如何将 MPI 派生数据类型用于 3D 数组？

Question

我想编写一个在 3D 矩阵上工作的并行代码，其中每个进程都有自己的子矩阵，但是为了完成他们的工作，他们需要一些关于其相邻进程的子矩阵（只是边界平面）的信息。我通过点对点通信发送这些信息，但我知道对于大型矩阵这不是一个好主意，所以我决定使用派生数据类型进行通信。我对mpi_type_vector 有疑问：例如，我有一个NX*NY*NZ 矩阵，我想将带有常量NY 的平面发送到另一个进程，我为此编写了这些行：

MPI_Datatype sub;

MPI_Type_vector(NX, NZ, NY*NZ, MPI_DOUBLE, &sub);

MPI_Type_commit(&sub);

但它不起作用（无法发送我想要的飞机）。怎么了？ 我的测试代码在这里：

#include <mpi.h>
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc,char ** argv)
{

    int const IE=100,JE=25,KE=100;
    int size,rank;
    MPI_Status status;

    MPI_Init(&argc,&argv);
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&size);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&rank);
    MPI_Datatype sub;
    MPI_Type_vector(KE,IE,IE+(JE-1)*IE,MPI_DOUBLE,&sub);
    MPI_Type_commit(&sub);

    if (rank==0){

        double*** a=new double**[IE];

        for(int i=0;i<IE;i++){
            a[i]=new double *[JE];
            for(int j=0;j<JE;j++){
                a[i][j]=new double [KE];
            }
        }

        for(int i=0;i<IE;i++){
            for(int j=0;j<JE;j++){
                for(int k=0;k<KE;k++){
                    a[i][j][k]=2;
                }}}

        for(int i=0;i<IE;i++){
            for(int j=0;j<JE;j++){
                a[i][j][0]=2;
            }}

        MPI_Send(&a[0][0][0],1,sub,1,52,MPI_COMM_WORLD);

    }

    if (rank==1){

        double*** b=new double**[IE];

        for(int i=0;i<IE;i++){
            b[i]=new double *[JE];
            for(int j=0;j<JE;j++){
                b[i][j]=new double [KE];
            }
        }

        for(int i=0;i<IE;i++){
            for(int j=0;j<JE;j++){
                for(int k=0;k<KE;k++){
                    b[i][j][k]=0;
                }}}

        MPI_Recv(&b[0][0][0][0],1,sub,0,52,MPI_COMM_WORLD,&status);

        for(int i=0;i<IE;i++){
            for(int j=0;j<JE;j++){
                for(int k=0;k<KE;k++){
                    if(b[i][j][k]>0){
                        cout<<"b["<<i<<"]["<<j<<"]["<<k<<"]="<<b[i][j][k]<<endl;
                    }}}}

    }

    MPI_Finalize();

}

Answer 1

对于 3d 矩阵，通常您必须使用向量的向量（因为涉及两个跨步）- 这是可能的，但更简单的是使用 MPI_Type_create_subarray()，它可以让您切出平板你想要的多维数组。

更新：上述代码中的一个问题是您分配的 3d 数组不是连续的；它是 IE*JE 分配的 1d 数组的集合，它们可能彼此靠近也可能不靠近。因此，没有可靠的方法可以从中提取数据平面。

你需要做这样的事情：

double ***alloc3d(int l, int m, int n) {
    double *data = new double [l*m*n];
    double ***array = new double **[l];
    for (int i=0; i<l; i++) {
        array[i] = new double *[m];
        for (int j=0; j<m; j++) {
            array[i][j] = &(data[(i*m+j)*n]);
        }
    }
    return array;
}

然后数据在一个大立方体中，正如您所期望的那样，有一组指针指向它。这 - C 没有真正的多维数组这一事实 - 一直出现在 C + MPI 中。

Answer 2

感谢乔纳森·杜尔西。在这里，我想发布创建 3d 矩阵并使用派生数据类型进行通信的完整代码（只有具有常数 y 的平面才会从一个进程发送到另一个进程）。我使用了上面发布的 Jonathan Dursi 的函数。

#include <mpi.h>
#include <iostream>
#include <math.h>
#include <fstream>
#include <vector>
using namespace std;
#define IE 100
#define JE 50
#define KE 100

#define JE_loc 52
double ***alloc3d(int l, int m, int n) {
double *data = new double [l*m*n];
double ***array = new double **[l];
for (int i=0; i<l; i++) {
    array[i] = new double *[m];
    for (int j=0; j<m; j++) {
        array[i][j] = &(data[(i*m+j)*n]);
    }
}
return array;
}




int main(int argc ,char ** argv)
{
//////////////////////declartion/////////////////////////////
int const NFREQS=100,ia=7,ja=7,ka=7;
double const pi=3.14159;
int i,j,size,rank,k;
//MPI_Status status[10];
MPI_Status status;
MPI_Request request[10];
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
MPI_Datatype sub;
MPI_Type_vector(KE,IE,IE+(JE-1)*IE,MPI_DOUBLE,&sub);
MPI_Type_commit(&sub);


double ***a=alloc3d(IE,JE,KE);
for (i=0; i<IE; i++) {
    for (j=0; j<JE; j++) {
        for (k=0; k<KE; k++) {
            a[i][j][k]=0.0;
        }
    }
}
if (rank==0) {
    for (i=0; i<IE; i++) {
        for (j=0; j<JE; j++) {
            for (k=0; k<KE; k++) {
                a[i][j][k]=2;
            }
        }
    }
    MPI_Send(&a[0][0][0],1,sub,1,52,MPI_COMM_WORLD);

}
if (rank==1) {
    MPI_Recv(&a[0][49][0],1,sub,0,52,MPI_COMM_WORLD,&status);
    for (i=0; i<IE; i++) {
        for (j=0; j<JE; j++) {
            for (k=0; k<KE; k++) {
                if (a[i][j][k]>0) {
                    cout<<"a["<<i<<"]["<<j<<"]["<<k<<"]="<<a[i][j][k]<<endl;
                }
            }
        }
    }

}
MPI_Finalize();
}

Answer 3

很遗憾地告诉您，您审核过的代码仍然无法正常工作。 输出看起来正确的原因是 IE 和 KE 相等。如果您对它们进行区分，您会看到，这些值是以交替的 Y 索引编写的。

如果您查看 Jonathan Durst 的代码示例的内存分配，如下所示：

[x0y0z0] [x0y0z1] [x0y1z0] [x0y1z1] [x1y0z0] [x1y0z1] [x1y1z0] [x1y1z1]   //or
{x0:(y0:[z0,z1]) ; (y1:[z0,z1])} ; {x1:(y0:[z0,z1]) ; (y1:[z0,z1])} //nx=ny=nz=2 
        <bl.len>  
 X             count                X  
     |<-          stride               ->| 

你会看到你有 nx 个块，块长度为 nz 值，它们之间的步幅为 ny*nz。

如果您将数据类型更改为以下代码，您的代码将正常工作：

MPI_Type_vector(IE,KE,KE*JE,MPI_DOUBLE,&sub);