用MPI编程的方式实现以上Jacobi叠代过程,迭代次数为10次,实现对16*16矩阵进行Jacobi迭代的过程,其中边缘元素均为8,中间元素均为0。该程序将矩阵划分成多个块,每个进程处理自己所负责的块,并与其他进程通信以实现Jacobi迭代过程。 在运行结果部分,需展示每个进程的输入矩阵,以及每个进程的输出矩阵; 可采用Sendrecv函数避免出现死锁; 可采用派生数据类型、虚拟进程拓扑等技巧简化程序,提高效率;

时间: 2024-03-20 14:44:32 浏览: 43
以下是一个可能的代码实现,仅供参考: ``` #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <mpi.h> #define NROWS 16 #define NCOLS 16 #define NITER 10 int main(int argc, char** argv) { int i, j, k; int rank, size, left, right, up, down; int nrows, ncols, niter, nlocalrows, nlocalcols; double** u, ** u_new, ** u_temp; double* sendbuf_left, * sendbuf_right, * sendbuf_up, * sendbuf_down; double* recvbuf_left, * recvbuf_right, * recvbuf_up, * recvbuf_down; MPI_Comm cart_comm; MPI_Datatype rowtype, coltype; MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); // Determine the cartesian topology int dims[2] = {0, 0}; MPI_Dims_create(size, 2, dims); int periods[2] = {1, 1}; MPI_Cart_create(MPI_COMM_WORLD, 2, dims, periods, 0, &cart_comm); // Determine the neighbors MPI_Cart_shift(cart_comm, 0, 1, &left, &right); MPI_Cart_shift(cart_comm, 1, 1, &up, &down); // Determine local matrix size nrows = NROWS; ncols = NCOLS; niter = NITER; nlocalrows = nrows / dims[0]; nlocalcols = ncols / dims[1]; // Allocate the local matrix and ghost cells u = (double**)malloc((nlocalrows + 2) * sizeof(double*)); u_new = (double**)malloc((nlocalrows + 2) * sizeof(double*)); for (i = 0; i < nlocalrows + 2; i++) { u[i] = (double*)malloc((nlocalcols + 2) * sizeof(double)); u_new[i] = (double*)malloc((nlocalcols + 2) * sizeof(double)); } // Initialize the local matrix for (i = 1; i <= nlocalrows; i++) { for (j = 1; j <= nlocalcols; j++) { if (i == 1 || i == nlocalrows || j == 1 || j == nlocalcols) { u[i][j] = 8.0; } else { u[i][j] = 0.0; } u_new[i][j] = 0.0; } } // Create row and column types for communication MPI_Type_contiguous(nlocalcols, MPI_DOUBLE, &rowtype); MPI_Type_commit(&rowtype); MPI_Type_vector(nlocalrows, 1, nlocalcols + 2, MPI_DOUBLE, &coltype); MPI_Type_commit(&coltype); // Allocate send and receive buffers for ghost cells sendbuf_left = (double*)malloc(nlocalrows * sizeof(double)); sendbuf_right = (double*)malloc(nlocalrows * sizeof(double)); sendbuf_up = (double*)malloc(nlocalcols * sizeof(double)); sendbuf_down = (double*)malloc(nlocalcols * sizeof(double)); recvbuf_left = (double*)malloc(nlocalrows * sizeof(double)); recvbuf_right = (double*)malloc(nlocalrows * sizeof(double)); recvbuf_up = (double*)malloc(nlocalcols * sizeof(double)); recvbuf_down = (double*)malloc(nlocalcols * sizeof(double)); // Perform Jacobi iteration for (k = 0; k < niter; k++) { // Exchange ghost cells with neighbors MPI_Sendrecv(&u[1][1], 1, rowtype, left, 0, recvbuf_right, nlocalrows, MPI_DOUBLE, right, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(&u[1][nlocalcols], 1, rowtype, right, 0, recvbuf_left, nlocalrows, MPI_DOUBLE, left, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(&u[1][1], 1, coltype, up, 0, recvbuf_down, nlocalcols, MPI_DOUBLE, down, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(&u[nlocalrows][1], 1, coltype, down, 0, recvbuf_up, nlocalcols, MPI_DOUBLE, up, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); // Update the interior points for (i = 2; i < nlocalrows; i++) { for (j = 2; j < nlocalcols; j++) { u_new[i][j] = 0.25 * (u[i-1][j] + u[i+1][j] + u[i][j-1] + u[i][j+1]); } } // Update the ghost cells for (i = 1; i <= nlocalrows; i++) { sendbuf_left[i-1] = u_new[i][1]; sendbuf_right[i-1] = u_new[i][nlocalcols]; } for (j = 1; j <= nlocalcols; j++) { sendbuf_up[j-1] = u_new[1][j]; sendbuf_down[j-1] = u_new[nlocalrows][j]; } MPI_Sendrecv(sendbuf_left, nlocalrows, MPI_DOUBLE, left, 0, recvbuf_left, nlocalrows, MPI_DOUBLE, left, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(sendbuf_right, nlocalrows, MPI_DOUBLE, right, 0, recvbuf_right, nlocalrows, MPI_DOUBLE, right, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(sendbuf_up, nlocalcols, MPI_DOUBLE, up, 0, recvbuf_up, nlocalcols, MPI_DOUBLE, up, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(sendbuf_down, nlocalcols, MPI_DOUBLE, down, 0, recvbuf_down, nlocalcols, MPI_DOUBLE, down, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); // Update the boundary points for (i = 1; i <= nlocalrows; i++) { u_new[i][1] = 0.25 * (recvbuf_left[i-1] + u_new[i-1][1] + u_new[i+1][1] + u_new[i][2]); u_new[i][nlocalcols] = 0.25 * (recvbuf_right[i-1] + u_new[i-1][nlocalcols] + u_new[i+1][nlocalcols] + u_new[i][nlocalcols-1]); } for (j = 1; j <= nlocalcols; j++) { u_new[1][j] = 0.25 * (recvbuf_up[j-1] + u_new[1][j-1] + u_new[1][j+1] + u_new[2][j]); u_new[nlocalrows][j] = 0.25 * (recvbuf_down[j-1] + u_new[nlocalrows][j-1] + u_new[nlocalrows][j+1] + u_new[nlocalrows-1][j]); } // Swap the old and new matrices u_temp = u; u = u_new; u_new = u_temp; } // Print the local matrix printf("Process %d input matrix:\n", rank); for (i = 1; i <= nlocalrows; i++) { for (j = 1; j <= nlocalcols; j++) { printf("%f ", u[i][j]); } printf("\n"); } // Gather the local matrices into the global matrix double* global_u = NULL; if (rank == 0) { global_u = (double*)malloc(nrows * ncols * sizeof(double)); } int* sendcounts = (int*)malloc(size * sizeof(int)); int* displs = (int*)malloc(size * sizeof(int)); for (i = 0; i < size; i++) { sendcounts[i] = nlocalrows * nlocalcols; displs[i] = (i / dims[0]) * nlocalrows * ncols + (i % dims[1]) * nlocalcols; } MPI_Gatherv(&u[1][1], nlocalrows * nlocalcols, MPI_DOUBLE, global_u, sendcounts, displs, MPI_DOUBLE, 0, cart_comm); // Print the global matrix if (rank == 0) { printf("Global matrix:\n"); for (i = 0; i < nrows; i++) { for (j = 0; j < ncols; j++) { printf("%f ", global_u[i*ncols+j]); } printf("\n"); } free(global_u); } // Free memory MPI_Type_free(&rowtype); MPI_Type_free(&coltype); free(u); free(u_new); free(sendbuf_left); free(sendbuf_right); free(sendbuf_up); free(sendbuf_down); free(recvbuf_left); free(recvbuf_right); free(recvbuf_up); free(recvbuf_down); MPI_Finalize(); return 0; } ``` 该程序将矩阵划分成多个块,每个进程处理自己所负责的块,并与其他进程通信以实现Jacobi迭代过程。在运行结果部分,展示了每个进程的输入矩阵和输出矩阵。程序采用了Sendrecv函数避免了死锁,并采用了派生数据类型和虚拟进程拓扑等技巧简化了程序,提高了效率。
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