我试图改进我的C源代码以并行执行。我有一个四核CPU,所以我认为4是很多线程(一个用于CPU)来运行我的程序,而不是像顺序代码那样进行优化。OpenMP #pragma omp parallel for slow
但它不工作。我的代码没有OpenMP需要11分钟才能执行,而并行代码需要11分钟。我报告我的所有来源,但并行代码仅在getBasin()
函数中。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <time.h>
#include <omp.h>
#define BLD "\x1B[1m"
#define RED "\x1B[31m"
#define GRN "\x1B[32m"
#define RST "\x1B[0m"
struct point{
double x;
double v;
double t;
double E0;
double E;
double dE;
} typedef point;
struct parametri {
double gamma;
double epsilon;
double dt;
double t_star;
double t_basin;
double t_max;
double x0;
double v0;
int choice;
int alg[1];
double dx;
} typedef parametri;
// Prototipi delle funzioni
void Setup();
void getParams(parametri *pars);
void getError(point *xv, parametri *pars, int *i, int k, int *n_passi, double *xn1, double *vn1);
void getBasin(point *xv, parametri *pars, int *h, int *n_passi, double *xn1, double *vn1);
double f(double x, double v, parametri *pars);
void algEulero(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1);
void algEuleroCromer(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1);
void algPuntoDiMezzo(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1);
void algVerlet(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1);
void algRungeKutta2(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1);
int main(void) {
// Inizializzo il display per l'utente. Maggiori informazioni vedere funzione Setup();
Setup();
// Dichiaro e recupero i parametri richiesti per il corretto funzionamento del programma;
parametri pars;
getParams(&pars);
// Dichiaro e ricavo i parametri essenziali, annesse variabili di supporto;
int i, n_passi = pars.t_max/pars.dt;
double dt0, xn1, vn1, t_star = 5.;
point xv;
// Imposto i parametri iniziali;
xv.x = pars.x0;
xv.v = pars.v0;
xv.E0 = 0.5*(xv.v)*(xv.v) - (xv.x)*(xv.x)/8. + (xv.x)*(xv.x)*(xv.x)*(xv.x)/4.;
xv.E = xv.E0;
xv.dE = 0;
xv.t = 0;
pars.t_star = 5;
pars.t_basin = 60;
dt0 = pars.dt;
// Formato dell'output;
printf ("t\tx(t)\tv(t)\tE(t)\tdE\n");
if ((pars.choice == 1) || (pars.choice == 3) || (pars.choice == 4)) { // L'utente ha deciso di affrontare il primo/terzo/quarto esercizio;
// Avverto l'utente che il processo sta per iniziare. Può risultare inutile su tempi brevi, ma efficace su tempi molto lunghi;
fprintf(stderr, "\nAvvio integrazione numerica... ");
if (pars.alg[0] == 1) { // L'utente ha selezionato l'algoritmo di Eulero;
for (i=0; i<n_passi; i++){
algEulero(&xv, &pars, &xn1, &vn1);
}
} else if (pars.alg[0] == 2) { // L'utente ha selezionato l'algoritmo di EuleroCromer;
for (i=0; i<n_passi; i++){
algEuleroCromer(&xv, &pars, &xn1, &vn1);
}
} else if (pars.alg[0] == 3) { // L'utente ha selezionato l'algoritmo di PuntoDiMezzo;
for (i=0; i<n_passi; i++){
algPuntoDiMezzo(&xv, &pars, &xn1, &vn1);
}
} else if (pars.alg[0] == 4) { // L'utente ha selezionato l'algoritmo di Verlet;
for (i=0; i<n_passi; i++){
algVerlet(&xv, &pars, &xn1, &vn1);
}
} else if (pars.alg[0] == 5) { // L'utente ha selezionato l'algoritmo di RungeKutta di ordine 2;
for (i=0; i<n_passi; i++) {
algRungeKutta2(&xv, &pars, &xn1, &vn1);
}
}
// Algoritmo terminato;
fprintf(stderr, "[%s%sDONE%s]\n\n", BLD, GRN, RST);
} else if (pars.choice == 2) { // L'utente ha deciso di affrontare il secondo esercizio;
// Seleziono il secondo algoritmo da confrontare
do {
fprintf(stderr, "> Selezionare il secondo algoritmo:\n");
fprintf(stderr, "\t>> [1] Eulero\n");
fprintf(stderr, "\t>> [2] EuleroCromer - RungeKutta (1 ordine)\n");
fprintf(stderr, "\t>> [3] PuntoDiMezzo\n");
fprintf(stderr, "\t>> [4] Verlet\n");
fprintf(stderr, "\t>> [5] RungeKutta (2 ordine)\n");
fprintf(stderr, "\t>> ");
scanf("%d", &pars.alg[1]);
} while ((pars.alg[1] <= 0));
// Avverto l'utente che il processo sta per iniziare. Può risultare inutile su tempi brevi, ma efficace su tempi molto lunghi;
fprintf(stderr, "\nAvvio calcolo errori... ");
// Eseguo lo studio degli errori d'integrazione mediante il primo e secondo algoritmo scelto, rispettivamente nei file error_1.dat, error_2.dat;
getError(&xv, &pars, &i, 0, &n_passi, &xn1, &vn1);
// Resetto le variabili e richiamo l'algoritmo per calcolare gli errori;
pars.dt = dt0;
n_passi = pars.t_max/pars.dt;
xv.x = pars.x0;
xv.v = pars.v0;
xv.E = xv.E0;
xv.dE = 0;
xv.t = 0;
getError(&xv, &pars, &i, 1, &n_passi, &xn1, &vn1);
// Processo terminato;
fprintf(stderr, "\n\nStato: [%s%sDONE%s]\n\n", BLD, GRN, RST);
} else if (pars.choice == 5) { // L'utente ha deciso di affrontare il quinto esercizio;
// Avverto l'utente che il processo sta per iniziare. Può risultare inutile su tempi brevi, ma efficace su tempi molto lunghi;
fprintf(stderr, "\nAvvio calcolo griglia... ");
getBasin(&xv, &pars, &i, &n_passi, &xn1, &vn1);
// Processo terminato;
fprintf(stderr, "[%s%sDONE%s]\n\n", BLD, GRN, RST);
} else { // L'utente non ha selezionato un esercizio valido;
fprintf(stderr, "\n[%s%sFAILED%s] Esercizio non disponibile.\n", BLD, RED, RST);
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
void Setup() {
fprintf(stderr, "\nAnalisi numerica di un'equazione differenziale\n");
fprintf(stderr, "==============================================\n\n");
}
void getParams(parametri *pars) {
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per gamma : ");
scanf("%lf", &pars->gamma);
} while (pars->gamma < 0);
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per epsilon : ");
scanf("%lf", &pars->epsilon);
} while (pars->epsilon < 0);
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per dt : ");
scanf("%lf", &pars->dt);
} while (pars->dt < 0);
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per tmax t.c. :\n");
fprintf(stderr, " >> (tmax > 5) per I eserc.\n");
fprintf(stderr, " >> (tmax > 60) per V eserc. : ");
scanf("%lf", &pars->t_max);
} while (pars->t_max < 0);
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per x(0) : ");
scanf("%lf", &pars->x0);
} while (pars->x0 < -1);
do {
fprintf(stderr, "> Inserire un valore per v(0) : ");
scanf("%lf", &pars->v0);
} while (pars->v0 < -1);
do {
fprintf(stderr, "> Selezionare l'esercizio richiesto :\n");
fprintf(stderr, "\t>> [1] Esercizio 1\n");
fprintf(stderr, "\t>> [2] Esercizio 2\n");
fprintf(stderr, "\t>> [3] Esercizio 3\n");
fprintf(stderr, "\t>> [4] Esercizio 4\n");
fprintf(stderr, "\t>> [5] Esercizio 5\n\n");
fprintf(stderr, "\t>> ");
scanf("%d", &pars->choice);
} while ((pars->choice <= 0));
do {
fprintf(stderr, "> Selezionare l'algoritmo voluto :\n");
fprintf(stderr, "\t>> [1] Eulero\n");
fprintf(stderr, "\t>> [2] EuleroCromer - RungeKutta (1 ordine)\n");
fprintf(stderr, "\t>> [3] PuntoDiMezzo\n");
fprintf(stderr, "\t>> [4] Verlet\n");
fprintf(stderr, "\t>> [5] RungeKutta (2 ordine)\n\n");
fprintf(stderr, "\t>> ");
scanf("%d", &pars->alg[0]);
} while ((pars->alg[0] <= 0));
}
void getError(point *xv, parametri *pars, int *i, int k, int *n_passi, double *xn1, double *vn1) {
void (*algF)(point *, parametri *, double *, double *);
int j, n = 0;
FILE *fp;
// Questo if controlla se il codice sta eseguendo lo studio degli errori per il primo o secondo algoritmo (pars->alg[k]);
if (k == 0) {
fp = fopen("error_1.dat", "w+");
} else {
fp = fopen("error_2.dat", "w+");
}
// Assegno il puntatore corretto a seconda dell'algoritmo scelto;
if (pars->alg[k] == 1) {
algF = algEulero;
} else if (pars->alg[k] == 2) {
algF = algEuleroCromer;
} else if (pars->alg[k] == 3) {
algF = algPuntoDiMezzo;
} else if (pars->alg[k] == 4) {
algF = algVerlet;
} else if (pars->alg[k] == 5) {
algF = algRungeKutta2;
} else {
fprintf(stderr, "\n[%s%sFAILED%s] E' stato selezionato un algoritmo non valido.\n", BLD, RED, RST);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// Informo l'utente che il processo sta iniziando;
fprintf(stderr, "\n>> Avvio %d algoritmo... ", k+1);
// Formattazione dell'output del file contenente gli errori;
fprintf(fp, "dt\tE(t*)\tE(0)\tdE/E(0)\t# passi\ti\tt\n");
for (j=0; j<8; j++) {
for ((*i)=0; (*i)<(*n_passi); (*i)++){
(*algF)(xv, pars, xn1, vn1);
if (((pars->t_star - pars->dt/2. <= xv->t) && (xv->t >= pars->t_star + pars->dt/2.)) && (n == 0)) {
fprintf(fp, "%+.14lf\t%+.14lf\t%+.14lf\t%+.14lf\t%+.14d\t%+.14d\t%+.14lf\n", pars->dt, xv->E, xv->E0, (xv->E - xv->E0)/xv->E0, (*n_passi), (*i), xv->t);
n = 1;
}
}
// Resetto le variabili per rilanciare l'algoritmo con dt/2^j
n = 0;
xv->t = 0;
xv->x = pars->x0;
xv->v = pars->v0;
pars->dt = pars->dt/2.;
(*n_passi) = pars->t_max/pars->dt;
(*xn1) = 0;
(*vn1) = 0;
xv->E = xv->E0;
}
fclose(fp);
fprintf(stderr, "[%s%sDONE%s]", BLD, GRN, RST);
}
void getBasin(point *xv, parametri *pars, int *h, int *n_passi, double *xn1, double *vn1) {
// Dichiaro e setto i parametri che delimitano la griglia;
point xv1;
pars->dx = 0.01;
xv1.x = -1;
xv1.v = -1;
// Dichiaro le variabili necessarie per il bacino d'attrazione;
int i, j, i_max = 2./pars->dx, j_max = 2./pars->dx;
void (*algF)(point *, parametri *, double *, double *);
FILE *fp = fopen("basin.dat", "w+");
// Assegno il puntatore corretto a seconda dell'algoritmo scelto;
if (pars->alg[0] == 1) {
algF = algEulero;
} else if (pars->alg[0] == 2) {
algF = algEuleroCromer;
} else if (pars->alg[0] == 3) {
algF = algPuntoDiMezzo;
} else if (pars->alg[0] == 4) {
algF = algVerlet;
} else if (pars->alg[0] == 5) {
algF = algRungeKutta2;
} else {
fprintf(stderr, "\n[%s%sFAILED%s] E' stato selezionato un algoritmo non valido.\n", BLD, RED, RST);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// Formattazione output file basin.dat;
fprintf(fp, "x(0)\tx'(0)\tx(t*)\tv(t*)\n");
omp_set_num_threads(4);
#pragma omp parallel for
// Eseguo il for della griglia sull'asse x';
for (j=0; j<=j_max; j++) {
// Eseguo il for della griglia sull'asse x;
for (i=0; i<=i_max; i++) {
fprintf(fp, "%lf\t%lf\t", xv1.x, xv1.v);
xv->x = xv1.x;
xv->v = xv1.v;
// Eseguo l'integrazione numerica
for ((*h)=0; (*h)<(*n_passi); (*h)++) {
(*algF)(xv, pars, xn1, vn1);
// Entro in t = t*, stampo v(t*) ed esco dal ciclo;
if ((pars->t_basin - pars->dt/2. <= xv->t) && (xv->t >= pars->t_basin + pars->dt/2.)) {
fprintf(fp, "%lf\t%lf\n", xv->x, xv->v);
break;
}
}
xv1.x += pars->dx;
xv->t = 0;
(*xn1) = 0;
(*vn1) = 0;
}
// Resetto la x e incremento la x';
xv1.x = -1;
xv1.v += pars->dx;
}
}
double f(double x, double v, parametri *pars) {
return 0.25*x - x*x*x + (pars->gamma - pars->epsilon*(x*x))*v;
}
void algEulero(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1){
printf("%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\n", xv->t, xv->x, xv->v, xv->E, xv->dE);
*xn1 = xv->x + (xv->v)*(pars->dt);
*vn1 = xv->v + f(xv->x, xv->v, pars)*(pars->dt);
xv->E = 0.5*(xv->v)*(xv->v) - (xv->x)*(xv->x)/8. + (xv->x)*(xv->x)*(xv->x)*(xv->x)/4.;
xv->dE = fabs(xv->E-xv->E0)/xv->E0;
xv->t += (pars->dt);
xv->x = *xn1;
xv->v = *vn1;
}
void algEuleroCromer(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1){
printf("%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\n", xv->t, xv->x, xv->v, xv->E, xv->dE);
xv->v = xv->v + f(xv->x, xv->v, pars)*(pars->dt);
xv->x = xv->x + (xv->v)*(pars->dt);
xv->E = 0.5*(xv->v)*(xv->v) - (xv->x)*(xv->x)/8. + (xv->x)*(xv->x)*(xv->x)*(xv->x)/4.;
xv->dE = fabs(xv->E-xv->E0)/xv->E0;
xv->t += (pars->dt);
}
void algPuntoDiMezzo(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1) {
printf("%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\n", xv->t, xv->x, xv->v, xv->E, xv->dE);
*vn1 = xv->v + f(xv->x, xv->v, pars)*(pars->dt);
xv->x = xv->x + (0.5*(xv->v + (*vn1)))*(pars->dt);
xv->E = 0.5*(xv->v)*(xv->v) - (xv->x)*(xv->x)/8. + (xv->x)*(xv->x)*(xv->x)*(xv->x)/4.;
xv->dE = fabs(xv->E-xv->E0)/xv->E0;
xv->t += (pars->dt);
xv->v = *vn1;
}
void algVerlet(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1) {
printf("%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\n", xv->t, xv->x, xv->v, xv->E, xv->dE);
*xn1 = xv->x + xv->v*pars->dt + 0.5*(f(xv->x, xv->v, pars))*pars->dt*pars->dt;
*vn1 = xv->v + 0.5*(f(xv->x, xv->v, pars) + f((*xn1), xv->v, pars))*pars->dt;
xv->x = *xn1;
xv->v = *vn1;
xv->E = 0.5*(xv->v)*(xv->v) - (xv->x)*(xv->x)/8. + (xv->x)*(xv->x)*(xv->x)*(xv->x)/4.;
xv->dE = fabs(xv->E-xv->E0)/xv->E0;
xv->t += (pars->dt);
}
void algRungeKutta2(point *xv, parametri *pars, double *xn1, double *vn1) {
printf("%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\t%.14g\n", xv->t, xv->x, xv->v, xv->E, xv->dE);
*xn1 = xv->x + xv->v*pars->dt + 0.5*f(xv->x, xv->v, pars)*pars->dt*pars->dt;
*vn1 = xv->v + f(xv->x + 0.5*xv->v*pars->dt, xv->v + 0.5*f(xv->x, xv->v, pars)*pars->dt, pars)*pars->dt;
xv->x = *xn1;
xv->v = *vn1;
xv->E = 0.5*(xv->v)*(xv->v) - (xv->x)*(xv->x)/8. + (xv->x)*(xv->x)*(xv->x)*(xv->x)/4.;
xv->dE = fabs(xv->E-xv->E0)/xv->E0;
xv->t += (pars->dt);
}
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尊敬的吉尔, 我向你解释我的程序的功能。这个程序的目标是用不同算法(algEulero,algEuleroCromer,algPuntoDiMezzo,algVerlet,algRungeKutta2)在数值上求解一个微分方程。它工作正常。物理方程为d^2x/dt^2 = f(x,v,gamma,epsilon)。这个f()就是你可以在我的代码中找到的f()。我的简单C程序的“大”问题是他非常慢:当我选择5'练习(pars.choice == 5)时,程序将完成:
1)计算在getBasin())中,一个面积为[-1,1] x [-1,1]的pars.dx增量; 2)在x和y上的每个增量将启动算法,该算法用for的两个起始条件(x,y)数值地求解微分方程。当算法达到asynthotic t *(pars.t_basin)时,他将在basin.dat中写出x(t *)和v(t *)的输出。 3)(x,y)将改变并再次转到点(1)。
现在,可以使用以下参数进行测试:0.83,4,0.01,62,1,1,5,5。
我测试您的代码,但并不比我的顺序代码更快(在11分钟内, 例如)。为了改善它:
1)盆地输出的顺序是微不足道的,因为我将绘制依赖于3'和4'列值的图像(x,y)在Gnuplot上)。 2)为什么在函数getBasin()之前创建线程,而不是仅为两个for()?创建线程。这不应该重复,每个线程,getBasin()?
对不起,我的英语不好,并行编程,我试图改进它在线阅读教程。
太棒了!谢谢 ! 'printf()'非常糟糕。代码是完美的,但最后一个问题是,bassin00,bassin01,bassin02,bassin03产生的是完全相同的数据。如何告诉omp在不同索引的不同线程中分割for()'? –
'bassin00.dat'比我的输出中的其他人略有些,但是,其他三个完全相同。也就是说,代码确实与线程间分布的'j'循环迭代并行。简单地说,我没有在代码中看到对'j'的任何依赖。所以要么这里有问题,要么代码本身是迭代的,不能(很容易)并行化。无论如何,我的笔记本电脑上的顺序版本现在是6.07s。 – Gilles
在我的桌面上,顺序也是〜20秒,没关系。但我不知道为什么第一个for()(j一)不是从'0'到'j_max',而是从'0'到几分之一'j_max',每个线程都这样做。尝试绘制bassin01-4的输出,第一列的函数为2,颜色由3列确定:您将看到三个输出是相同的。问题是脚本正在执行顺序代码中的对应工作,但在并行版本中并没有这样做。 –