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OpenSHMEM 介绍和使用指南

news 来源：原创 2025/7/1 17:28:02

OpenSHMEM 介绍和使用指南

什么是 OpenSHMEM？

OpenSHMEM 是一个用于并行计算的标准化 API，它提供了一种分区全局地址空间 (PGAS) 编程模型。OpenSHMEM 最初由 Cray 公司开发，后来成为一个开源项目，旨在为高性能计算提供高效的通信接口。

OpenSHMEM 的主要特点包括：

  • 基于单向通信（无需握手）
  • 支持远程内存访问（RMA）
  • 提供集体操作和原子操作
  • 专为高性能计算设计

OpenSHMEM 的核心概念

  1. PE (Processing Element)：执行单元，类似于 MPI 中的进程
  2. Symmetric Data：在所有 PE 上具有相同名称和布局的数据
  3. Remote Memory Access：直接访问远程 PE 的内存
  4. Active Messages：将数据与处理程序一起发送

安装 OpenSHMEM

OpenSHMEM 有多种实现，以下是几种常见的：

  1. Open MPI 的 OpenSHMEM 实现：

    sudo apt install openmpi-bin libopenmpi-dev

  2. Sandia OpenSHMEM (SOS)：
    从 https://github.com/Sandia-OpenSHMEM/SOS 获取源代码并编译

  3. Cray OpenSHMEM：通常在 Cray 系统上预装

基本使用

简单的 OpenSHMEM 程序结构

#include <shmem.h>
#include <stdio.h>int main(void) {shmem_init();int mype = shmem_my_pe();  // 获取当前 PE 的 IDint npes = shmem_n_pes();  // 获取 PE 的总数printf("Hello from PE %d of %d\n", mype, npes);shmem_finalize();return 0;
}

编译和运行

使用 Open MPI 的实现：

oshcc -o hello hello.c
oshrun -np 4 ./hello

常用 OpenSHMEM 操作

1. 对称内存分配

int* shared_var = (int*)shmem_malloc(sizeof(int));
*shared_var = 0;
shmem_barrier_all();  // 确保所有 PE 都完成了初始化

2. 远程内存访问 (Put/Get)

// PE 0 发送数据到 PE 1
if (mype == 0) {int value = 42;shmem_int_put(shared_var, &value, 1, 1);  // 将 value 放入 PE 1 的 shared_var
}shmem_barrier_all();if (mype == 1) {printf("PE 1 received: %d\n", *shared_var);
}

3. 原子操作

// 所有 PE 对一个共享变量进行原子加
shmem_int_atomic_add(shared_var, mype+1, 0);  // 在 PE 0 的 shared_var 上加上 mype+1shmem_barrier_all();if (mype == 0) {printf("Total sum: %d\n", *shared_var);  // 应该输出 1+2+...+npes
}

4. 集体操作

int local_data = mype + 1;
int global_sum;shmem_int_sum_to_all(&global_sum, &local_data, 1, 0, 0, npes, NULL);printf("PE %d: global sum is %d\n", mype, global_sum);  // 所有 PE 输出相同的结果

高级特性

  1. 非阻塞操作：

    shmem_put_nbi(dest, src, len, pe);  // 非阻塞 put
shmem_quiet();  // 等待所有非阻塞操作完成

  2. 信号量：

    long* lock = shmem_malloc(sizeof(long));
shmem_set_lock(lock);  // 获取锁
// 临界区代码
shmem_clear_lock(lock);  // 释放锁

  3. 远程原子操作：

    int fetched = shmem_int_fetch_add(remote_var, 1, pe);  // 原子加并返回旧值

性能优化建议

  1. 尽量减少同步操作（如 shmem_barrier_all）
  2. 使用非阻塞操作和批量操作
  3. 合理利用对称内存布局
  4. 根据网络特性调整通信粒度

资源

  1. OpenSHMEM 官方规范
  2. OpenSHMEM 参考实现
  3. Sandia OpenSHMEM (SOS)
  4. Open MPI 的 OpenSHMEM 实现

OpenSHMEM 特别适合需要频繁进行远程内存访问的应用程序，如图算法、稀疏线性代数和某些类型的机器学习算法。

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