OpenMP による課題

連続系アルゴリズム演習第2回 OpenMPによる課題

スレッドモデル プロセス各スレッドはそれぞれ独立に実行されるただし、共有変数のみどのスレッドからもアクセス可能共有変数スレッド0 スレッド1 スレッド2 変数変数変数最近のプログラミング言語は、言語レベルでスレッドを実装している

なぜスレッドか • プロセスの立ち上げはコストがかかる • Linuxだとfork(); • WindowsだとCreateProcess(); • メモリ領域を割り当てて、コピーして、プロセスIDを割り当てて....etc. • プロセス間通信はめんどくさい • スレッドだと共有変数を使えばOK • 別の手法 • pipe • socket • (MPI)

OpenMPの目的 プロセススレッドごとに CPUを割り当てる共有変数 CPUの作業分割をプログラマができる！ CPU1 CPU2 CPU3 変数変数変数ただし、OpenMPにはプロセッサを割り当てる機構はない (スレッドを作るだけ) スレッドを<pthread.h>よりは書きやすく環境によらずに言語実装としたのがOpenMP

OpenMPの使い方1 #include <omp.h> int main(){ #pragmaomp parallel { printf("%d\n", omp_get_threads_num()); } } omp.hをincludeするこの部分が並列化 omp.hで定義されてる関数

OpenMPの使い方2 プロセス #include <omp.h> int main(){ intcommon_var; #pragmaomp parallel { int k; } } intcommon_var; スレッド0 スレッド1 スレッド2 int k; int k; int k; 定義する場所で共有変数かスレッド私有変数かが決まる

OpnMPの使い方3 • 各スレッドで同期を取る必要性 • MPIの場合と同じ • #pragmaomp barrier • 全てのスレッドが揃うまで待つ • デバッグをするのにも必須

OpenMPの使い方4 • 共有変数の書き換え • いつ書き変わるか分からない • 必ず書き換えるには • #pragmaomp parallelの最初と終わり • #pragmaomp forの最後 • #pragmaomp flush • #pragmaomp barrier • などなど • あんまり共有変数を使うのはよろしくない • 読んでもいいが、書き換えはまずい • 読む場合も、同時に読もうとすると片方が待つ

OpenMPの使い方5 • Lock機構がある • これもOSでやったはず • omp_lock_tという型の変数を共有変数で作る int main(){ omp_lock_t lock; omp_init_lock(&lock); int k = 0; #pragmaomp parallel { omp_set_lock(&lock); k++; printf("%d\n", k); omp_unset_lock(&lock); } } Lock変数の宣言と初期化この間は排他的に処理される =速くはならない

OpenMPの使い方6 • #pragmaompparallel for schedule(option) • ループ処理で最適化する手法 • optionにはいくつかある • static, dynamic, guided, runtime... • 自分で調べてみてください #pragmaomp parallel for schedule(dynamic) for(i = 0; i < 100; i++){ function(i); } 余っているプロセッサが順次投入される

その他 • もう少し細かいいろいろなことは、須田先生の解説を読むこと • これ以外のプラグマが高速化などには必要かも • Web上にはほかにも資料がある • OpenMPで検索してくださいな • OpenMPの書籍はあんまりない • ギリギリ石川先生の本があったりする • 後はFortranとか

課題 • OpenMPを用いてN-queens問題を解くプログラムを実装せよ • 引数としてnを与える • n×nの升目の場合に、解の個数を調べる • 事前に準備とかしないこと！ • それぞれの解を出力する必要は特にない • nの値を変えて時間を測定すること • そんなにたくさんのnを使う必要は別にない • 適度に時間のかかる3つくらいの値を使えば良い • p(スレッド数)を変えて時間を測定すること • 並列化効率などの考察をすること(一番重要)

N-Queens Problem • チェスのQueenを配置する • Queenは、縦横斜めに好きなだけ移動できる • 将棋で言うところの飛車+角 • Queen同士が攻撃できない配置にする • n×nの升目に、n個のQueenを配置する • 何通りの配置がありうるか

N-Queens Problem 置ける場所が減る左上に置く右から2番目上から2番目に置く 4×4の升目に、 3つしか置けなかった置ける場所が減る失敗

N-Queens Problem n=4の時の解 n=5の時 10種類 n=6の時 or 4種類 n=7の時 2種類 40種類

解のリスト

参考 • めちゃくちゃ遅いプログラムを置いておくので、それを使っても良い • ただし、ちゃんとプロセッサを複数使って速くすること • 自分で書いた方が普通は速くなる • O(n!)で作ってある • Webにもいくつか転がっているので参考にしても良い • OpenMPを使って実装してあるものはダメ • レポートにはそのことを明記すること • 盗作はやめて

高速化のためのヒント • 1プロセッサでの高速化 • 盤面の対称性を利用する • bit演算にする • 関数呼び出しをloopにする • 並列性能を上げる • 通信はあんまりさせない • 終わったプロセッサには次の仕事を与える • 最初からどのプロセッサがどの作業をするかを確定させない • 動的に作業割り当てをする • (Bounded Buffer) • ompfor

OpenMP による課題