用MPI编写两个n阶方阵a和b的Cannon矩阵乘法程序,结果存放在方阵c中。a、b、c都采用块棋盘划分存储,每个子块的大小都为⌈n/√p⌉×⌈n/√p⌉,不足的部分用0填充。a和b中的每个数都初始化为一个0到1之间的随机double型值:rand()/double(RAND_MAX)。为了验证结果正确性,也实现简单并行分块乘法(可以通过函数MPI_Comm_split和MPI_Bcast实现行广播或列广播),并比较是否与Cannon矩阵乘法的结果相等。执行时间不包括a, b, c的初始化时间和检测结果正确性的时间,通过函数MPI_Wtime计算。在下面写出完整的程序代码,并添加必要的注释。

时间: 2024-02-06 07:09:27 浏览: 34
```C++ #include <mpi.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> #include <math.h> #define MAX_NUM 100 // 随机数的最大值 // 定义矩阵的块大小 #define BLOCK_SIZE(n, p) (int)ceil((double)n / sqrt(p)) // 定义矩阵元素在矩阵中的位置 #define POS(i, j, n) ((i)*(n) + (j)) // 随机生成一个n阶方阵,每个元素的值在0到1之间 void rand_matrix(double* matrix, int n) { srand((unsigned)time(NULL)); for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { matrix[POS(i, j, n)] = (double)rand() / RAND_MAX; } } } // 打印矩阵 void print_matrix(double* matrix, int n) { for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { printf("%.4f ", matrix[POS(i, j, n)]); } printf("\n"); } printf("\n"); } // 矩阵乘法,c = a * b void matrix_multiply(double* a, double* b, double* c, int n, int block_size) { // 初始化结果矩阵 for (int i = 0; i < n * n; i++) { c[i] = 0; } // 计算每个进程的坐标和进程号 int rank, size; int coords[2]; MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); MPI_Cart_coords(MPI_COMM_WORLD, rank, 2, coords); // 创建2D拓扑结构 MPI_Comm cart_comm; int periods[2] = { 1, 1 }; MPI_Cart_create(MPI_COMM_WORLD, 2, (int[]){ sqrt(size), sqrt(size) }, periods, 1, &cart_comm); // 创建块数据类型 MPI_Datatype block_type; MPI_Type_vector(block_size, block_size, n, MPI_DOUBLE, &block_type); MPI_Type_commit(&block_type); // 计算块的起始位置 int block_start_a = POS(coords[0] * block_size, coords[1] * block_size, n); int block_start_b = POS(coords[0] * block_size, coords[1] * block_size, n); int block_start_c = POS(coords[0] * block_size, coords[1] * block_size, n); // 将a和b分成sqrt(p)块,每块大小为block_size double* block_a = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size * block_size); double* block_b = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size * block_size); double* block_c = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size * block_size); for (int i = 0; i < sqrt(size); i++) { int row = (coords[0] + i) % sqrt(size); int col = (coords[1] + i) % sqrt(size); int block_start_a_i = POS(row * block_size, coords[1] * block_size, n); int block_start_b_i = POS(coords[0] * block_size, col * block_size, n); MPI_Datatype sub_block_type; MPI_Type_create_subarray(2, (int[]){ n, n }, (int[]){ block_size, block_size }, (int[]){ block_start_a_i, block_start_b_i }, MPI_ORDER_C, MPI_DOUBLE, &sub_block_type); MPI_Type_commit(&sub_block_type); // 发送和接收块数据 MPI_Sendrecv(&a[block_start_a_i], 1, sub_block_type, row * sqrt(size) + col, 0, block_a, block_size * block_size, MPI_DOUBLE, row * sqrt(size) + col, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); MPI_Sendrecv(&b[block_start_b_i], 1, sub_block_type, row * sqrt(size) + col, 0, block_b, block_size * block_size, MPI_DOUBLE, row * sqrt(size) + col, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); // 计算块乘积 for (int j = 0; j < block_size; j++) { for (int k = 0; k < block_size; k++) { for (int l = 0; l < block_size; l++) { block_c[POS(j, k, block_size)] += block_a[POS(j, l, block_size)] * block_b[POS(l, k, block_size)]; } } } } // 将每个块的结果复制到结果矩阵中 for (int i = 0; i < sqrt(size); i++) { int row = (coords[0] - i + sqrt(size)) % sqrt(size); int col = (coords[1] - i + sqrt(size)) % sqrt(size); int block_start_c_i = POS(row * block_size, col * block_size, n); MPI_Datatype sub_block_type; MPI_Type_create_subarray(2, (int[]){ n, n }, (int[]){ block_size, block_size }, (int[]){ block_start_c_i, block_start_c_i }, MPI_ORDER_C, MPI_DOUBLE, &sub_block_type); MPI_Type_commit(&sub_block_type); MPI_Sendrecv(block_c, block_size * block_size, MPI_DOUBLE, row * sqrt(size) + col, 0, &c[block_start_c_i], 1, sub_block_type, row * sqrt(size) + col, 0, cart_comm, MPI_STATUS_IGNORE); } // 释放内存 MPI_Type_free(&block_type); free(block_a); free(block_b); free(block_c); } // 简单并行分块乘法,c = a * b,每个进程只负责一行 void simple_matrix_multiply(double* a, double* b, double* c, int n) { // 初始化结果矩阵 for (int i = 0; i < n * n; i++) { c[i] = 0; } // 计算每个进程的坐标和进程号 int rank, size; MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size); // 计算每个进程负责的行号 int row = rank; // 计算每个进程负责的行的起始位置 int block_start_a = POS(row, 0, n); int block_start_b = POS(0, 0, n); int block_start_c = POS(row, 0, n); // 计算块的大小 int block_size = BLOCK_SIZE(n, size); // 将a和b分成block_size块,每块大小为1 double* block_a = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size); double* block_b = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size); double* block_c = (double*)malloc(sizeof(double) * block_size); for (int i = 0; i < n; i++) { // 发送和接收块数据 MPI_Bcast(&a[block_start_a + i], 1, MPI_DOUBLE, i % size, MPI_COMM_WORLD); MPI_Bcast(&b[POS(i, 0, n)], n, MPI_DOUBLE, row, MPI_COMM_WORLD); // 计算块乘积 for (int j = 0; j < block_size; j++) { block_a[j] = a[block_start_a + j]; block_b[j] = b[POS(j, 0, n)]; block_c[j] = 0; } for (int j = 0; j < block_size; j++) { for (int k = 0; k < block_size; k++) { block_c[j] += block_a[k] * block_b[k * block_size + j]; } } // 将块的结果复制到结果矩阵中 for (int j = 0; j < block_size; j++) { c[block_start_c + i * block_size + j] = block_c[j]; } } // 释放内存 free(block_a); free(block_b); free(block_c); } int main(int argc, char** argv) { MPI_Init(&argc, &argv); int n = 4; // 方阵的阶数 double* a = (double*)malloc(sizeof(double) * n * n); double* b = (double*)malloc(sizeof(double) * n * n); double* c1 = (double*)malloc(sizeof(double) * n * n); // Cannon矩阵乘法的结果 double* c2 = (double*)malloc(sizeof(double) * n * n); // 简单并行分块乘法的结果 // 随机生成矩阵a和b rand_matrix(a, n); rand_matrix(b, n); // 打印矩阵a和b printf("Matrix A:\n"); print_matrix(a, n); printf("Matrix B:\n"); print_matrix(b, n); // 计算Cannon矩阵乘法的结果 double start1 = MPI_Wtime(); matrix_multiply(a, b, c1, n, BLOCK_SIZE(n, MPI_COMM_WORLD)); double end1 = MPI_Wtime(); // 计算简单并行分块乘法的结果 double start2 = MPI_Wtime(); simple_matrix_multiply(a, b, c2, n); double end2 = MPI_Wtime(); // 打印结果 printf("Cannon matrix multiplication result:\n"); print_matrix(c1, n); printf("Simple parallel block multiplication result:\n"); print_matrix(c2, n); // 验证结果的正确性 int is_correct = 1; for (int i = 0; i < n * n; i++) { if (fabs(c1[i] - c2[i]) > 1e-6) { is_correct = 0; break; } } if (is_correct) { printf("The results of two methods are the same.\n"); } else { printf("The results of two methods are different.\n"); } // 打印时间 printf("Cannon matrix multiplication time: %f seconds\n", end1 - start1); printf("Simple parallel block multiplication time: %f seconds\n", end2 - start2); // 释放内存 free(a); free(b); free(c1); free(c2); MPI_Finalize(); return 0; } ```

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