
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● 函數 MPI_Alltoallw() 使用范例（從函數 MPI_Alltoallv() 范例改過來的）

 1 {
 2     const int nProcess = 8;
 3     int sendData[nProcess * nProcess], receiveData[nProcess * nProcess];
 4     int sendCount[nProcess], receiveCount[nProcess], sendDisp[nProcess], receiveDisp[nProcess];
 5     MPI_Datatype dataType[nProcess];
 6     int comRank, comSize, i;
 7 
 8     MPI_Init(&argc, &argv);
 9     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comSize);
10     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &comRank);    
11 
12     for (i = 0; i < comSize * comSize; sendData[i] = 100 * comRank + i, receiveData[i] = -1, i++);
13     for (i = 0; i < comSize; i++)
14     {
15         sendCount[i] = i;
16         receiveCount[i] = comRank;
17         receiveDisp[i] = i * comRank * sizeof(int);   // 因為數據類型放寬，偏移地址改用字節為單位
18         sendDisp[i] = (i * (i + 1)) / 2 * sizeof(int);
19         dataType[i] = MPI_INT;                        // 數據類型從單變成為列表
20     }
21     MPI_Alltoallw(sendData, sendCount, sendDisp, dataType, receiveData, receiveCount, receiveDisp, dataType, MPI_COMM_WORLD);// 把兩個數據類型的參數換成列表
22     for (i = 0; i < comSize * comSize; i++)
23         printf("%3d ", sendData[i]);
24     fflush(stdout), MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
25     for (i = 0; i < comSize * comSize; i++)
26         printf("%3d ", receiveData[i]);
27     /*// 二維形式打印 sendData 和 receiveData
28     for (i = 0; i < comSize; i++)
29     {
30         for (int j = 0; j < comSize; j++)
31             printf("%3d ", sendData[i*comSize + j]);
32         printf("\n");
33     }
34     fflush(stdout), MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
35     for (i = 0; i < comSize; i++)
36     {
37         for (int j = 0; j < comSize; j++)
38             printf("%3d ", receiveData[i*comSize + j]);
39         printf("\n");
40     }
41     */
42     MPI_Finalize();
43     return 0;
44 }

● 輸出結果同函數 MPI_Alltoallv() 的范例

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