OpenMP (Open Multi-Processing) — це набір директив компілятора, бібліотечних процедур та змінних середовища, які призначені для програмування багатопоточних застосунків на багатопроцесорних системах із спільною пам'яттю на мовах C, C++ та Fortran.
Розробку специфікації OpenMP ведуть кілька великих виробників обчислювальної техніки та програмного забезпечення, робота яких регулюється некомерційною організацією, названою OpenMP Architecture Review Board (ARB). Детальна специфікація OpenMP міститься на сторінці . Специфікації для мов Fortran і C/C++ з'явилися відповідно в жовтні 1997 року і жовтні 1998 року.
Опис OpenMP можна розглядати як високорівневу надбудову над Pthreads (або аналогічними бібліотеками потоків). POSIX-інтерфейс для організації потоків Pthreads підтримується широко (практично на всіх UNIX-системах), проте з багатьох причин не підходить для практичного паралельного програмування: немає підтримки Fortran дуже низький рівень немає підтримки паралелізму за даними механізм потоків спочатку розроблявся не для цілей організації паралелізму
OpenMP реалізує паралельні обчислення за допомогою багатопотоковості, в якій «головний» (master) потік створює набір підлеглих (slave) потоків і завдання розподіляється між ними. Передбачається, що потоки виконуються паралельно на машині з декількома процесорами (кількість процесорів не обов'язково має бути більше або дорівнювати кількості потоків).
Завдання, що виконуються потоками паралельно, так само як і дані, необхідні для виконання цих завдань, описуються за допомогою спеціальних директив препроцесора відповідної мови — прагм. Наприклад, ділянка коду на мові Fortran, яка повинна виконуватися кількома потоками, кожна з яких має свою копію змінної N, передує наступній !$OMP PARALLEL PRIVATE(N)
Кількість створюваних потоків може регулюватися як самою програмою за допомогою виклику бібліотечних процедур, так і ззовні, за допомогою змінних оточення.
Переваги За рахунок ідеї «інкрементального розпаралелювання» OpenMP ідеально підходить для розробників, що прагнуть швидко розпаралелювати свої обчислювальні програми з великими паралельними циклами. Розробник не створює нову паралельну програму, а просто послідовно додає в текст програми OpenMP-директиви. При цьому, OpenMP — досить гнучкий механізм, що надає розробникові великі можливості контролю над поведінкою паралельної програми. Передбачається, що OpenMP-програма на однопроцесорній платформі може бути використана як послідовна програма, тобто немає необхідності підтримувати послідовну та паралельну версії. Директиви OpenMP просто ігноруються послідовним компілятором, а для виклику процедур OpenMP можуть бути підставлені заглушки (stubs), текст яких приведений в специфікаціях. Однією з переваг OpenMP розробники вважають підтримку так званих «orphan» (відірваних) директив, тобто директиви синхронізації і розподілу роботи можуть не входити безпосередньо в лексичний контекст паралельної області.
Ключові елементи Ключовими елементами OpenMP є конструкції для створення потоків (директива parallel), конструкції розподілу роботи між потоками (директиви DO / for та section), конструкції для керування роботою з даними (вираз shared і private), конструкції для синхронізації потоків (директиви critical atomic і barrier), процедури бібліотеки підтримки часу виконанню (наприклад, omp_get_thread_num), змінні оточення (наприклад, OMP_NUM_THREADS).
Приклади програм Нижче наведені приклади програм з використанням директив OpenMP:
C У цій програмі два вектора (a і b) додаються паралельно десятьма потоками.
#include <stdio.h> #include <omp.h>
#define N 100
int main(int argc, char *argv[]) { float a[N], b[N], c[N]; int i; omp_set_dynamic(0); // заборонити змінювати число потоків за допомогою змінної оточення omp_set_num_threads(10); // встановити число потоків у 10
// ініціалізуємо вектори for (i = 0; i < N; i++) { a[i] = i * 1.0; b[i] = i * 2.0;
// обчислюємо суму векторів #pragma omp parallel shared(a, b, c) private(i)
#pragma omp for for (i = 0; i < N; i++) c[i] = a[i] + b[i];
printf ("%f\n", c); return 0; }
Fortran Аналогічна програма на мові Фортран program main use omp_lib implicit none integer, parameter :: rp = kind(1.0) integer, parameter :: N=100 real(rp), dimension(1:N) :: a,b,c integer :: i call omp_set_dynamic(.false.) ! заборонити змінювати число нитей за допомогою змінної оточення call omp_set_num_threads(10) ! встановити число нитей у 10
! ініціалізуємо вектори do i=1,N a(i)=i*1.0_rp b(i)=i*2.0_rp enddo
! обчислюємо суму векторів !$omp parallel do shared(a, b, c) private(i) do i=1,N c(i)=a(i)+b(i) enddo !$omp end parallel do
write(*,'(f10.6)') c(10)
end program main
Існуючі реалізації OpenMP підтримується багатьма комерційними компіляторами.
Компілятори Oracle Solaris Studio, v12.3, підтримують офіційно специфікацію OpenMP 3.1 — з покращеною продуктивністю під ОС Solaris та обмеженим числом платформ під ОС Linux
Visual C++ 2005 підтримує OpenMP у редакціях Professional і Team System.
GCC 4.2 підтримує OpenMP 2.5, а деякі дистрибутиви (такі як Fedora Core 5 gcc ) включили підтримку в свої версії GCC 4.1. Починаючи з GCC 4.4 підтримується стандарт OpenMP 3.0 а з версії GCC 4.7 — OpenMP 3.1
В універсальному комплексі Intel Parallel Studio від Intel об'єднано компілятори C++ та Фортран, бібліотеки оптимізації та паралелізації, включаючи OpenMP 3.1 (починаючи з версії компіляторів 12.1), а також засоби перевірки помилок та продуктивності, зневаджувач і профайлер для останніх поколінь багатоядерних процесорів.
Приклад реалізації Компілятори Sun Studio створюють окрему процедуру з вихідного коду, розташованого під директивою parallel, а замість самої директиви вставляють виклик процедури __mt_MasterFunction_ бібліотеки libmtsk, передаючи їй адресу штучно створену. Таким чином, розподілювані (shared) дані можуть бути передані останній за посиланням, а власні (private) оголошуються всередині цієї процедури, опиняючись незалежні від своїх копій в інших нитях.
Процедура __mt_MasterFunction_ створює групу нитей (кількістю 9 у наведеному вище прикладі на мові C), які будуть виконувати код конструкції parallel, а нить, що викликала їх, стає головною у групі. Потім головна нить організовує роботу підлеглих нитей, після чого починає виконувати код користувача сама. Коли код буде виконаний, головна нить викликає процедуру _mt_EndOfTask_Barrier_ що синхронізує її з іншими.
Інструменти VivaMP — Статичний аналізатор Сі/Сі++ коду для виявлення помилок в програмах, побудованих на технології OpenMP для ОС Windows.
Примітки
Посилання OpenMP.org — Офіційний сайт OpenMP Architecture Review Board Что такое OpenMP? Введение в OpenMP: API параллельных программ для многопроцессорных систем с общей памятью OpenMP и C++ Учебный курс — Параллельное программирование с использованием OpenMP OpenMP Support in Sun Studio Compilers and Tools Статья «32 подводных камня OpenMP при программировании на Си++»