Блокирующие коммуникационные операции

Синтаксис базовых коммуникационных функций MPI_Send и MPI_Recv был приведен в разделе 2, поэтому здесь мы рассмотрим только семантику этих операций.

В стандартном режиме выполнение операции обмена включает три этапа:

1. Передающая сторона формирует пакет сообщения, в который помимо передаваемой информации упаковываются адрес отправителя (source), адрес получателя (dest), идентификатор сообщения (tag) и коммуникатор (comm). Этот пакет передается отправителем в системный буфер, и на этом функция посылки сообщения заканчивается.
2. Сообщение системными средствами передается адресату.
3. Принимающий процессор извлекает сообщение из системного буфера, когда у него появится потребность в этих данных. Содержательная часть сообщения помещается в адресное пространство принимающего процесса (параметр buf), а служебная - в параметр status.

Поскольку операция выполняется в асинхронном режиме, адресная часть принятого сообщения состоит из трех полей:

• коммуникатора (comm), поскольку каждый процесс может одновременно входить в несколько областей связи;
• номера отправителя в этой области связи (source);
• идентификатора сообщения (tag), который используется для взаимной привязки конкретной пары операций посылки и приема сообщений.

Параметр count (количество принимаемых элементов сообщения) в процедуре приема сообщения должен быть не меньше, чем длина принимаемого сообщения. При этом реально будет приниматься столько элементов, сколько находится в буфере. Такая реализация операции чтения связана с тем, что MPI допускает использование расширенных запросов:

• для идентификаторов сообщений (MPI_ANY_TAG - читать сообщение с любым идентификатором)
• для адресов отправителя (MPI_ANY_SOURCE - читать сообщение от любого отправителя).

Не допускается расширенных запросов для коммуникаторов. Расширенные запросы возможны только в операциях чтения. Интересно отметить, что таким же образом организованы операции обмена в PSE nCUBE2 [1]. В этом отражается фундаментальное свойство механизма передачи сообщений: асимметрия операций передачи и приема сообщений, связанная с тем, что инициатива в организации обмена принадлежит передающей стороне.

Таким образом, после чтения сообщения некоторые параметры могут оказаться неизвестными, а именно: число считанных элементов, идентификатор сообщения и адрес отправителя. Эту информацию можно получить с помощью параметра status. Переменные status должны быть явно объявлены в MPI-программе. В языке C status - это структура типа MPI_Status с тремя полями MPI_SOURCE, MPI_TAG, MPI_ERROR. В языке FORTRAN status - массив типа INTEGER размера MPI_STATUS_SIZE. Константы MPI_SOURCE, MPI_TAG и MPI_ERROR определяют индексы элементов. Назначение полей переменной status представлено в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Назначение полей переменной status.
Поля status	C	FORTRAN
Процесс-отправитель	status.MPI_SOURCE	status(MPI_SOURCE)
Идентификатор сообщения	status.MPI_TAG	status(MPI_TAG)
Код ошибки	status.MPI_ERROR	status(MPI_ERROR)

Как видно из таблицы 3.2, количество считанных элементов в переменную status не заносится.

Для определения числа фактически полученных элементов сообщения необходимо использовать специальную функцию MPI_Get_count:

C:

int MPI_Get_count (MPI_Status *status, MPI_Datatype datatype, int *count)

IN	status	- атрибуты принятого сообщения;
IN	datatype	- тип элементов принятого сообщения;
OUT	count	- число полученных элементов.

Подпрограмма MPI_Get_count может быть вызвана либо после чтения сообщения (функциями MPI_Recv, MPI_Irecv), либо после опроса факта поступления сообщения (функциями MPI_Probe, MPI_Iprobe). Операция чтения безвозвратно уничтожает информацию в буфере приема. При этом попытка считать сообщение с параметром count меньше, чем число элементов в буфере, приводит к потере сообщения.

Определить параметры полученного сообщения без его чтения можно с помощью функции MPI_Probe.

C:

int MPI_Probe (int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status)

IN	source	- номер процесса-отправителя;
IN	tag	- идентификатор сообщения;
IN	comm	- коммуникатор;
OUT	status	- атрибуты опрошенного сообщения.

Подпрограмма MPI_Probe выполняется с блокировкой, поэтому завершится она лишь тогда, когда сообщение с подходящим идентификатором и номером процесса-отправителя будет доступно для получения. Атрибуты этого сообщения возвращаются в переменной status. Следующий за MPI_Probe вызов MPI_Recv с теми же атрибутами сообщения (номером процесса-отправителя, идентификатором сообщения и коммуникатором) поместит в буфер приема именно то сообщение, наличие которого было опрошено подпрограммой MPI_Probe.

При использовании блокирующего режима передачи сообщений существует потенциальная опасность возникновения тупиковых ситуаций, в которых операции обмена даннымиа блокируют друг друга. Приведем пример некорректной программы, которая будет зависать при любых условиях.

CALL MPI_COMM_RANK(comm, rank, ierr)IF (rank.EQ.0) THEN CALL MPI_RECV(recvbuf, count, MPI_REAL, 1, tag, comm, status, ierr) CALL MPI_SEND(sendbuf, count, MPI_REAL, 1, tag, comm, ierr)ELSE IF (rank.EQ.1) THEN CALL MPI_RECV(recvbuf, count, MPI_REAL, 0, tag, comm, status, ierr) CALL MPI_SEND(sendbuf, count, MPI_REAL, 0, tag, comm, ierr)END IF

В этом примере оба процесса (0-й и 1-й) входят в режим взаимного ожидания сообщения друг от друга. Такие тупиковые ситуации будут возникать всегда при образовании циклических цепочек блокирующих операций чтения.

Приведем вариант правильной программы.

CALL MPI_COMM_RANK(comm, rank, ierr)IF (rank.EQ.0) THEN CALL MPI_SEND(sendbuf, count, MPI_REAL, 1, tag, comm, ierr) CALL MPI_RECV(recvbuf, count, MPI_REAL, 1, tag, comm, status, ierr)ELSE IF (rank.EQ.1) THEN CALL MPI_RECV(recvbuf, count, MPI_REAL, 0, tag, comm, status, ierr) CALL MPI_SEND(sendbuf, count, MPI_REAL, 0, tag, comm, ierr)END IF

Другие комбинации операций SEND/RECV могут работать или не работать в зависимости от реализации MPI (буферизованный обмен или нет).

В ситуациях, когда требуется выполнить взаимный обмен данными между процессами, безопаснее использовать совмещенную операцию MPI_Sendrecv.

С:

int MPI_Sendrecv(void *sendbuf, int sendcount, MPI_Datatype sendtype,

int dest, int sendtag, void *recvbuf, int recvcount,

MPI_Datatype recvtype, int source, MPI_Datatypeа recvtag,

MPI_Comm comm, MPI_Status *status)

IN	sendbuf	-	адрес начала расположения посылаемого сообщения;
IN	sendcount	-	число посылаемых элементов;
IN	sendtype	-	тип посылаемых элементов;
IN	dest	-	номер процесса-получателя;
IN	sendtag	-	идентификатор посылаемого сообщения;
OUT	recvbuf	-	адрес начала расположения принимаемого сообщения;
IN	recvcount	-	максимальное число принимаемых элементов;
IN	recvtype	-	тип элементов принимаемого сообщения;
IN	source	-	номер процесса-отправителя;
IN	recvtag	-	идентификатор принимаемого сообщения;
IN	comm	-	коммуникатор области связи;
OUT	status	-	атрибуты принятого сообщения.

Функция MPI_Sendrecv совмещает выполнение операций передачи и приема. Обе операции используют один и тот же коммуникатор, но идентификаторы сообщений могут различаться. Расположение в адресном пространстве процесса принимаемых и передаваемых данных не должно пересекаться. Пересылаемые данные могут быть различного типа и иметь разную длину.

В тех случаях, когда необходим обмен данными одного типа с замещением посылаемых данных на принимаемые, удобнее пользоваться функцией MPI_Sendrecv_replace.

С:

MPI_Sendrecv_replace(void* buf, int count, MPI_Datatype datatype,

int dest, int sendtag, int source, int recvtag,

MPI_Comm comm, MPI_Status *status)

INOUT	buf	-	адрес начала расположения посылаемого и принимаемого сообщения;
IN	count	-	число передаваемых элементов;
IN	datatype	-	тип передаваемых элементов;
IN	dest	-	номер процесса-получателя;
IN	sendtag	-	идентификатор посылаемого сообщения;
IN	source	-	номер процесса-отправителя;
IN	recvtag	-	идентификатор принимаемого сообщения;
IN	comm	-	коммуникатор области связи;
OUT	status	-	атрибуты принятого сообщения.

В данной операции посылаемые данные из массива buf замещаются принимаемыми данными.

В качестве адресатов source и dest в операциях пересылки данных можно использовать специальный адрес MPI_PROC_NULL. Коммуникационные операции с таким адресом ничего не делают. Применение этого адреса бывает удобным вместо использования логических конструкций для анализа условий посылать/читать сообщение или нет. Этот прием будет использован нами далее в одном из примеров, а именно, в программе решения уравнения Лапласа методом Якоби.