C++集体数据交换实现示例讲解
作者：无水先生
一、说明
到目前为止介绍的功能共享一对一的关系：即一个进程发送和一个进程接收。链接是通过标签建立的。本节介绍在多个进程中调用相同参数但执行不同操作的函数。对于一个进程，函数可能会发送数据，对于另一个进程，它可能会接收数据。这些功能称为集体操作。
二、示例和代码
示例 47.9。使用 gather() 从多个进程接收数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <vector>
#include <string>
#include <iterator>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
if (world.rank() == 0)
{
std::vector<std::string> v;
boost::mpi::gather<std::string>(world, "", v, 0);
std::ostream_iterator<std::string> out{std::cout, "\n"};
std::copy(v.begin(), v.end(), out);
}
else if (world.rank() == 1)
{
boost::mpi::gather(world, std::string{"Hello, world!"}, 0);
}
else if (world.rank() == 2)
{
boost::mpi::gather(world, std::string{"Hello, moon!"}, 0);
}
}示例 47.9 在多个进程中调用函数 boost::mpi::gather()。函数是发送还是接收取决于参数。
等级为 1 和 2 的进程使用 boost::mpi::gather() 发送数据。它们将发送的数据作为参数传递——字符串“Hello, world!”和“你好，月亮！” – 以及数据应传输到的进程的级别。由于 boost::mpi::gather() 不是成员函数，因此还必须传递 communicator world。
等级为 0 的进程调用 boost::mpi::gather() 来接收数据。由于数据必须存储在某个地方，因此传递了一个 std::vector<std::string> 类型的对象。请注意，您必须将此类型与 boost::mpi::gather() 一起使用。不支持其他容器或字符串类型。
排名 0 的进程必须传递与排名 1 和 2 的进程相同的参数。这就是排名 0 的进程也传递 world、要发送的字符串和 0 到 boost::mpi::gather() 的原因。
如果您使用三个进程启动示例 47.9，您好，世界！和你好，月亮！被显示。如果仔细查看输出，您会注意到首先写入了一个空行。第一行是等级为 0 的进程传递给 boost::mpi::gather() 的空字符串。 v 中有三个字符串，它们是从等级为 0、1 和 2 的进程接收的。向量中元素的索引对应于进程的等级。如果多次运行该示例，您将始终得到一个空字符串作为向量中的第一个元素，“Hello, world!”作为第二个元素和“你好，月亮！”作为第三个。
请注意，您不得使用超过三个进程运行示例 47.9。例如，如果您使用 -n 4 启动 mpiexec，则不会显示任何数据。该程序将挂起，必须使用 CTRL+C 中止。
必须对所有进程执行集体操作。如果您的程序调用诸如 boost::mpi::gather() 之类的函数，您必须确保该函数在所有进程中都被调用。否则就违反了 MPI 标准。因为像 boost::mpi::gather() 这样的函数必须被所有进程调用，所以每个进程的调用通常没有不同，如示例 47.9 所示。将前面的示例与执行相同操作的示例 47.10 进行比较。
示例 47.10。使用 gather() 从所有进程收集数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <vector>
#include <string>
#include <iterator>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
std::string s;
if (world.rank() == 1)
s = "Hello, world!";
else if (world.rank() == 2)
s = "Hello, moon!";
std::vector<std::string> v;
boost::mpi::gather(world, s, v, 0);
std::ostream_iterator<std::string> out{std::cout, "\n"};
std::copy(v.begin(), v.end(), out);
}您为所有流程中的集体操作调用函数。通常函数的定义方式很清楚必须执行哪个操作，即使所有进程都传递相同的参数。
示例 47.10 使用 boost::mpi::gather() 来收集数据。数据在其等级作为最后一个参数传递给 boost::mpi::gather() 的过程中收集。此进程收集它从所有进程接收的数据。存储数据的向量仅供收集数据的进程使用。
boost::mpi::gather() 从所有进程收集数据。这包括收集数据的过程。在示例 47.10 中，这是等级为 0 的进程。该进程在 s 中向自身发送一个空字符串。空字符串存储在 v 中。正如您将在以下示例中看到的，集合操作始终包括所有进程。
您可以使用任意数量的进程运行示例 47.10，因为每个进程都会调用 boost::mpi::gather()。如果您使用三个进程运行该示例，结果将与前面的示例类似。
示例 47.11。在所有进程中使用 scatter() 分散数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
std::vector<std::string> v{"Hello, world!", "Hello, moon!",
"Hello, sun!"};
std::string s;
boost::mpi::scatter(world, v, s, 0);
std::cout << world.rank() << ": " << s << '\n';
}示例 47.11 介绍了函数 boost::mpi::scatter()。它与 boost::mpi::gather() 相反。 boost::mpi::gather() 将来自多个进程的数据收集到一个进程中，而 boost::mpi::scatter() 将来自一个进程的数据分散到多个进程中。
示例 47.11 将来自排名为 0 的进程的 v 中的数据分散到所有进程，包括它自己。等级为 0 的进程接收到字符串“Hello, world!”在 s 中，排名为 1 的进程收到“你好，月亮！”在 s 中，等级为 2 的进程收到“Hello, sun!”秒。
示例 47.12。使用 broadcast() 向所有进程发送数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <string>
#include <iostream>
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
std::string s;
if (world.rank() == 0)
s = "Hello, world!";
boost::mpi::broadcast(world, s, 0);
std::cout << s << '\n';
}boost::mpi::broadcast() 将数据从一个进程发送到所有进程。此函数与 boost::mpi::scatter() 之间的区别在于将相同的数据发送到所有进程。在示例 47.12 中，所有进程都收到字符串“Hello, world!”在 s 中写下你好，世界！到标准输出流。
示例 47.13。使用 reduce() 收集和分析数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <string>
#include <iostream>
std::string min(const std::string &lhs, const std::string &rhs)
{
return lhs.size() < rhs.size() ? lhs : rhs;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
std::string s;
if (world.rank() == 0)
s = "Hello, world!";
else if (world.rank() == 1)
s = "Hello, moon!";
else if (world.rank() == 2)
s = "Hello, sun!";
std::string result;
boost::mpi::reduce(world, s, result, min, 0);
if (world.rank() == 0)
std::cout << result << '\n';
}boost::mpi::reduce() 从多个进程收集数据，如 boost::mpi::gather()。但是，数据不存储在向量中。 boost::mpi::reduce() 需要一个函数或函数对象，它将用于分析数据。
如果您使用三个进程运行示例 47.13，则排名为 0 的进程会收到字符串“Hello, sun!”结果。对 boost::mpi::reduce() 的调用收集并分析所有进程传递给它的字符串。它们使用函数 min() 进行分析，该函数作为第四个参数传递给 boost::mpi::reduce()。 min() 比较两个字符串并返回较短的一个。
如果您使用三个以上的进程运行示例 47.13，则会显示一个空字符串，因为排名大于 2 的所有进程都会将一个空字符串传递给 boost::mpi::reduce()。将显示空字符串，因为它比“Hello, sun!”短
示例 47.14。使用 all_reduce() 收集和分析数据
#include <boost/mpi.hpp>
#include <boost/serialization/string.hpp>
#include <string>
#include <iostream>
std::string min(const std::string &lhs, const std::string &rhs)
{
return lhs.size() < rhs.size() ? lhs : rhs;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
boost::mpi::environment env{argc, argv};
boost::mpi::communicator world;
std::string s;
if (world.rank() == 0)
s = "Hello, world!";
else if (world.rank() == 1)
s = "Hello, moon!";
else if (world.rank() == 2)
s = "Hello, sun!";
std::string result;
boost::mpi::all_reduce(world, s, result, min);
std::cout << world.rank() << ": " << result << '\n';
}示例 47.14 使用函数 boost::mpi::all_reduce()，它像 boost::mpi::reduce() 一样收集和分析数据。这两个函数之间的区别在于 boost::mpi::all_reduce() 将分析结果发送到所有进程，而 boost::mpi::reduce() 使结果仅可用于排名作为传递的进程最后一个参数。因此，没有排名传递给 boost::mpi::all_reduce()。如果您使用三个进程运行示例 47.14，每个进程都会写入 Hello, sun!到标准输出流。
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