C语言 使用具有 Open-MP 的多核进行并行计算

Question

我正在努力弄清楚如何使用 OpenMP 并行化此代码，任何帮助都值得赞赏。下面是基本代码和说明。

在模拟一组软粒子(例如流体中的蛋白质(时，一对粒子重叠时会产生排斥力。此任务的目标是使用并行计算来加速这些排斥力的计算，使用具有 Open-MP 的多个内核。

在力斥力函数中，假设粒子具有单位半径。粒子位于尺寸为L × L × L的"模拟盒"中。选择维度 L，使得粒子的体积分数为 φ = 0.3。模拟框具有周期性(环绕(边界条件，这就解释了为什么我们需要使用余数函数来计算两个粒子之间的距离。如果粒子重叠，即两个粒子之间的距离s小于2，则排斥力与k(2−s(成正比，其中k是力常数。力沿着连接两个粒子的矢量。

1. 编写一个程序来测试代码的正确性。这可以通过计算正确的力并将其与优化代码计算的力进行比较来完成。在报告中提供证据，证明您的程序使用测试程序正常工作
2. 与提供的基线代码相比，加速代码的速度有多快？包括不同问题大小的时间。请务必在报告中列出代码。

要并行化的代码

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <sys/time.h>
double get_walltime() {
struct timeval tp;
gettimeofday(&tp, NULL);
return (double) (tp.tv_sec + tp.tv_usec*1e-6); }
void force_repulsion(int np, const double *pos, double L, double     krepulsion, double *forces)
{
int i, j;
double posi [4]; double rvec [4];
double s2, s, f;
// initialize forces to zero
for (i=0; i<3*np; i++)
forces[i] = 0.;
// loop over all pairs
for (i=0; i<np; i++)
{
posi[0] = pos[3*i ];
posi[1] = pos[3*i+1]; posi[2] = pos[3*i+2];
for (j=i+1; j<np; j++)
{
// compute minimum image difference
rvec[0] = remainder(posi[0] - pos[3*j ], L);
rvec[1] = remainder(posi[1] - pos[3*j+1], L);
rvec[2] = remainder(posi[2] - pos[3*j+2], L);
s2 = rvec [0]* rvec [0] + rvec [1]* rvec [1] + rvec [2]* rvec [2];
if (s2 < 4)
{
s = sqrt(s2);
rvec[0] /= s; rvec[1] /= s;
rvec[2] /= s;
f = krepulsion*(2.-s);
forces[3*i ] += f*rvec[0];
forces[3*i+1] += f*rvec[1];
forces[3*i+2] += f*rvec[2];
forces[3*j ] += -f*rvec[0];
forces[3*j+1] += -f*rvec[1];
forces[3*j+2] += -f*rvec[2]; }
} }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
int i;
int np = 100; // default number of particles
double phi = 0.3; // volume fraction
double krepulsion = 125.; // force constant
double *pos; double *forces;
double L, time0 , time1;
if (argc > 1)
np = atoi(argv[1]);
L = pow(4./3.*3.1415926536*np/phi, 1./3.);
// generate random particle positions inside simulation box
forces = (double *) malloc(3*np*sizeof(double));
pos = (double *) malloc(3*np*sizeof(double));
for (i=0; i<3*np; i++)
pos[i] = rand()/(double)RAND_MAX*L;
// measure execution time of this function
time0 = get_walltime ();
force_repulsion(np, pos, L, krepulsion, forces);
time1 = get_walltime ();
printf("number of particles: %dn", np);
printf("elapsed time: %fn", time1-time0);
free(forces);
free(pos);
return 0; }

Answer 1

从理论上讲，它会像这样简单：

void force_repulsion(int np, const double *pos, double L, double krepulsion, 
double *forces)
{
// initialize forces to zero
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < 3 * np; i++)
forces[i] = 0.;
// loop over all pairs
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < np; i++)
{
double posi[4];
double rvec[4];
double s2, s, f;
posi[0] = pos[3 * i];
//...

汇编：

g++ -fopenmp example.cc -o example

请注意，我没有检查正确性。确保在并行中不会有全局变量(因为我更新了您的代码......