实现一种或多种并行排序算法——基于MPI+OpenMP的并行程序设计

MPI和OpenMP都是并行程序设计的重要工具，可以实现高效的并行计算。下面介绍两种基于MPI+OpenMP的并行排序算法：归并排序和快速排序。

## 归并排序

归并排序是一种分治算法，它将待排序的数组分成两个子数组，分别排序，然后将已排序的子数组合并成一个更大的有序数组。该算法的时间复杂度为O(nlogn)。

### 并行实现

1. 每个进程读取并分配一部分待排序数据。
2. 每个进程使用OpenMP并行进行归并排序。
3. 将每个进程排序后的子数组发送到Master进程。
4. Master进程使用归并操作合并每个子数组，得到最终的有序数组。

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <mpi.h>
#include <omp.h>

void merge(int *arr, int left, int mid, int right)
{
    int i, j, k;
    int n1 = mid - left + 1;
    int n2 = right - mid;

    int L[n1], R[n2];

    for (i = 0; i < n1; i++)
        L[i] = arr[left + i];
    for (j = 0; j < n2; j++)
        R[j] = arr[mid + 1 + j];

    i = 0;
    j = 0;
    k = left;
    while (i < n1 && j < n2) {
        if (L[i] <= R[j]) {
            arr[k] = L[i];
            i++;
        }
        else {
            arr[k] = R[j];
            j++;
        }
        k++;
    }

    while (i < n1) {
        arr[k] = L[i];
        i++;
        k++;
    }

    while (j < n2) {
        arr[k] = R[j];
        j++;
        k++;
    }
}

void mergeSort(int *arr, int left, int right)
{
    if (left < right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;

        #pragma omp parallel sections
        {
            #pragma omp section
            {
                mergeSort(arr, left, mid);
            }

            #pragma omp section
            {
                mergeSort(arr, mid + 1, right);
            }
        }

        merge(arr, left, mid, right);
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int *data = NULL;
    int *sub_data = NULL;
    int *sub_sorted_data = NULL;
    int n = 1000000;
    int i, j, k, p, rank, size;
    double start, end;

    MPI_Init(&argc, &argv);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);

    sub_data = (int *)malloc(n / size * sizeof(int));
    sub_sorted_data = (int *)malloc(n / size * sizeof(int));

    if (rank == 0) {
        data = (int *)malloc(n * sizeof(int));
        for (i = 0; i < n; i++) {
            data[i] = rand() % n;
        }
    }

    start = MPI_Wtime();

    MPI_Scatter(data, n / size, MPI_INT, sub_data, n / size, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);

    mergeSort(sub_data, 0, n / size - 1);

    MPI_Gather(sub_data, n / size, MPI_INT, data, n / size, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);

    if (rank == 0) {
        int *temp = (int *)malloc(n * sizeof(int));
        for (i = 0; i < size; i++) {
            for (j = 0; j < n / size; j++) {
                temp[i * n / size + j] = data[i + j * size];
            }
        }

        mergeSort(temp, 0, n - 1);

        free(temp);
    }

    end = MPI_Wtime();

    if (rank == 0) {
        printf("Time: %lf seconds\n", end - start);
    }

    MPI_Finalize();

    free(data);
    free(sub_data);
    free(sub_sorted_data);

    return 0;
}

## 快速排序

快速排序是一种分治算法，它通过选择一个基准元素，将数组分成两个子数组，其中一个子数组中的元素都小于基准元素，另一个子数组中的元素都大于基准元素，然后递归地排序子数组。该算法的时间复杂度为O(nlogn)。

### 并行实现

1. 每个进程读取并分配一部分待排序数据。
2. 每个进程使用OpenMP并行进行快速排序。
3. 将每个进程排序后的子数组发送到Master进程。
4. Master进程使用归并操作合并每个子数组，得到最终的有序数组。

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <mpi.h>
#include <omp.h>

void swap(int *a, int *b)
{
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int partition(int *arr, int low, int high)
{
    int pivot = arr[high];
    int i = low - 1;
    int j;

    #pragma omp parallel for
    for (j = low; j <= high - 1; j++) {
        if (arr[j] < pivot) {
            i++;
            swap(&arr[i], &arr[j]);
        }
    }

    swap(&arr[i + 1], &arr[high]);
    return i + 1;
}

void quickSort(int *arr, int low, int high)
{
    if (low < high) {
        int pi = partition(arr, low, high);

        #pragma omp parallel sections
        {
            #pragma omp section
            {
                quickSort(arr, low, pi - 1);
            }

            #pragma omp section
            {
                quickSort(arr, pi + 1, high);
            }
        }
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int *data = NULL;
    int *sub_data = NULL;
    int *sub_sorted_data = NULL;
    int n = 1000000;
    int i, j, k, p, rank, size;
    double start, end;

    MPI_Init(&argc, &argv);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);

    sub_data = (int *)malloc(n / size * sizeof(int));
    sub_sorted_data = (int *)malloc(n / size * sizeof(int));

    if (rank == 0) {
        data = (int *)malloc(n * sizeof(int));
        for (i = 0; i < n; i++) {
            data[i] = rand() % n;
        }
    }

    start = MPI_Wtime();

    MPI_Scatter(data, n / size, MPI_INT, sub_data, n / size, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);

    quickSort(sub_data, 0, n / size - 1);

    MPI_Gather(sub_data, n / size, MPI_INT, data, n / size, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);

    if (rank == 0) {
        int *temp = (int *)malloc(n * sizeof(int));
        for (i = 0; i < size; i++) {
            for (j = 0; j < n / size; j++) {
                temp[i * n / size + j] = data[i + j * size];
            }
        }

        quickSort(temp, 0, n - 1);

        free(temp);
    }

    end = MPI_Wtime();

    if (rank == 0) {
        printf("Time: %lf seconds\n", end - start);
    }

    MPI_Finalize();

    free(data);
    free(sub_data);
    free(sub_sorted_data);

    return 0;
}

以上两种算法都可以通过MPI+OpenMP实现并行排序，提高了算法的效率。