MPI并行程序设计与PETSc应用讲座

"本次资料主要围绕MPI（Message Passing Interface）进行讲解，由北京应用物理与计算数学研究所的莫则尧博士主讲。课程内容包括进程与消息传递的基础知识，MPI在当前高性能计算环境中的应用状况，以及如何入门MPI并行程序设计。课程详细介绍了初级和高级的MPI函数，并通过具体的并行程序示例来加深理解，还涉及到了并行计算工具箱PETSc的介绍及其应用实例。" MPI（Message Passing Interface）是并行计算领域中的一种标准接口，它允许程序员在分布式内存系统中编写并行程序。在MPI中，程序被分解为多个独立的进程，每个进程都有自己的内存空间，它们通过消息传递进行通信。这种编程模型对于大规模科学计算和工程应用非常有效。 1. **进程与消息传递**：一个进程是程序的执行实例，包括其执行环境如内存、寄存器等。在单机内，操作系统可以同时调度多个进程，它们共享硬件资源但拥有独立的内存空间。进程间通信通过消息传递实现，基本操作有发送（send）、接收（receive）、同步（barrier）和规约（reduction）。 2. **MPI应用现状**：MPI广泛应用于高性能计算环境，支持多节点间的高效通信，使得大规模并行计算成为可能。随着超级计算机的发展，MPI的重要性日益增强。 3. **MPI并行程序设计**：入门阶段，程序员需要了解基本的MPI编程概念，如进程管理（初始化、终止）、进程间通信（点对点、广播、集合通信）等。课程提供了简单的程序示例，帮助初学者理解MPI的工作机制。 4. **初步的MPI消息传递函数**：包括`MPI_Send`和`MPI_Receive`等，用于在进程间发送和接收数据。此外，还有非阻塞发送和接收，以及各种同步原语，如`MPI_Bcast`（广播）、`MPI_Gather`（聚集）、`MPI_Scatter`（分散）等。 5. **先进的MPI函数**：进阶的MPI功能包括窗口（Windows）用于共享内存通信，以及动态进程管理，如进程池（Process Pools）和进程组（Process Groups）等。 6. **并行程序示例**：课程通过具体示例教授如何用MPI解决实际问题，如求解偏微分方程（PDEs），例如解泊松方程 `-∆u=f`。 7. **PETSc介绍**：PETSc（Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computing）是一个开源的科学计算库，专门用于并行可扩展的科学计算。它提供了许多高级数据结构和算法，简化了复杂并行计算问题的解决。 8. **PETSc程序示例**：通过具体的代码示例，学员将学习如何利用PETSc来构建并行计算应用，从而提高程序性能和可扩展性。 课程内容丰富，适合对并行计算感兴趣的科研人员和工程师学习，旨在提升参与者在MPI和并行计算领域的知识与技能。