MPI Une Bibliothèque de communication par messages
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- Jean-René Joseph
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1 MPI Une Bibliothèque de communication par messages Master SAR Module AR (MI048) Plan Généralités Communicateurs Messages Classification des communications! Point à point Synchrones / asynchrones Bloquantes / non-bloquantes! Collectives 2
2 Qu!est-ce que MPI? Message Passing Interface Une bibliothèque permettant de faire communiquer par messages des processus! Distants! Sur des machines qui peuvent être hétérogènes Pour des applications écrites en C ou en Fortran 3 Qu!est-ce qu!il y a dans MPI? Des communications point-à-point! plusieurs modes de communication.! support pour les buffers structurés et les types dérivés.! support pour l!hétérogénéité. Routines de communication collectives! Opérations pré-définies et utilisateur.! Communication dans les sous-groupes de processus. 4
3 Comment programmer sous MPI? Chaque processus a son propre flot de contrôle et son propre espace d!adressage.! mais tous les affichages sont renvoyés sur la machine locale utilisation d!une représentation interne des données! masque l!hétérogénéité Gestion de la communication par l!intermédiaire des routines de la librairie! Les noms des routines MPI débutent par «"MPI_"»; 5 Primitives de Bases Pour l'initialisation, on utilise la primitive MPI_Init qui doit être la première fonction appelée : int MPI_Init(int* argc, char*** argv); Pour sortir de MPI, on utilise MPI_Finalize qui doit être la dernière fonction appelée. Cette primitive doit être impérativement appelée par tous les processus. int MPI_Finalize(); 6
4 Notion de communicateur Type MPI_Comm Définit un ensemble statique de processus.! Peut être créé ou détruit en cours d!application! Utile pour les communications collectives Un processus a un ou plusieurs identifiants de la forme : (communicateur, numéro)! Un processus peut appartenir à plusieurs communicateurs! Il peut avoir un numéro différent dans chaque communicateur Chaque communication MPI doit préciser le communicateur concerné.! Permet l!identification de l!émetteur / du destinataire MPI_COMM_WORLD est un communicateur prédéfini. 7 Informations sur le communicateur Combien de processus y a-t-il dans le communicateur comm? int MPI_Comm_size(MPI_Comm comm, int *size); Quel est mon numéro dans le communicateur comm? int MPI_Comm_rank(MPI_Comm comm, int* rank); 8
5 MPI_COMM_WORLD Le communicateur MPI_COMM_WORLD contient tous les processus démarrés. int rang; MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang);! Le couple (MPI_COMM_WORLD, rang) identifie un processus de manière unique MPI_COMM_WORLD Structure d'un message sous MPI Un message est divisé en une zone de données et une enveloppe :! Les données : Adresse du buffer; Nombre d'éléments; Type (pour masquer l'hétérogénéité).! L'enveloppe : Le Communicateur. Le rang du processus (source/destination) dans ce communicateur ; L!étiquette du message (tag) 10
6 Comment typer les messages? L!étiquette du message : int tag Permet de séparer données et contrôle Un processus peut se mettre en attente d!un message de tag donné! Le tag du message attendu doit être égal au tag d!un message reçu (pas forcément le premier) Un processus peut se mettre en attente d!un message de tag quelconque : MPI_ANY_TAG 11 Contenu des messages MPI La zone de données peut contenir :! Un tableau de type élémentaires.! Un tableau de type construit! D!autres structures, vraiment complexes! Vous pouvez construire vos propres types. Puis construire de nouveaux types récursivement.! A cause de l!hétérogénéité, la construction de types est complexe! 12
7 Types de données MPI MPI_CHAR MPI_SHORT MPI_INT MPI_LONG MPI_UNSIGNED_CHAR MPI_UNSIGNED_SHORT MPI_UNSIGNED MPI_UNSIGNED_LONG MPI_FLOAT MPI_DOUBLE MPI_LONG_DOUBLE C signed char signed short signed int signed long unsigned char unsigned short unsigned int unsigned long float double long double 13 Les communications MPI Communications fiables! Tout message émis est reçu exactement une fois Communications FIFO! Pour tout couple de processus (Pi, Pj) :! Pour tout couple (m, m!) de messages émis par Pi à destination de Pj : Si m est envoyé avant m!, alors m est reçu avant m!! Cette condition ne s!applique pas si les destinataires sont différents Le buffer de réception n!est pas une file 14
8 La communication point à point Forme la plus simple de communication. Processus0 Processus1 Data Mémoire send(data) Data Mémoire receive(data) send(buffer, buffer_size, [tag], destination) receive(buffer, buffer_size, [tag], [source]) 15 Sous-ensemble MPI-1 Il suffit de 6 routines pour écrire des programmes MPI simples : MPI_Init(...) MPI_Comm_size(...) MPI_Comm_rank(...) MPI_Send(...) MPI_Recv(...) MPI_Finalize() MPI est simple! 16
9 Exemple #include <mpi.h> int main(int argc, char *argv[]){ char msg[20]; int rang; MPI_Status status; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang); if (rang == 0) { /* Execute seulement par 0 */ strcpy(msg, "Hello world!"); MPI_Send(msg, strlen(msg)+1, MPI_CHAR, 1, 99, MPI_COMM_WORLD); else { MPI_Recv(msg, 20, MPI_CHAR, 0, 99, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("j'ai recu %s!\n", msg); MPI_Finalize(); return 0; 17 MPI : modes de communication Opération à réaliser :! Envoi par P0 du contenu du buffer A! Réception par P1 des données et stockage dans un buffer B Options :! Communication synchrone / asynchrone Dépend de l!environnement de l!application! ( Communication bloquante / non bloquante ) 18
10 Communications bloquantes Emission :! Lorsque l!émission se termine, le buffer qui contenait les données envoyées peut être réutilisé! Le fait que les données aient été effectivement reçues par le destinataire n!est garanti que si la communication est synchrone Réception :! Lorsque la réception se termine, les données sont disponibles dans le buffer du destinataire 19 Emission synchrone L!émission ne peut s!exécuter que lorsque le destinataire appelle une primitive de réception (RDV)! Pas besoin de zone de stockage intermédiaire : les données sont copiées directement dans la zone de réception du destinataire A Ssend B Recv 20
11 Emission asynchrone Lorsque l!émission se termine :! Soit les données ont été reçues! Soit elles sont en transit (-> copiées dans un tampon système) Possibilité d!une zone de stockage intermédiaire! Dépend de l!implémentation Send A tampon B Recv 21 Réception La réception se termine lorsque les données sont disponibles dans le buffer de réception Recv Send B A 22
12 Les primitives MPI Emission :! MPI_Ssend : synchrone bloquant! MPI_Send: asynchrone bloquant Réception :! MPI_Recv : asynchrone bloquant 23 Emission : les paramètres Emission bloquante : Send et Ssend! L!adresse de début de la zone d!émission : void* buf! Le nombre de données envoyées : int nb! Le type des données (homogènes) : MPI_Datatype dtype! L!identité du destinataire : int dest! L!étiquette du message : int tag! Le communicateur : MPI_Comm comm 24
13 Réception : les paramètres Réception bloquante : Recv :! L!adresse de début de la zone de réception : void* buf! Le nombre de données stockables dans buf : int nb! Le type des données (homogènes) : MPI_Datatype dtype! L!identité de l!émetteur : int source! L!étiquette du message : int tag! Le communicateur : MPI_Comm comm! Les informations complémentaires : MPI_Status *status 25 Les «"jokers"» Pour recevoir un message dont on ne connaît pas l!émetteur a priori! MPI_ANY_SOURCE Pour recevoir un message dont on ne connaît pas le type a priori! MPI_ANY_TAG Possibilité de récupérer l!identité de l!émetteur ou le type du message à travers le «"status"» 26
14 L'objet Status Pour obtenir des informations sur la communication après réception :! L!émetteur! L!étiquette! Le nombre de données effectivement envoyées Structure de type prédéfini MPI_Status! accès à la valeur du tag : status.mpi_tag;! accès à l!identité de l!émetteur : status.mpi_source; Peut être interrogé par l!intermédiaire d!une routine! MPI_Get_Count(&status, datatype, &count); Renvoie dans count le nombre d!objets de type datatype reçus. 27 Exemple à 3 processus int main(int argc, char *argv[]){ int msg = 2; int rang; MPI_Status status; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang); if (rang == 0) { /* 0 attend 2 messages */ MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, MPI_ANY_SOURCE, 99, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("hello %d!\n", status.mpi_source); MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, MPI_ANY_SOURCE, 99, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("hello %d!\n", status.mpi_source); else { MPI_Send(&msg, 1, MPI_INT, 0, 99, MPI_COMM_WORLD); MPI_Finalize(); return 0; 28
15 Attention : l!utilisation de jokers Proc 0 Proc 1 Proc 2 recv (any) recv (any) send (1) send (0) send (0) recv (1) recv (0) send (2) recv (2) send (1) Exécution OK 29 peut créer des blocages! Proc 0 Proc 1 Proc 2 recv (any) recv (any) send (1) send (0) send (0) recv (1) recv (2) recv (0) Blocage! 30
16 Test du contenu d!un message Utile si le contenu du message dépend! De l!émetteur! Ou de l!étiquette! Ou des deux MPI_Probe(int source, int tag, MPI_Comm com, MPI_Status *status) Permet de s!informer sur le message, sans le retirer de la file de réception Le status permet d!identifier le message et définir une zone de réception adéquate pour les données. 31 Le buffer n!est pas une file int main(int argc, char *argv[]){ int msg = 3; int rang; MPI_Status status; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang); if (rang == 0) { /* 0 envoie a 1 */ MPI_Send(&msg, 1, MPI_INT, 1, 98, MPI_COMM_WORLD); msg = 5; MPI_Send(&msg, 1, MPI_INT, 1, 99, MPI_COMM_WORLD); else { MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, 0, 99, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("i received %d \n", msg); MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, 0, 98, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("j ai recu %d \n", msg); MPI_Finalize(); return 0; NON BLOQUANT 32
17 Mais int main(int argc, char *argv[]){ int msg = 3; int rang; MPI_Status status; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang); if (rang == 0) { /* 0 envoie a 1 */ MPI_Send(&msg, 1, MPI_INT, 1, 98, MPI_COMM_WORLD); msg = 5; MPI_Send(&msg, 1, MPI_INT, 1, 98, MPI_COMM_WORLD); else { MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, 0, 98, MPI_COMM_WORLD, &status); MPI_Recv(&msg, 1, MPI_INT, 0, 98, MPI_COMM_WORLD, &status); printf("la valeur de msg est : %d \n", msg); MPI_Finalize(); return 0; La valeur affichée est toujours 5 33 Communications collectives Principes Routines de haut niveau permettant de gérer simultanément plusieurs communications. Doivent être appelées par tous les processus du communicateur Utilisent les routines de communication point à point. Exemples Broadcast : envoi d!un message à tout le monde : MPI_Bcast Barrière de synchronisation : tout le monde attend à un point de RDV Distribution de données : chaque processus reçoit une donnée différente Réduction : combinaison des données de plusieurs processus pour obtenir un résultat 34
18 La diffusion d!une donnée int MPI_Bcast(void* buf, int count, MPI_Datatype dtype, int root, MPI_Comm comm) Le contenu de la variable buf du processus de rang root est envoyé à tous les processus du communicateur. Ces données sont copiées dans la variable buf de tous les processus de comm, y compris root. 35 #include <stdio.h> #include <string.h> #include <mpi.h> Exemple de broadcast int main(int argc, char *argv[]) { char msg[20]; int rang; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rang); if (rang == 0) { /*-- on choisit 0 comme emetteur --*/ strcpy(msg, "Hello world!"); MPI_Bcast(msg, 20, MPI_CHAR, 0, MPI_COMM_WORLD); printf("je suis %d et je recois : %s\n", rang, msg); MPI_Finalize(); return 0; 36
19 Conclusion Programmation intuitive (une fois qu!on dispose d!un algorithme!) Chaque processus est séquentiel! C!est au programmeur de gérer l!indéterminisme : le processus doit-il exécuter une émission ou une réception? Possibilité d!une vraie exécution répartie (processus sur machines distantes) 37
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