fortran - 使用 MPI IO 编写多个分布式数组

Question

我正在重写一个数值模拟代码，该代码在一个方向上使用 MPI 并行化。到目前为止，包含数据的数组由主 MPI 进程保存，这意味着将所有 MPI 进程的数据传输到一个进程，并分配巨大的数组来存储整个数据。它不是很高效，也不是很优雅，并且对于大分辨率来说是一个问题。

因此，我尝试使用 MPI-IO 直接从分布式数组写入文件。我的限制之一是写入的文件需要遵循 fortran“未格式化”格式(即每个字段前后有 4 个字节整数指示其大小)。

我编写了一个简单的测试程序，当我仅将一个分布式数组写入文件时，该程序可以工作。但是，当我写入多个数组时，文件的总大小是错误的，并且与等效的 fortran“未格式化”文件相比，文件是不同的。

这里是示例代码:

module arrays_dim
   implicit none
   INTEGER,        PARAMETER :: dp   = kind(0.d0) 
   integer,        parameter :: imax = 500 
   integer,        parameter :: jmax = 50 
   integer,        parameter :: kmax = 10 
end module arrays_dim
module mpi_vars
   use mpi 
   implicit none
   integer, save          :: ierr, myID, numprocs
   integer, save          :: i_start, i_end, i_mean, i_loc
   integer, save          :: subArray, fileH
   integer(MPI_OFFSET_KIND), save   :: offset, currPos
end module mpi_vars

program test
   use mpi 
   use arrays_dim
   use mpi_vars
   real(dp), dimension(0:imax,0:jmax+1,0:kmax+1) :: v, w
   real(dp), dimension(:,:,:), allocatable       :: v_loc, w_loc
   integer                                       :: i, j, k

   call MPI_INIT(ierr) 
   call MPI_COMM_RANK(MPI_COMM_WORLD, myID, ierr) 
   call MPI_COMM_SIZE(MPI_COMM_WORLD, numprocs, ierr) 

   i_mean = (imax+1)/numprocs
   i_start = myID*i_mean
   i_end   = i_start+i_mean-1
   if(i_mean*numprocs<imax+1) then 
    if(myID == numprocs-1) i_end = imax
   endif
   i_loc = i_end - i_start + 1
   allocate(v_loc(i_start:i_end,0:jmax+1,0:kmax+1))
   allocate(w_loc(i_start:i_end,0:jmax+1,0:kmax+1))

   print*, 'I am:', myID, i_start, i_end, i_loc
   do k=0,kmax+1
      do j=0,jmax+1
         do i=0,imax
            v(i,j,k) = i+j+k
            w(i,j,k) = i*j*k
         enddo
      enddo
   enddo

   if(myID==0) then 
       open(10,form='unformatted')
       write(10) v
       !write(10) w
       close(10)
   endif

   do k=0,kmax+1
      do j=0,jmax+1
         do i=i_start,i_end
            v_loc(i,j,k) = i+j+k
            w_loc(i,j,k) = i*j*k
         enddo
      enddo
   enddo

   call MPI_Type_create_subarray (3, [imax+1, jmax+2, kmax+2], [i_loc, jmax+2, kmax+2], &
                                     [i_start, 0, 0], &
                                    MPI_ORDER_FORTRAN, MPI_DOUBLE_PRECISION, subArray,  ierr)
   call MPI_Type_commit(subArray, ierr)
   call MPI_File_open(MPI_COMM_WORLD, 'mpi.dat',         &
                     MPI_MODE_WRONLY + MPI_MODE_CREATE + MPI_MODE_APPEND, &
                     MPI_INFO_NULL, fileH, ierr )   


   call saveMPI(v_loc, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2))
   !call saveMPI(w_loc, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2))

   call MPI_File_close(fileH, ierr)      

   deallocate(v_loc,w_loc)
   call MPI_FINALIZE(ierr) 
end program test
!
subroutine saveMPI(array, n)
   use mpi
   use arrays_dim
   use mpi_vars

   implicit none
   real(dp), dimension(n) :: array
   integer                   :: n

   offset = (imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8
   if(myID==0) then
     call MPI_File_seek(fileH, int(0,MPI_OFFSET_KIND), MPI_SEEK_CUR, ierr)
     call MPI_File_write(fileH, [(imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8], 1, MPI_INTEGER, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
     call MPI_File_seek(fileH, offset, MPI_SEEK_CUR, ierr)
     call MPI_File_write(fileH, [(imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8], 1, MPI_INTEGER, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
   endif 
   call MPI_File_set_view(fileH, int(4,MPI_OFFSET_KIND), MPI_DOUBLE_PRECISION, subArray, 'native', MPI_INFO_NULL, ierr)
   call MPI_File_write_all(fileH, array, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2), MPI_DOUBLE_PRECISION, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)  
end subroutine saveMPI

当行 !write(10) w 和 !call saveMPI(w_loc, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2)) 为评论(即我只写 v 数组)，代码工作正常:

mpif90.openmpi -O3 -o prog main.f90
mpirun.openmpi -np 4 ./prog
cmp mpi.dat fort.10

cmp 不生成输出，因此文件是相同的。但是，如果我取消注释这些行，则生成的文件(mpi.dat 和 fort.10)会有所不同。我确信问题在于我定义用于将数据写入文件上正确位置的偏移量的方式，但我不知道如何向 saveMPI 的第二次调用指示初始位置应该是结束位置文件的。我缺少什么？

Answer 1

只有第一次调用 saveMPI 才能按您的预期工作。从第二次通话开始，一切都变得一团糟。以下是正在发生的事情的一些迹象:

• MPI_File_set_view 将独立文件指针和共享文件指针重置为零。请参阅MPI_File_set_view更多细节。因此，当您在 saveMPI 中调用 MPI_File_set_view 时，实际上是用 w 数据覆盖 v 数据。
• 与 MPI_File_write ，数据被写入当前 View 指定的文件部分。这意味着您将大小信息添加到文件中的方式与之前为 v 设置的 View 并不真正兼容。
• 使用MPI_SEEK_CUR调用MPI_File_seek设置相对于单个指针当前位置的位置。所以，对于第二次调用，它是相对于进程0的个体指针

我不太使用并行 IO，所以我无法提供更多帮助，除非我进入文档，但我没有时间。我可以给出的提示是:

• 向 saveMPI 添加一个附加参数，其中包含要写入的数据的绝对位移；这可以是一个[in out] arg。对于第一次调用，它将为零，对于后续调用，它将是已写入文件的所有数据的大小，包括大小信息。可以在 saveMPI 中更新它。
• 在写入大小信息(通过进程 0)之前，调用 MPI_File_set_view 将 View 重置为线性字节流，如 MPI_File_open 最初给出的那样。这可以通过在调用 MPI_File_set_view 时将 etype 和 filetype 设置为 MPI_BYTE 来完成。查看doc of MPI_File_open了解更多信息。然后，您必须在 saveMPI 中调用 MPI_File_set_view。

您的 saveMPI 子例程可能如下所示

subroutine saveMPI(array, n, disp)
    use mpi
    use arrays_dim
    use mpi_vars

    implicit none
    real(dp), dimension(n) :: array
    integer                   :: n, disp

    offset = (imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8
    call MPI_File_set_view(fileH, int(disp,MPI_OFFSET_KIND), MPI_BYTE, MPI_BYTE, 'native', MPI_INFO_NULL, ierr)
    if(myID==0) then
        call MPI_File_seek(fileH, int(0,MPI_OFFSET_KIND), MPI_SEEK_END, ierr)
        call MPI_File_write(fileH, [(imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8], 1, MPI_INTEGER, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
        call MPI_File_seek(fileH, int(offset,MPI_OFFSET_KIND), MPI_SEEK_CUR, ierr)
        call MPI_File_write(fileH, [(imax+1)*(jmax+2)*(kmax+2)*8], 1, MPI_INTEGER, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
    endif
    call MPI_File_set_view(fileH, int(disp+4,MPI_OFFSET_KIND), MPI_DOUBLE_PRECISION, subArray, 'native', MPI_INFO_NULL, ierr)
    call MPI_File_write_all(fileH, array, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2), MPI_DOUBLE_PRECISION, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
    disp = disp+offset+8
end subroutine saveMPI

并调用如下:

disp = 0
call saveMPI(v_loc, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2), disp)
call saveMPI(w_loc, (i_loc)*(jmax+2)*(kmax+2), disp)

最后，请确保在两次调用之间删除该文件，因为您正在使用 MPI_MODE_APPEND。