OpenMP并行开发 (C++)

1. OpenMP基本概念

OpenMP是一种用于共享内存并行系统的多线程程序设计方案，支持的编程语言包括C、C++和Fortran。OpenMP提供了对并行算法的高层抽象描述，特别适合在多核CPU机器上的并行程序设计。编译器根据程序中添加的pragma指令，自动将程序并行处理，使用OpenMP降低了并行编程的难度和复杂度。当编译器不支持OpenMP时，程序会退化成普通（串行）程序。程序中已有的OpenMP指令不会影响程序的正常编译运行。

2. OpenMP执行模式

OpenMP采用fork-join的执行模式。开始的时候只存在一个主线程，当需要进行并行计算的时候，派生出若干个分支线程来执行并行任务。当并行代码执行完成之后，分支线程会合，并把控制流程交给单独的主线程。

一个典型的fork-join执行模型的示意图如下：

3. OpenMP的指令

OpenMP的指令有以下一些：（常用的已标黑）

• parallel，用在一个代码段之前，表示这段代码将被多个线程并行执行
• for，用于for循环之前，将循环分配到多个线程中并行执行，必须保证每次循环之间无相关性。
• parallel for，parallel和for语句的结合，也是用在一个for循环之前，表示for循环的代码将被多个线程并行执行
• sections，用在可能会被并行执行的代码段之前
• parallel sections，parallel和sections两个语句的结合
• critical，用在一段代码临界区之前
• single，用在一段只被单个线程执行的代码段之前，表示后面的代码段将被单线程执行
• flush，用以标记一个同步点，用以确保所有的线程看到一致的存储器视图
• barrier，用于并行区内代码的线程同步，所有线程执行到barrier时要停止，直到所有线程都执行到barrier时才继续往下执行
• atomic，用于指定一块内存区域被制动更新
• master，用于指定一段代码块由主线程执行
• ordered，用于指定并行区域的循环按顺序执行
• threadprivate，用于指定一个变量是线程私有的

4. 安装

安装libgomp1包：

sudo apt install libgomp1

安装libomp-dev包： 

sudo apt install libomp-dev

5. CMakeLists.txt编写

find_package(OpenMP REQUIRED)  
target_link_libraries({project_name} OpenMP::OpenMP_CXX)

6. 使用

6.1. parallel

#include <iostream>
#include "omp.h"

using namespace std;

int main(int argc, char **argv) {
	//设置线程数，一般设置的线程数不超过CPU核心数，这里开4个线程执行并行代码段
	omp_set_num_threads(4);
    #pragma omp parallel
	{
		cout << "Hello" << ", I am Thread " << omp_get_thread_num() << endl;
	}
}

输出：

Hello, I am Thread 1
Hello, I am Thread 0
Hello, I am Thread 2
Hello, I am Thread 3

可以看到，OpenMP自动用4个线程调用了代码。

6.2. parallel用于for循环

#include <iostream>
#include "omp.h"

using namespace std;

int main() {
    omp_set_num_threads(4);
    #pragma omp parallel
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("i = %d, I am Thread %d\n", i, omp_get_thread_num());
    }
    getchar();
}

输出：

i = 0, I am Thread 0
i = 1, I am Thread 0
i = 2, I am Thread 0
i = 0, I am Thread 0
i = 0, I am Thread 0
i = 0, I am Thread 0
i = 1, I am Thread 0
i = 2, I am Thread 0
i = 1, I am Thread 0
i = 2, I am Thread 0
i = 1, I am Thread 0
i = 2, I am Thread 0

6.2. parallel for用于for循环

#include <iostream>
#include "omp.h"

using namespace std;

int main() {
    omp_set_num_threads(4);
    #pragma omp parallel for
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("i = %d, I am Thread %d\n", i, omp_get_thread_num());
    }
    getchar();
}

输出：

i = 0, I am Thread 0
i = 1, I am Thread 1
i = 2, I am Thread 2 

参考文献

OpenMP并行开发（C++） - 知乎

OpenMP简介_c++openmp_longji的博客-CSDN博客

OpenMP用法大全（个人整理版）-CSDN博客