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openMP的一点使用经验 - Augusdi的专栏

[日期:2013-04-15] 来源:  作者: [字体: ]


最近在看多核编程。简单来说,由于现在电脑CPU一般都有两个核,4核与8核的CPU也逐渐走入了寻常百姓家,传统的单线程编程方式难以发挥多核CPU的强大功能,于是多核编程应运而生。按照我的理解,多核编程可以认为是对多线程编程做了一定程度的抽象,提供一些简单的API,使得用户不必花费太多精力来了解多线程的底层知识,从而提高编程效率。这两天关注的多核编程的工具包括openMP和TBB。按照目前网上的讨论,TBB风头要盖过openMP,比如openCV过去是使用openMP的,但从2.3版本开始抛弃openMP,转向TBB。但我试下来,TBB还是比较复杂的,相比之下,openMP则非常容易上手。因为精力和时间有限,没办法花费太多时间去学习TBB,就在这里分享下这两天学到的openMP的一点知识,和大家共同讨论。

openMP支持的编程语言包括C语言、C++和Fortran,支持OpenMP的编译器包括Sun Studio,Intel Compiler,Microsoft Visual Studio,GCC。我使用的是Microsoft Visual Studio 2008,CPU为Intel i5 四核,首先讲一下在Microsoft Visual Studio 2008上openMP的配置。非常简单,总共分2步:

(1) 新建一个工程。这个不再多讲。

(2) 建立工程后,点击 菜单栏->Project->Properties,弹出菜单里,点击 Configuration Properties->C/C++->Language->OpenMP Support,在下拉菜单里选择Yes。

至此配置结束。下面我们通过一个小例子来说明openMP的易用性。这个例子是 有一个简单的test()函数,然后在main()里,用一个for循环把这个test()函数跑8遍。

复制代码
 1 #include <iostream>
 2 #include <time.h>
 3 void test()
 4 {
 5     int a = 0;
 6     for (int i=0;i<100000000;i++)
 7         a++;
 8 }
 9 int main()
10 {
11     clock_t t1 = clock();
12     for (int i=0;i<8;i++)
13         test();
14     clock_t t2 = clock();
15     std::cout<<"time: "<<t2-t1<<std::endl;
16 }

编译运行后,打印出来的耗时为:1.971秒。下面我们用一句话把上面代码变成多核运行。

 1 #include <iostream>
 2 #include <time.h>
 3 void test()
 4 {
 5     int a = 0;
 6     for (int i=0;i<100000000;i++)
 7         a++;
 8 }
 9 int main()
10 {
11     clock_t t1 = clock();
12     #pragma omp parallel for
13     for (int i=0;i<8;i++)
14         test();
15     clock_t t2 = clock();
16     std::cout<<"time: "<<t2-t1<<std::endl;
17 }

编译运行后,打印出来的耗时为:0.546秒,几乎为上面时间的1/4。

由此我们可以看到openMP的简单易用。在上面的代码里,我们一没有额外include头文件,二没有额外link库文件,只是在for循环前加了一句#pragma omp parallel for。而且这段代码在单核机器上,或者编译器没有将openMP设为Yes的机器上编译也不会报错,将自动忽略#pragma这行代码,然后按照传统单核串行的方式编译运行!我们唯一要多做的一步,是从C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\redist\x86\Microsoft.VC90.OPENMP和C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\redist\Debug_NonRedist\x86\Microsoft.VC90.DebugOpenMP目录下分别拷贝vcomp90d.dll和vcomp90.dll文件到工程文件当前目录下。

对上面代码按照我的理解做个简单的剖析。

当编译器发现#pragma omp parallel for后,自动将下面的for循环分成N份,(N为电脑CPU核数),然后把每份指派给一个核去执行,而且多核之间为并行执行。下面的代码验证了这种分析。

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会发现控制台打印出了0 3 4 5 8 9 6 7 1 2。注意:因为每个核之间是并行执行,所以每次执行时打印出的顺序可能都是不一样的。

下面我们来了谈谈竞态条件(race condition)的问题,这是所有多线程编程最棘手的问题。该问题可表述为,当多个线程并行执行时,有可能多个线程同时对某变量进行了读写操作,从而导致不可预知的结果。比如下面的例子,对于包含10个整型元素的数组a,我们用for循环求它各元素之和,并将结果保存在变量sum里。

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如果我们注释掉#pragma omp parallel for,让程序先按照传统串行的方式执行,很明显,sum = 55。但按照并行方式执行后,sum则会变成其他值,比如在某次运行过程中,sum = 49。其原因是,当某线程A执行sum = sum + a[i]的同时,另一线程B正好在更新sum,而此时A还在用旧的sum做累加,于是出现了错误。

那么用openMP怎么实现并行数组求和呢?下面我们先给出一个基本的解决方案。该方案的思想是,首先生成一个数组sumArray,其长度为并行执行的线程的个数(默认情况下,该个数等于CPU的核数),在for循环里,让各个线程更新自己线程对应的sumArray里的元素,最后再将sumArray里的元素累加到sum里,代码如下

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需要注意的是,在上面代码里,我们用omp_get_num_procs()函数来获取处理器个数,用omp_get_thread_num()函数来获得每个线程的ID,为了使用这两个函数,我们需要include <omp.h>。

上面的代码虽然达到了目的,但它产生了较多的额外操作,比如要先生成数组sumArray,最后还要用一个for循环将它的各元素累加起来,有没有更简便的方式呢?答案是有,openMP为我们提供了另一个工具,归约(reduction),见下面代码:

 1 #include <iostream>
 2 int main(){
 3     int sum = 0;
 4     int a[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 5 #pragma omp parallel for reduction(+:sum)
 6     for (int i=0;i<10;i++)
 7         sum = sum + a[i];
 8     std::cout<<"sum: "<<sum<<std::endl;
 9     return 0;
10 }

上面代码里,我们在#pragma omp parallel for 后面加上了 reduction(+:sum),它的意思是告诉编译器:下面的for循环你要分成多个线程跑,但每个线程都要保存变量sum的拷贝,循环结束后,所有线程把自己的sum累加起来作为最后的输出。

reduction虽然很方便,但它只支持一些基本操作,比如+,-,*,&,|,&&,||等。有些情况下,我们既要避免race condition,但涉及到的操作又超出了reduction的能力范围,应该怎么办呢?这就要用到openMP的另一个工具,critical。来看下面的例子,该例中我们求数组a的最大值,将结果保存在max里。

 1 #include <iostream>
 2 int main(){
 3     int max = 0;
 4     int a[10] = {11,2,33,49,113,20,321,250,689,16};
 5 #pragma omp parallel for
 6     for (int i=0;i<10;i++)
 7     {
 8         int temp = a[i];
 9 #pragma omp critical
10         {
11             if (temp > max)
12                 max = temp;
13         }
14     }
15     std::cout<<"max: "<<max<<std::endl;
16     return 0;
17 }

上例中,for循环还是被自动分成N份来并行执行,但我们用#pragma omp critical将 if (temp > max) max = temp 括了起来,它的意思是:各个线程还是并行执行for里面的语句,但当你们执行到critical里面时,要注意有没有其他线程正在里面执行,如果有的话,要等其他线程执行完再进去执行。这样就避免了race condition问题,但显而易见,它的执行速度会变低,因为可能存在线程等待的情况。
有了以上基本知识,对我来说做很多事情都足够了。下面我们来看一个具体的应用例,从硬盘读入两幅图像,对这两幅图像分别提取特征点,特征点匹配,最后将图像与匹配特征点画出来。理解该例子需要一些图像处理的基本知识,我不在此详细介绍。另外,编译该例需要opencv,我用的版本是2.3.1,关于opencv的安装与配置也不在此介绍。我们首先来看传统串行编程的方式。

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很明显,读入图像,提取特征点与特征描述子这部分可以改为并行执行,修改如下:

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两种执行方式做比较,时间为:2.343秒v.s. 1.2441秒

在上面代码中,为了改成适合#pragma omp parallel for执行的方式,我们用了STL的vector来分别存放两幅图像、特征点与特征描述子,但在某些情况下,变量可能不适合放在vector里,此时应该怎么办呢?这就要用到openMP的另一个工具,section,代码如下:

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上面代码中,我们首先用#pragma omp parallel sections将要并行执行的内容括起来,在它里面,用了两个#pragma omp section,每个里面执行了图像读取、特征点与特征描述子提取。将其简化为伪代码形式即为:

 1 #pragma omp parallel sections
 2 {
 3     #pragma omp section
 4     {
 5         function1();
 6     }
 7   #pragma omp section
 8     {
 9         function2();
10     }
11 }

意思是:parallel sections里面的内容要并行执行,具体分工上,每个线程执行其中的一个section,如果section数大于线程数,那么就等某线程执行完它的section后,再继续执行剩下的section。在时间上,这种方式与人为用vector构造for循环的方式差不多,但无疑该种方式更方便,而且在单核机器上或没有开启openMP的编译器上,该种方式不需任何改动即可正确编译,并按照单核串行方式执行。

以上分享了这两天关于openMP的一点学习体会,其中难免有错误,欢迎指正。另外的一点疑问是,看到各种openMP教程里经常用到private,shared等来修饰变量,这些修饰符的意义和作用我大致明白,但在我上面所有例子中,不加这些修饰符似乎并不影响运行结果,不知道这里面有哪些讲究。

在写上文的过程中,参考了包括以下两个网址在内的多个地方的资源,不再一 一列出,在此一并表示感谢。

http://blog.csdn.net/drzhouweiming/article/details/4093624
http://software.intel.com/zh-cn/articles/more-work-sharing-with-openmp

 

我的是双核,实验后面几个surf检测程序发现提高不多。我觉得是因为这种程序可能需要线程多,并行提升不明显~





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