Programação Paralela e Distribuída (DCC/UFRJ)

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1 Programação Paralela e Distribuída (DCC/UFRJ) Aula 7: Programação com memória compartilhada usando OpenMP 1, 8, 10 e 15 de abril de 2015

2 OpenMP (Open MultiProcessing) Projetado para sistemas de memória compartilhada usa instruções/diretivas especiais para o pre-processador (pragma) permite ações que não fazem parte da especificação básica da linguagem pragmas são ignorados caso não exista suporte do compilador além das diretivas, OpenMP inclui funções e macros, por isso incluir omp.h

3

4 ver exemplo de código: omp hello.c

5 Pragmas do OpenMP pragma omp parallel diretiva mais básica o bloco de código seguinte será executado em paralelo por um número de threads definida pelo sistema de execução há uma barreira impĺıcita quando o bloco de código que segue a diretiva é concluído são criadas (nthreads 1) threads após a diretiva (a última thread é a thread principal)

6 Cláusula (clause) exemplo texto que modifica uma diretiva a cláusula num threads pode ser adicionada para a diretiva parallel permite especificar o número de threads que deverão executar o bloco seguinte pragma omp parallel num threads ( thread count )

7 Observações o tamanho default de pragmas é uma linha, para saltar linha usar barra invertida (\) o sistema pode definir limitações no número de threads que um programa pode criar na terminologia OpenMP, a coleção de threads que executa um bloco paralelo (a thread original e as novas) é chamado team a thread original é chamada master as threads adicionais são chamadas slaves

8 Caso não existe suporte do compilador

9 Caso não existe suporte do compilador ver exemplo de código: omp hello err chk.c

10 Exemplo: cálculo da integral usando a soma de trapézios

11 Exemplo: cálculo da integral usando a soma de trapézios

12 Algoritmo sequencial

13 Versao OpenMP (1) Identifica-se dois tipos de tarefa: 1 computação das áreas dos trapézios isoladamente 2 adição de todas as áreas calculadas assume-se que há muito mais trapézios do que núcleos de CPU agrupa-se as tarefas designando blocos (trapézios) consecutivos para cada thread uma thread por núcleo

14 Agrupamento de tarefas

15

16

17 Seção crítica

18 Exercício Inclua tomadas de tempo nos códigos implementados nos arquivos trap.c e omp trap1.c para medir o tempo gasto para o cálculo da integral Execute as duas aplicações e compare os tempos de execução entre elas variando o número de trapézios para um intervalo fixo da função (por ex., entre -100 e 100) A versão OpenMP ficou mais rápida? A partir de qual número de trapézios?

19 Exercício: estimando o valor de π (Pi) Série para estimar o valor de π Exercício 1 implemente uma versão paralela para estimar o valor de π usando OpenMP (número de elementos (N) e de threads (M) na linha de comando) 2 verifique se a solução se aproxima da constante M PI (de math.h) 3 verifique qual solução ficou mais eficiente: PThreads ou OpenMP

20 Exercício pra casa :-) Procure na Internet mais informações sobre o OpenMP Implemente outras aplicações usando o OpenMP

21 A cláusula de redução

22 Usando o retorno da função...voltando ao problema do cálculo da integral usando a regra dos trapézios...

23 Usando o retorno da função Qual é o problema dessa solução?

24 Usando o retorno da função..força as threads a executarem sequencialmente

25 Usando o retorno da função Alternativa: criar uma variável local dentro do bloco paralelo e mover a seção crítica para fora da chamada da função

26 Exercício Veja a solução proposta no arquivo omp trap2a.c Inclua tomadas de tempo nesse código para medir o tempo de execução do cálculo da integral Execute as duas aplicações (omp trap1.c e omp trap2a.c) e compare os tempos de execução entre elas variando o número de trapézios para um intervalo fixo da função (por ex., entre -100 e 100)

27 Operadores de redução um operador de redução é um operador binário (como adição e multiplicação) uma redução é uma computação que aplica o mesmo operador de redução várias vezes sobre uma sequência de operandos para obter um valor de saída todos os resultados intermediários da operação devem ser armazenados na mesma variável: variável de redução exemplo de redução com o operador + int soma=0; for(i=0;i<n;i++) soma+=a[i];

28 Exemplo de uso de um operador de redução em OpenMP em OpenMP é possível especificar que o resultado de uma redução é uma variável de redução

29 Exemplo de uso de um operador de redução em OpenMP o OpenMP cria uma variável privada para cada thread e uma seção crítica para combinar os valores das variáveis privadas na variável de redução (quando o bloco parallel termina) atenção para operações com float e double (operações não associativas): (a + b) + c pode ser diferente de a + (b + c) as variáveis privadas são inicializadas com o valor identidade do operador (ex., 0 para adição e 1 para multiplicação)

30 Exercício Veja a solução proposta no arquivo omp trap2b.c Inclua tomadas de tempo nesse código para medir o tempo de execução do cálculo da integral Execute as três aplicações (omp trap1.c, omp trap2a.c e omp trap2b.c) e compare os tempos de execução entre elas variando o número de trapézios para um intervalo fixo da função (por ex., entre -100 e 100)

31 Diretiva parallel for

32 Diretiva parallel for similar à diretiva parallel, cria um conjunto de threads para executar o bloco de código seguinte a diferença é que esse bloco deve ser um loop com for divide as iterações do loop entre as threads

33 Exemplo de uso da diretiva parallel for

34 Formas permitidas para parallel for

35 Ressalvas o número de iterações deve ser determinado (ex., não funciona para loops infinitos ou com breaks internos) a variável index deve ser inteiro ou ponteiro (ex., não pode ser float) as expressões start, end e incr devem ter um tipo compatível (ex., se o índice é um ponteiro, então incr deve ser do tipo inteiro) e não devem ser modificadas durante a execução do loop a variável index só pode ser modificada pela expressão de incremento da sentença for

36 Exercício Veja a solução proposta no arquivo omp trap3.c Inclua tomadas de tempo nesse código para medir o tempo de execução do cálculo da integral Execute as duas aplicações (omp trap3.c e omp trap2b.c) e compare os tempos de execução entre elas variando o número de trapézios para um intervalo fixo da função (por ex., entre -100 e 100)

37 Outra ressalva: dependência de dados

38 Exercício Veja o código no arquivo omp fibo.c Execute o programa variando o número de threads e de elementos

39 Estimando o valor de Pi: loop sequencial

40 Estimando o valor de Pi: loop paralelo com parallel for

41 Escopo privado a cláusula private pode ser usada para alterar o escopo de variáveis compartilhadas (ex., definidas antes do bloco paralelo) para o escopo privado uma cópia da variável é feita para cada thread atenção: essa cópia local não é inicializada! (veja exemplo de uso no arquivo omp private.c)

42 Estimando o valor de Pi: solução correta

43 Exercício Inclua tomadas de tempo no código omp pi.c para medir o tempo de execução do loop principal Compare o desempenho dessa implementação com a solução que você implementou para o mesmo problema na aula anterior Qual solução ficou mais rápida?

44 Exercício Multiplicação de matrizes Implemente um algoritmo paralelo para multiplicar duas matrizes quadradas NxN usando OpenMP Avalie o ganho de desempenho da sua aplicação para valores de N acima de 2000, variando o número de threads de 1 ao número de processadores da sua máquina

45 Odd-Even sort sorted = false; while not sorted sorted = true; // odd-even for ( x = 1; x < list.length-1; x += 2) if list[x] > list[x+1] swap list[x] and list[x+1] sorted = false; // even-odd for ( x = 0; x < list.length-1; x += 2) if list[x] > list[x+1] swap list[x] and list[x+1] sorted = false;

46 Exemplo de execução do algoritmo

47 Exercício Odd-Even sort Implemente uma versão paralela para o algoritmo de ordenação odd-even usando OpenMP Avalie o ganho de desempenho da sua aplicação variando o número de elementos do vetor e o número de threads disparadas

48 Escalonamentos de loops

49 Escalonamentos de loops

50 Cláusula schedule

51 Cláusula schedule(static,?)

52 Cláusula schedule[type, chunksize] Type pode ser: static: as iterações são atribuídas para as threads antes do loop ser executado dynamic ou guided: as iterações são atribuídas para as threads durante a execução do loop auto: o compilador e/ou o sistema de execução determina o escalonamento runtime: o escalonamento é determinado em tempo de execução Chunksize deve ser um inteiro positivo

53 Cláusula schedule (dynamic,?) As iterações também são particionadas em chunks consecutivos de iterações Cada thread executa um chunk e quando termina requisita outro ao sistema de execução Esse processo se repete até todas as iterações serem executadas Quando chunksize é omitido, seu valor é 1

54 Cláusula schedule (guided,?) Cada thread executa um chunk de iterações e quando termina requisita outro Entretanto os tamanhos dos chunks decrecem Quando chunksize não é especificado, o tamanho dos chunks decrecem até 1 Se chunksize é especificado, ele descrece até chunksize (o último pode ser menor)

55 Exemplo: cláusula schedule (guided)

56 Cláusula schedule (runtime) O sistema usa a variável de ambiente OMP SCHEDULE para determinar em tempo de execução qual escalonamento usar A variável OMP SCHEDULE pode assumir os valores static, dynamic ou guided exemplo export OMP_SCHEDULE="static,1"

57 Barreira expĺıcita # pragma omp barrier Diretiva barrier Quando é necessário usar uma barreira expĺıcita para um grupo (team) de threads, OpenMP oferece o pragma barrier Depois que todas as threads alcançam a barreira, todas podem prosseguir

58 Seção atômica # pragma omp atomic Diretiva atomic Diferente da diretiva critical, só pode ser usada para proteger seções críticas que consistem de uma única sentaça C (para esses casos, pode ser mais eficiente que critical)

59 Seção crítica nomeada # pragma omp critical(name) OpenMP provê a opção de adicionar um nome par aa diretiva critical Permite que dois blocos protegidos com a diretiva critical com nomes diferentes sejam executados ao mesmo tempo

60 Locks Consiste de uma estrutura de dados e funções que permitem ao programador explicitar exclusão mútua

61 Locks

62 Exemplo de uso de locks omp_init_lock(&q_p->lock); omp_destroy_lock(&q_p->lock);

63 Exercício Números primos Escreva um programa multithreading (usando OpenMP) para encontrar os números primos de 1 a N. Utilize a rotina abaixo para determinar se um dado número n é primo (retorna 1) ou não (retorna 0). Experimente/compare as diferentes cláusulas de escalonamento da diretiva parallel for int ehprimo(long unsigned int n) { int i; if(n<=1) return 0; if(n==2) return 1; if(n%2==0) return 0; for(i=3; i< sqrt(n)+1; i+=2) { if(n%i==0) return 0; } return 1; }

64 Referências bibliográficas 1 An Introduction to Parallel Programming, Peter Pacheco, Morgan Kaufmann, 2011.

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