MPI n 体问题

Wesley13
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▶ 《并行程序设计导论》第六章中讨论了 n 体问题,分别使用了 MPI,Pthreads,OpenMP 来进行实现,这里是 MPI 的代码,分为基本算法和简化算法(引力计算量为基本算法的一半,但是消息传递较为复杂)

● 基本算法

  1 //mpi_nbody_basic.c,MPI 基本算法
  2 #include <stdio.h>
  3 #include <stdlib.h>
  4 #include <string.h>
  5 #include <math.h>
  6 #include <mpi.h>
  7 
  8 #define OUTPUT                          // 要求输出结果
  9 #define DEBUG                           // debug 模式,每个函数给出更多的输出
 10 #define DIM     2                       // 二维系统
 11 #define X       0                       // X 坐标
 12 #define Y       1                       // Y 坐标
 13 typedef double vect_t[DIM];             // 向量数据类型
 14 const double G = 6.673e-11;             // 万有引力常量
 15 int my_rank, comm_sz;                   // 进程编号和总进程数
 16 MPI_Datatype vect_mpi_t;                // 使用的派生数据类型
 17 vect_t *vel = NULL;                     // 全局颗粒速度,用于 0 号进程的输出
 18 
 19 void Usage(char* prog_name)// 输入说明
 20 {
 21     fprintf(stderr, "usage: mpiexec -n <nProcesses> %s\n", prog_name);
 22     fprintf(stderr, "<nParticle> <nTimestep> <sizeTimestep> <outputFrequency> <g|i>\n");
 23     fprintf(stderr, "    'g': inite condition by random\n");
 24     fprintf(stderr, "    'i': inite condition from stdin\n");
 25     exit(0);
 26 }
 27 
 28 void Get_args(int argc, char* argv[], int* n_p, int* n_steps_p, double* delta_t_p, int* output_freq_p, char* g_i_p)// 获取参数信息
 29 {                                                                     // 所有进程均调用该函数,因为有集合通信,但只有 0 号进程处理参数
 30     if (my_rank == 0)
 31     {
 32         if (argc != 6)
 33             Usage(argv[0]);
 34         *n_p = strtol(argv[1], NULL, 10);
 35         *n_steps_p = strtol(argv[2], NULL, 10);
 36         *delta_t_p = strtod(argv[3], NULL);
 37         *output_freq_p = strtol(argv[4], NULL, 10);
 38         *g_i_p = argv[5][0];
 39         if (*n_p <= 0 || *n_p % comm_sz || *n_steps_p < 0 || *delta_t_p <= 0 || *g_i_p != 'g' && *g_i_p != 'i')// 不合要求的输入情况
 40         {
 41             printf("haha\n");
 42             if (my_rank == 0)
 43                 Usage(argv[0]);
 44             MPI_Finalize();
 45             exit(0);
 46         }
 47     }
 48     MPI_Bcast(n_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 49     MPI_Bcast(n_steps_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 50     MPI_Bcast(delta_t_p, 1, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
 51     MPI_Bcast(output_freq_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 52     MPI_Bcast(g_i_p, 1, MPI_CHAR, 0, MPI_COMM_WORLD);
 53 #   ifdef DEBUG// 确认各进程中的参数情况
 54     printf("Get_args, rank%2d n %d n_steps %d delta_t %e output_freq %d g_i %c\n",
 55         my_rank, *n_p, *n_steps_p, *delta_t_p, *output_freq_p, *g_i_p);
 56     fflush(stdout);
 57 #   endif
 58 }
 59 
 60 void Gen_init_cond(double masses[], vect_t pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)// 自动生成初始条件,所有进程均调用该函数,因为有集合通信
 61 {                                                          // 生成的颗粒位于原点和 X 正半轴,速度大小相等,方向平行于 Y 轴,交错向上下
 62     const double mass = 5.0e24, gap = 1.0e5, speed = 3.0e4;// 使用了地球的质量和公转速度
 63     if (my_rank == 0)
 64     {
 65         // srand(2);// 使用随机方向和速度大小,下同
 66         for (int i = 0; i < n; i++)
 67         {
 68             masses[i] = mass;
 69             pos[i][X] = i * gap;
 70             pos[i][Y] = 0.0;
 71             vel[i][X] = 0.0;
 72             // vel[i][Y] = speed * (2 * rand() / (double)RAND_MAX) - 1);
 73             vel[i][Y] = (i % 2) ? -speed : speed;
 74         }
 75     }
 76     // 同步质量,位置信息,分发速度信息
 77     MPI_Bcast(masses, n, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
 78     MPI_Bcast(pos, n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
 79     MPI_Scatter(vel, loc_n, vect_mpi_t, loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
 80 #   ifdef DEBUG// 确认各进程中第一个颗粒的初始条件 
 81     printf("Gen_init_cond, rank%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
 82         my_rank, masses[0], pos[0][X], pos[0][Y], loc_vel[0][X], loc_vel[0][Y]);
 83     fflush(stdout);
 84 #   endif
 85 }
 86 
 87 void Get_init_cond(double masses[], vect_t pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)// 手工输入初始条件,类似函数 Gen_init_cond()
 88 {
 89     if (my_rank == 0)
 90     {
 91         printf("For each particle, enter (in order): mass x-coord y-coord x-velocity y-velocity\n");
 92         for (int i = 0; i < n; i++)
 93         {
 94             scanf_s("%lf", &masses[i]);
 95             scanf_s("%lf", &pos[i][X]);
 96             scanf_s("%lf", &pos[i][Y]);
 97             scanf_s("%lf", &vel[i][X]);
 98             scanf_s("%lf", &vel[i][Y]);
 99         }
100     }
101     MPI_Bcast(masses, n, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
102     MPI_Bcast(pos, n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
103     MPI_Scatter(vel, loc_n, vect_mpi_t, loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
104 #   ifdef DEBUG
105     printf("Get_init_cond, rank%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
106         my_rank, masses[0], pos[0][X], pos[0][Y], loc_vel[0][X], loc_vel[0][Y]);
107     fflush(stdout);
108 #   endif
109 }
110 
111 void Output_state(double time, double masses[], vect_t pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)// 输出当前状态
112 {
113     MPI_Gather(loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, vel, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);// 从各进程聚集速度信息用于输出
114     if (my_rank == 0)
115     {
116         printf("Output_state, time = %.2f\n", time);
117         for (int i = 0; i < n; i++)
118             printf(" %2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n", i, masses[i], pos[i][X], pos[i][Y], vel[i][X], vel[i][Y]);
119         printf("\n");
120         fflush(stdout);
121     }
122 }
123 
124 void Compute_force(int loc_part, double masses[], vect_t loc_forces[], vect_t pos[], int n, int loc_n)// 计算颗粒 part 受到的万有引力
125 {
126     const int part = my_rank * loc_n + loc_part;// 将局部颗粒编号转化为全局颗粒编号
127     int k;
128     vect_t f_part_k;
129     double len, fact;
130     for (loc_forces[loc_part][X] = loc_forces[loc_part][Y] = 0.0, k = 0; k < n; k++)
131     {
132         if (k != part)
133         {
134             f_part_k[X] = pos[part][X] - pos[k][X];
135             f_part_k[Y] = pos[part][Y] - pos[k][Y];
136             len = sqrt(f_part_k[X] * f_part_k[X] + f_part_k[Y] * f_part_k[Y]);
137             fact = -G * masses[part] * masses[k] / (len * len * len);
138             f_part_k[X] *= fact;
139             f_part_k[Y] *= fact;
140             loc_forces[loc_part][X] += f_part_k[X];
141             loc_forces[loc_part][Y] += f_part_k[Y];
142 #           ifdef DEBUG// 确认计算结果            
143             printf("Compute_force, rank%2d k%2d> %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n", my_rank, k, len, fact, f_part_k[X], f_part_k[Y]);
144             fflush(stdout);// 函数 printf() 中引用 vel 会导致非 0 号进程中断退出,吃了大亏
145 #           endif            
146         }
147     }
148 }
149 
150 void Update_part(int loc_part, double masses[], vect_t loc_forces[], vect_t loc_pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n, double delta_t)// 更新颗粒位置
151 {
152     const int part = my_rank * loc_n + loc_part;
153     const double fact = delta_t / masses[part];
154 #   ifdef DEBUG// 输出在更新前和更新后的数据
155     printf("Update_part before, part%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
156         part, loc_pos[loc_part][X], loc_pos[loc_part][Y], loc_vel[loc_part][X], loc_vel[loc_part][Y], loc_forces[loc_part][X], loc_forces[loc_part][Y]);
157     fflush(stdout);
158 #   endif    
159     loc_pos[loc_part][X] += delta_t * loc_vel[loc_part][X];
160     loc_pos[loc_part][Y] += delta_t * loc_vel[loc_part][Y];
161     loc_vel[loc_part][X] += fact * loc_forces[loc_part][X];
162     loc_vel[loc_part][Y] += fact * loc_forces[loc_part][Y];
163 #   ifdef DEBUG
164     printf("Update_part after, part%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
165         part, loc_pos[loc_part][X], loc_pos[loc_part][Y], loc_vel[loc_part][X], loc_vel[loc_part][Y]);
166     fflush(stdout);
167 #   endif
168 }
169 
170 int main(int argc, char* argv[])
171 {
172     int n, loc_n, loc_part;     // 颗粒数,每进程颗粒数,当前颗粒(循环变量)
173     int n_steps, step;          // 计算时间步数,当前时间片(循环变量)
174     double delta_t;             // 计算时间步长
175     int output_freq;            // 数据输出频率    
176     double *masses;             // 颗粒质量,每个进程都有,一经初始化和同步就不再改变
177     vect_t *pos, *loc_pos;      // 颗粒位置,每个时间片计算完成后需要同步
178     vect_t *loc_vel;            // 颗粒速度,由各进程分开保存,不到输出时不用同步
179     vect_t *loc_forces;         // 各进程的颗粒所受引力
180     char g_i;                   // 初始条件选项,g 为自动生成,i 为手工输入
181     double start, finish;       // 计时器
182 
183     MPI_Init(&argc, &argv);
184     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comm_sz);
185     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &my_rank);
186     MPI_Type_contiguous(DIM, MPI_DOUBLE, &vect_mpi_t);// 提交需要的派生类型
187     MPI_Type_commit(&vect_mpi_t);
188 
189     // 获取参数,初始化数组
190     Get_args(argc, argv, &n, &n_steps, &delta_t, &output_freq, &g_i);
191     loc_n = n / comm_sz;                                    // 要求 n % comm_sz == 0
192     masses = (double*)malloc(n * sizeof(double));
193     pos = (vect_t*)malloc(n * sizeof(vect_t));
194     loc_pos = pos + my_rank * loc_n;
195     loc_vel = (vect_t*)malloc(loc_n * sizeof(vect_t));
196     loc_forces = (vect_t*)malloc(loc_n * sizeof(vect_t));
197     if (my_rank == 0)
198         vel = (vect_t*)malloc(n * sizeof(vect_t));
199     if (g_i == 'g')
200         Gen_init_cond(masses, pos, loc_vel, n, loc_n);
201     else
202         Get_init_cond(masses, pos, loc_vel, n, loc_n);
203 
204     // 开始计算并计时
205     if (my_rank == 0)
206         start = MPI_Wtime();
207 #   ifdef OUTPUT// 输出出初始态    
208     Output_state(0.0, masses, pos, loc_vel, n, loc_n);
209 #   endif    
210     for (step = 1; step <= n_steps; step++)
211     {
212         // 计算每颗粒受力,更新颗粒状态,然后同步颗粒位置
213         for (loc_part = 0; loc_part < loc_n; Compute_force(loc_part++, masses, loc_forces, pos, n, loc_n));
214         for (loc_part = 0; loc_part < loc_n; Update_part(loc_part++, masses, loc_forces, loc_pos, loc_vel, n, loc_n, delta_t));
215         MPI_Allgather(MPI_IN_PLACE, loc_n, vect_mpi_t, pos, loc_n, vect_mpi_t, MPI_COMM_WORLD);
216 #       ifdef OUTPUT// 每隔一个输出时间间隔就输出一次
217         if (step % output_freq == 0)
218             Output_state(step * delta_t, masses, pos, loc_vel, n, loc_n);
219 #       endif
220     }
221     // 报告计时,释放资源
222     if (my_rank == 0)
223     {
224         finish = MPI_Wtime();
225         printf("Elapsed time = %e ms\n", (finish - start) * 1000);
226         free(vel);
227     }
228     MPI_Type_free(&vect_mpi_t);
229     free(masses);
230     free(pos);
231     free(loc_vel);
232     free(loc_forces);
233     MPI_Finalize();
234     return 0;
235 }

● 输出结果。8 进程 16 体,3 秒,时间步长 1 秒,舍去 debug 输出 1.264884e+00 ms;8 进程 1024 体,3600 秒,时间步长 1 秒,舍去 output 和 debug 输出 1.328894e+04 ms

D:\Code\MPI\MPIProjectTemp\x64\Debug>mpiexec -n 8 MPIProjectTemp.exe 16 3 1 1 g
Output_state, time = 0.00
  0  5.000e+24  0.000e+00  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
  1  5.000e+24  1.000e+05  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
  2  5.000e+24  2.000e+05  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
  3  5.000e+24  3.000e+05  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
  4  5.000e+24  4.000e+05  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
  5  5.000e+24  5.000e+05  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
  6  5.000e+24  6.000e+05  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
  7  5.000e+24  7.000e+05  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
  8  5.000e+24  8.000e+05  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
  9  5.000e+24  9.000e+05  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
 10  5.000e+24  1.000e+06  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
 11  5.000e+24  1.100e+06  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
 12  5.000e+24  1.200e+06  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
 13  5.000e+24  1.300e+06  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04
 14  5.000e+24  1.400e+06  0.000e+00  0.000e+00  3.000e+04
 15  5.000e+24  1.500e+06  0.000e+00  0.000e+00 -3.000e+04

Output_state, time = 1.00
  0  5.000e+24  0.000e+00  3.000e+04  5.273e+04  3.000e+04
  1  5.000e+24  1.000e+05 -3.000e+04  1.922e+04 -3.000e+04
  2  5.000e+24  2.000e+05  3.000e+04  1.071e+04  3.000e+04
  3  5.000e+24  3.000e+05 -3.000e+04  6.802e+03 -3.000e+04
  4  5.000e+24  4.000e+05  3.000e+04  4.485e+03  3.000e+04
  5  5.000e+24  5.000e+05 -3.000e+04  2.875e+03 -3.000e+04
  6  5.000e+24  6.000e+05  3.000e+04  1.614e+03  3.000e+04
  7  5.000e+24  7.000e+05 -3.000e+04  5.213e+02 -3.000e+04
  8  5.000e+24  8.000e+05  3.000e+04 -5.213e+02  3.000e+04
  9  5.000e+24  9.000e+05 -3.000e+04 -1.614e+03 -3.000e+04
 10  5.000e+24  1.000e+06  3.000e+04 -2.875e+03  3.000e+04
 11  5.000e+24  1.100e+06 -3.000e+04 -4.485e+03 -3.000e+04
 12  5.000e+24  1.200e+06  3.000e+04 -6.802e+03  3.000e+04
 13  5.000e+24  1.300e+06 -3.000e+04 -1.071e+04 -3.000e+04
 14  5.000e+24  1.400e+06  3.000e+04 -1.922e+04  3.000e+04
 15  5.000e+24  1.500e+06 -3.000e+04 -5.273e+04 -3.000e+04

Output_state, time = 2.00
  0  5.000e+24  5.273e+04  6.000e+04  9.288e+04  1.641e+04
  1  5.000e+24  1.192e+05 -6.000e+04  3.818e+04 -3.791e+03
  2  5.000e+24  2.107e+05  6.000e+04  2.116e+04  3.791e+03
  3  5.000e+24  3.068e+05 -6.000e+04  1.356e+04 -3.101e+03
  4  5.000e+24  4.045e+05  6.000e+04  8.930e+03  3.101e+03
  5  5.000e+24  5.029e+05 -6.000e+04  5.739e+03 -2.959e+03
  6  5.000e+24  6.016e+05  6.000e+04  3.218e+03  2.959e+03
  7  5.000e+24  7.005e+05 -6.000e+04  1.043e+03 -2.929e+03
  8  5.000e+24  7.995e+05  6.000e+04 -1.043e+03  2.929e+03
  9  5.000e+24  8.984e+05 -6.000e+04 -3.218e+03 -2.959e+03
 10  5.000e+24  9.971e+05  6.000e+04 -5.739e+03  2.959e+03
 11  5.000e+24  1.096e+06 -6.000e+04 -8.930e+03 -3.101e+03
 12  5.000e+24  1.193e+06  6.000e+04 -1.356e+04  3.101e+03
 13  5.000e+24  1.289e+06 -6.000e+04 -2.116e+04 -3.791e+03
 14  5.000e+24  1.381e+06  6.000e+04 -3.818e+04  3.791e+03
 15  5.000e+24  1.447e+06 -6.000e+04 -9.288e+04 -1.641e+04

Output_state, time = 3.00
  0  5.000e+24  1.456e+05  7.641e+04  1.273e+05 -1.575e+03
  1  5.000e+24  1.574e+05 -6.379e+04  5.867e+04  2.528e+04
  2  5.000e+24  2.319e+05  6.379e+04  2.685e+04 -2.069e+04
  3  5.000e+24  3.204e+05 -6.310e+04  1.884e+04  2.228e+04
  4  5.000e+24  4.134e+05  6.310e+04  1.235e+04 -2.151e+04
  5  5.000e+24  5.086e+05 -6.296e+04  8.111e+03  2.179e+04
  6  5.000e+24  6.048e+05  6.296e+04  4.537e+03 -2.163e+04
  7  5.000e+24  7.016e+05 -6.293e+04  1.493e+03  2.169e+04
  8  5.000e+24  7.984e+05  6.293e+04 -1.493e+03 -2.169e+04
  9  5.000e+24  8.952e+05 -6.296e+04 -4.537e+03  2.163e+04
 10  5.000e+24  9.914e+05  6.296e+04 -8.111e+03 -2.179e+04
 11  5.000e+24  1.087e+06 -6.310e+04 -1.235e+04  2.151e+04
 12  5.000e+24  1.180e+06  6.310e+04 -1.884e+04 -2.228e+04
 13  5.000e+24  1.268e+06 -6.379e+04 -2.685e+04  2.069e+04
 14  5.000e+24  1.343e+06  6.379e+04 -5.867e+04 -2.528e+04
 15  5.000e+24  1.354e+06 -7.641e+04 -1.273e+05  1.575e+03

Elapsed time = 1.264884e+00 ms

● 简化算法

  1 // mpi_nbody_red.c,MPI 简化算法,与 mppi_nbody_basic.c 相同的地方去掉了注释
  2 #include <stdio.h>
  3 #include <stdlib.h>
  4 #include <string.h>
  5 #include <math.h>
  6 #include <mpi.h>
  7 
  8 #define OUTPUT
  9 #define DEBUG
 10 #define DIM     2
 11 #define X       0
 12 #define Y       1
 13 typedef double vect_t[DIM];
 14 const double G = 6.673e-11;
 15 int my_rank, comm_sz;
 16 MPI_Datatype vect_mpi_t;
 17 MPI_Datatype cyclic_mpi_t;  // 环形传输的数据类型
 18 vect_t *vel = NULL;
 19 vect_t *pos = NULL;         // 位置信息变成了全局变量
 20 
 21 void Usage(char* prog_name)
 22 {
 23     fprintf(stderr, "usage: mpiexec -n <nProcesses> %s\n", prog_name);
 24     fprintf(stderr, "<nParticle> <nTimestep> <sizeTimestep> <outputFrequency> <g|i>\n");
 25     fprintf(stderr, "    'g': inite condition by random\n");
 26     fprintf(stderr, "    'i': inite condition from stdin\n");
 27     exit(0);
 28 }
 29 
 30 void Get_args(int argc, char* argv[], int* n_p, int* n_steps_p, double* delta_t_p, int* output_freq_p, char* g_i_p)
 31 {                                                                    
 32     if (my_rank == 0)
 33     {
 34         if (argc != 6)
 35             Usage(argv[0]);
 36         *n_p = strtol(argv[1], NULL, 10);
 37         *n_steps_p = strtol(argv[2], NULL, 10);
 38         *delta_t_p = strtod(argv[3], NULL);
 39         *output_freq_p = strtol(argv[4], NULL, 10);
 40         *g_i_p = argv[5][0];
 41         if (*n_p <= 0 || *n_p % comm_sz || *n_steps_p < 0 || *delta_t_p <= 0 || *g_i_p != 'g' && *g_i_p != 'i')
 42         {
 43             printf("haha\n");
 44             if (my_rank == 0)
 45                 Usage(argv[0]);
 46             MPI_Finalize();
 47             exit(0);
 48         }
 49     }
 50     MPI_Bcast(n_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 51     MPI_Bcast(n_steps_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 52     MPI_Bcast(delta_t_p, 1, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
 53     MPI_Bcast(output_freq_p, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
 54     MPI_Bcast(g_i_p, 1, MPI_CHAR, 0, MPI_COMM_WORLD);
 55 #   ifdef DEBUG
 56     printf("Get_args, rank%2d n %d n_steps %d delta_t %e output_freq %d g_i %c\n",
 57         my_rank, *n_p, *n_steps_p, *delta_t_p, *output_freq_p, *g_i_p);
 58     fflush(stdout);
 59 #   endif
 60     }
 61 
 62 void Build_cyclic_mpi_type(int loc_n)// 生成大小为 loc_n 的循环分配数据类型
 63 {
 64     MPI_Datatype temp_mpi_t;
 65     MPI_Aint lb, extent;
 66     MPI_Type_vector(loc_n, 1, comm_sz, vect_mpi_t, &temp_mpi_t);// 将跨度为 comm_sz 的 loc_n 个 “连续 2 个 double”  封装为 temp_mpi_t
 67     MPI_Type_get_extent(vect_mpi_t, &lb, &extent);
 68     MPI_Type_create_resized(temp_mpi_t, lb, extent, &cyclic_mpi_t);
 69     MPI_Type_commit(&cyclic_mpi_t);
 70 }
 71 
 72 void Gen_init_cond(double masses[], vect_t loc_pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)
 73 {
 74     const double mass = 5.0e24, gap = 1.0e5, speed = 3.0e4;
 75     if (my_rank == 0)
 76     {
 77         // srand(2);
 78         for (int i = 0; i < n; i++)
 79         {
 80             masses[i] = mass;
 81             pos[i][X] = i * gap;
 82             pos[i][Y] = 0.0;
 83             vel[i][X] = 0.0;
 84             // vel[i][Y] = speed * (2 * rand() / (double)RAND_MAX) - 1);
 85             vel[i][Y] = (i % 2) ? -speed : speed;
 86         }
 87     }
 88     MPI_Bcast(masses, n, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
 89     MPI_Scatter(pos, 1, cyclic_mpi_t, loc_pos, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);// loc_pos 和 loc_vel 需要分别分发
 90     MPI_Scatter(vel, 1, cyclic_mpi_t, loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
 91 #   ifdef DEBUG
 92     printf("Gen_init_cond, rank%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
 93         my_rank, masses[0], loc_pos[0][X], loc_pos[0][Y], loc_vel[0][X], loc_vel[0][Y]);
 94     fflush(stdout);
 95 #   endif
 96 }
 97 
 98 void Get_init_cond(double masses[], vect_t loc_pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)
 99 {
100     if (my_rank == 0)
101     {
102         printf("For each particle, enter (in order): mass x-coord y-coord x-velocity y-velocity\n");
103         for (int i = 0; i < n; i++)
104         {
105             scanf_s("%lf", &masses[i]);
106             scanf_s("%lf", &pos[i][X]);
107             scanf_s("%lf", &pos[i][Y]);
108             scanf_s("%lf", &vel[i][X]);
109             scanf_s("%lf", &vel[i][Y]);
110         }
111     }
112     MPI_Bcast(masses, n, MPI_DOUBLE, 0, MPI_COMM_WORLD);
113     MPI_Scatter(pos, 1, cyclic_mpi_t, loc_pos, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);// loc_pos 和 loc_vel 需要分别分发
114     MPI_Scatter(vel, 1, cyclic_mpi_t, loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
115 #   ifdef DEBUG
116     printf("Get_init_cond, rank%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
117         my_rank, masses[0], loc_pos[0][X], loc_pos[0][Y], loc_vel[0][X], loc_vel[0][Y]);
118     fflush(stdout);
119 #   endif
120 }
121 
122 void Output_state(double time, double masses[], vect_t loc_pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n)
123 {
124     MPI_Gather(loc_pos, loc_n, vect_mpi_t, pos, 1, cyclic_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);// loc_pos 和 loc_vel 需要分别聚集
125     MPI_Gather(loc_vel, loc_n, vect_mpi_t, vel, 1, cyclic_mpi_t, 0, MPI_COMM_WORLD);
126     if (my_rank == 0)
127     {
128         printf("Output_state, time = %.2f\n", time);
129         for (int i = 0; i < n; i++)
130             printf(" %2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n", i, masses[i], pos[i][X], pos[i][Y], vel[i][X], vel[i][Y]);
131         printf("\n");
132         fflush(stdout);
133     }
134 }
135 
136 int First_index(int gbl1, int rk1, int rk2, int proc_count)
137 {
138     return gbl1 + (rk2 - rk1) + (rk1 < rk2 ? 0 : proc_count);
139 }
140 
141 int Local_to_global(int loc_part, int proc_rk, int proc_count)// 进程局部编号转全局编号
142 {
143     return loc_part * proc_count + proc_rk;
144 }
145 
146 int Global_to_local(int gbl_part, int proc_rk, int proc_count)// 全局编号转进程局部编号
147 {
148     return (gbl_part - proc_rk) / proc_count;
149 }
150 
151 void Compute_force_pair(double m1, double m2, vect_t pos1, vect_t pos2, vect_t force1, vect_t force2)// 计算两个颗粒之间的引力
152 {
153     const double mg = -G * m1 * m2;
154     vect_t f_part_k;
155     double len, fact;
156 
157     f_part_k[X] = pos1[X] - pos2[X];
158     f_part_k[Y] = pos1[Y] - pos2[Y];
159     len = sqrt(f_part_k[X] * f_part_k[X] + f_part_k[Y] * f_part_k[Y]);
160     fact = mg / (len * len * len);
161     f_part_k[X] *= fact;
162     f_part_k[Y] *= fact;
163     force1[X] += f_part_k[X];
164     force1[Y] += f_part_k[Y];
165     force2[X] -= f_part_k[X];
166     force2[Y] -= f_part_k[Y];
167 }
168 
169 void Compute_proc_forces(double masses[], vect_t tmp_data[], vect_t loc_forces[], vect_t pos1[], int loc_n1, int rk1, int loc_n2, int rk2, int n, int p)
170 {                                                                                                               // 计算 pos1 与 tmp_data 中满足下标条件的颗粒之间的引力
171                                                                                                                 //masses        颗粒质量表
172                                                                                                                 //tmp_data      环形传输数据
173                                                                                                                 //loc_forces    本进程颗粒受力数据
174                                                                                                                 //pos1          本进程颗粒位置数据
175                                                                                                                 //loc_n1        pos1 中颗粒数量
176                                                                                                                 //rk1           pos1 中 process owning particles
177                                                                                                                 //loc_n2        temp_data 中颗粒数量
178     int gbl_part1, gbl_part2, loc_part1, loc_part2;                                                             //rk2           tmp_data 中 process owning contributed particles
179     for (gbl_part1 = rk1, loc_part1 = 0; loc_part1 < loc_n1; loc_part1++, gbl_part1 += p)                       //n             总颗粒数
180     {                                                                                                           //p             参与计算的进程数    
181         for (gbl_part2 = First_index(gbl_part1, rk1, rk2, p), loc_part2 = Global_to_local(gbl_part2, rk2, p); loc_part2 < loc_n2; loc_part2++, gbl_part2 += p)
182         {
183 #           ifdef DEBUG
184             printf("Compute_proc_forces before, rank%2d> part%2d %10.3e %10.3e part%2d %10.3e %10.3e\n",
185                 my_rank, gbl_part1, loc_forces[loc_part1][X], loc_forces[loc_part1][Y], gbl_part2, tmp_data[loc_n2 + loc_part2][X], tmp_data[loc_n2 + loc_part2][Y]);           
186 #           endif
187             Compute_force_pair(masses[gbl_part1], masses[gbl_part2], pos1[loc_part1], tmp_data[loc_part2], loc_forces[loc_part1], tmp_data[loc_n2 + loc_part2]);
188 #           ifdef DEBUG
189             printf("Compute_proc_forces before, rank%2d> part%2d %10.3e %10.3e part%2d %10.3e %10.3e\n",
190                 my_rank, gbl_part1, loc_forces[loc_part1][X], loc_forces[loc_part1][Y], gbl_part2, tmp_data[loc_n2 + loc_part2][X], tmp_data[loc_n2 + loc_part2][Y]);
191 #           endif
192         } 
193     }
194 }
195 
196 void Compute_forces(double masses[], vect_t tmp_data[], vect_t loc_forces[], vect_t loc_pos[], int n, int loc_n)// 计算本线程各颗粒受到的引力
197 {                                                                                                               // masses      颗粒质量表                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         
198     const int src = (my_rank + 1) % comm_sz, dest = (my_rank - 1 + comm_sz) % comm_sz;                          // tmp_data    环形传输数据
199     int i, other_proc, loc_part;                                                                                // loc_forces  本进程颗粒受力数据
200                                                                                                                 // loc_pos     本进程颗粒位置数据
201     memcpy(tmp_data, loc_pos, loc_n * sizeof(vect_t));  // 将本进程分到的位置数据放入 tmp_data                    // n           总颗粒数
202     memset(tmp_data + loc_n, 0, loc_n * sizeof(vect_t));// 初始化 tmp_data 的引力数据                            // loc_n       本进程分到的颗粒数
203     memset(loc_forces, 0, loc_n * sizeof(vect_t));      // 初始化本进程引力数据
204 
205     Compute_proc_forces(masses, tmp_data, loc_forces, loc_pos, loc_n, my_rank, loc_n, my_rank, n, comm_sz);// 计算本进程的颗粒间的引力作用    
206     for (i = 1; i < comm_sz; i++)// 计算本进程的颗粒与收到的新颗粒之间的引力作用
207     {
208         other_proc = (my_rank + i) % comm_sz;// 每次交换信息的对象不同
209         MPI_Sendrecv_replace(tmp_data, 2 * loc_n, vect_mpi_t, dest, 0, src, 0, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
210         Compute_proc_forces(masses, tmp_data, loc_forces, loc_pos, loc_n, my_rank, loc_n, other_proc, n, comm_sz);
211     }
212     MPI_Sendrecv_replace(tmp_data, 2 * loc_n, vect_mpi_t, dest, 0, src, 0, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
213     for (loc_part = 0; loc_part < loc_n; loc_part++)
214     {
215         loc_forces[loc_part][X] += tmp_data[loc_n + loc_part][X];
216         loc_forces[loc_part][Y] += tmp_data[loc_n + loc_part][Y];
217     }
218 }
219 
220 void Update_part(int loc_part, double masses[], vect_t loc_forces[], vect_t loc_pos[], vect_t loc_vel[], int n, int loc_n, double delta_t)
221 {
222     const int part = my_rank * loc_n + loc_part;
223     const double fact = delta_t / masses[part];
224 #   ifdef DEBUG// 输出在更新前和更新后的数据
225     printf("Update_part before, part%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
226         part, loc_pos[loc_part][X], loc_pos[loc_part][Y], loc_vel[loc_part][X], loc_vel[loc_part][Y], loc_forces[loc_part][X], loc_forces[loc_part][Y]);
227     fflush(stdout);
228 #   endif    
229     loc_pos[loc_part][X] += delta_t * loc_vel[loc_part][X];
230     loc_pos[loc_part][Y] += delta_t * loc_vel[loc_part][Y];
231     loc_vel[loc_part][X] += fact * loc_forces[loc_part][X];
232     loc_vel[loc_part][Y] += fact * loc_forces[loc_part][Y];
233 #   ifdef DEBUG
234     printf("Update_part after, part%2d %10.3e %10.3e %10.3e %10.3e\n",
235         part, loc_pos[loc_part][X], loc_pos[loc_part][Y], loc_vel[loc_part][X], loc_vel[loc_part][Y]);
236     fflush(stdout);
237 #   endif
238 }
239 
240 
241 int main(int argc, char* argv[])
242 {
243     int n, loc_n, loc_part;
244     int n_steps, step;
245     double delta_t;
246     int output_freq;
247     double *masses;
248     vect_t* loc_pos;            // *pos 变成了全局变量
249     vect_t* tmp_data;           // 用于环形交换的数据    
250     vect_t* loc_vel;
251     vect_t* loc_forces;
252     char g_i;
253     double start, finish;
254 
255     MPI_Init(&argc, &argv);
256     MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &comm_sz);
257     MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &my_rank);
258     MPI_Type_contiguous(DIM, MPI_DOUBLE, &vect_mpi_t);
259     MPI_Type_commit(&vect_mpi_t);
260 
261     Get_args(argc, argv, &n, &n_steps, &delta_t, &output_freq, &g_i);
262     loc_n = n / comm_sz;
263     Build_cyclic_mpi_type(loc_n);
264     masses = (double*)malloc(n * sizeof(double));
265     tmp_data = (vect_t*)malloc(2 * loc_n * sizeof(vect_t)); // 前半段 tmp_pos 后半段 temp_force
266     loc_pos = (vect_t*)malloc(loc_n * sizeof(vect_t));
267     loc_vel = (vect_t*)malloc(loc_n * sizeof(vect_t));
268     loc_forces = (vect_t*)malloc(loc_n * sizeof(vect_t));
269     if (my_rank == 0)
270     {
271         pos = (vect_t*)malloc(n * sizeof(vect_t));
272         vel = (vect_t*)malloc(n * sizeof(vect_t));
273     }
274     if (g_i == 'g')
275         Gen_init_cond(masses, loc_pos, loc_vel, n, loc_n);        
276     else
277         Get_init_cond(masses, loc_pos, loc_vel, n, loc_n);
278     
279     if(my_rank == 0)
280         start = MPI_Wtime();
281 #   ifdef OUTPUT
282     Output_state(0.0, masses, loc_pos, loc_vel, n, loc_n);
283 #   endif
284     for (step = 1; step <= n_steps; step++)
285     {
286         Compute_forces(masses, tmp_data, loc_forces, loc_pos, n, loc_n);
287         for (loc_part = 0; loc_part < loc_n; Update_part(loc_part++, masses, loc_forces, loc_pos, loc_vel, n, loc_n, delta_t));            
288 #       ifdef OUTPUT
289         if (step % output_freq == 0)
290             Output_state(step * delta_t, masses, loc_pos, loc_vel, n, loc_n);
291 #       endif
292     }
293 
294     if (my_rank == 0)
295     {
296         finish = MPI_Wtime();
297         printf("Elapsed time = %e ms\n", (finish - start) * 1000);
298         free(pos);
299         free(vel);
300     }
301     MPI_Type_free(&vect_mpi_t);
302     MPI_Type_free(&cyclic_mpi_t);
303     free(masses);
304     free(tmp_data);
305     free(loc_forces);
306     free(loc_pos);
307     free(loc_vel);
308     MPI_Finalize();
309     return 0;
310 }

● 输出结果,与基本算法类似。8 进程 16 体,3 秒,时间步长 1 秒,舍去 debug 输出 1.476754e+00 ms;8 进程 1024 体,3600 秒,时间步长 1 秒,舍去 output 和 debug 输出 1.329172e+04 ms,在较大数据规模上稍有优势

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