OpenMP并行计算教程：Fortran实现

"这份资源是一份关于OpenMP并行计算的文档，专注于使用Fortran语言。作者Miguel Hermanns是西班牙马德里理工大学航空航天工程学院的成员。文档介绍了OpenMP Fortran应用编程接口的基础知识，包括各种并行结构、工作共享构造和同步构造，旨在帮助读者理解和实现共享内存环境下的并行计算。" OpenMP是一种开放源代码的API，用于在C、C++和Fortran等编译型语言中进行并行编程，特别适合于共享内存的多处理器系统。它通过提供一系列的编译器指令（预处理宏）和库函数，使得程序员能够相对容易地将串行代码转换为并行代码，从而利用多核处理器的计算能力。 1. **OpenMP Fortran应用编程接口** - **历史背景**: OpenMP最初是在1998年由几家主要的硬件和软件供应商发起的，旨在提供一个跨平台的并行编程标准。 - **参与者**: 开发者、研究人员、教育工作者以及工业界都在OpenMP的发展中扮演了角色。 - **文档目标**: 该文档的目的是向Fortran程序员介绍如何利用OpenMP实现并行化，以提高程序性能。 2. **基本概念** - **OpenMP指令和条件编译**: 使用`!$OMP`前缀的预处理指令来开启和结束OpenMP区域，编译器根据是否存在这些指令来决定是否执行并行化。 - **并行区域**: 通过`!$OMP PARALLEL`和`!$OMP END PARALLEL`定义，这是并行计算的核心，创建一个线程团队来执行任务。 3. **OpenMP构造** - **工作共享构造**: 用于将大任务分解为小块，分配给线程执行。 - `!$OMPDO/!$OMP END DO`: 并行化循环，每个线程处理一部分迭代。 - `!$OMP SECTIONS/!$OMP END SECTIONS`: 将代码段分为多个部分，线程独立执行。 - `!$OMP SINGLE/!$OMP END SINGLE`: 只有一个线程执行的代码段。 - `!$OMP WORKSHARE/!$OMP END WORKSHARE`: 工作共享，所有线程同时执行同一段代码。 - **组合并行工作共享构造**: 将并行和工作共享结合，以更灵活的方式并行化代码。 - `!$OMPPARALLEL DO/!$OMPEND PARALLEL DO`: 并行化循环，并允许线程团队内的工作共享。 - `!$OMPPARALLEL SECTIONS/!$OMPEND PARALLEL SECTIONS`: 并行执行多个代码段。 - `!$OMPPARALLEL WORKSHARE/!$OMPEND PARALLEL WORKSHARE`: 并行化工作共享，所有线程同时执行所有工作共享的代码。 4. **同步构造** - **主区（Master Region）**: `!$OMP MASTER/!$OMPEND MASTER`指示只有主线程（通常为第一个线程）执行的代码。 - **同步点（Barrier）**: `!$OMP BARRIER`确保所有线程到达此点后才会继续执行，用于保持数据一致性。 - **临界区（Critical Region）**: `!$OMP CRITICAL`确保同一时间只有一个线程可以执行特定代码，用于保护共享资源。 - **单例（Singleton）**: `!$OMP SINGLE`和`NOWAIT`选项可以创建一个仅在第一次遇到时执行的区域，常用于初始化。 5. **其他高级特性** - **动态调整线程数**: 使用`omp_set_num_threads()`函数在运行时改变线程数。 - **队列管理**: 通过`!$OMP TASK`和`!$OMP TASKWAIT`可以创建和管理任务队列，实现更复杂的并行控制。 - **并行区域中的数据共享和私有化**: `SHARED`、`PRIVATE`、`FIRSTPRIVATE`、`LASTPRIVATE`和`REDUCTION`等关键字控制数据的可见性和副本。 学习OpenMP并行计算Fortran，不仅可以提升代码的执行效率，还可以帮助开发人员适应不断增长的多核心计算环境。通过理解并熟练运用OpenMP的各种构造和同步机制，可以编写出高效且易于维护的并行程序。