Python多核编程mpi4py实践

一、概述

CPU从三十多年前的8086,到十年前的奔腾,再到当下的多核i7。一开始,以单核cpu的主频为目标,架构的改良和集成电路工艺的进步使得cpu的性能高速上升,单核cpu的主频从老爷车的MHz阶段一度接近4GHz高地。然而,也因为工艺和功耗等的限制,单核cpu遇到了人生的天花板,急需转换思维,以满足无止境的性能需求。多核cpu在此登上历史舞台。给你的老爷车多加两个引擎,让你有法拉利的感觉。现时代,连手机都到处叫嚣自己有4核8核处理器的时代,PC就更不用说了。

扯远了,anyway,对于俺们程序员来说,如何利用如此强大的引擎完成我们的任务才是我们要考虑的。随着大规模数据处理、大规模问题和复杂系统求解需求的增加,以前的单核编程已经有心无力了。如果程序一跑就得几个小时,甚至一天,想想都无法原谅自己。那如何让自己更快的过度到高大上的多核并行编程中去呢?哈哈,广大人民的力量!

目前工作中我所接触到的并行处理框架主要有MPI、OpenMP和MapReduce(Hadoop)三个(CUDA属于GPU并行编程,这里不提及)。MPI和Hadoop都可以在集群中运行,而OpenMP因为共享存储结构的关系,不能在集群上运行,只能单机。另外,MPI可以让数据保留在内存中,可以为节点间的通信和数据交互保存上下文,所以能执行迭代算法,而Hadoop却不具有这个特性。因此,需要迭代的机器学习算法大多使用MPI来实现。当然了,部分机器学习算法也是可以通过设计使用Hadoop来完成的。(浅见,如果错误,希望各位不吝指出,谢谢)。

本文主要介绍Python环境下MPI编程的实践基础。

二、MPI与mpi4py

MPI是Message Passing Interface的简称,也就是消息传递。消息传递指的是并行执行的各个进程具有自己独立的堆栈和代码段,作为互不相关的多个程序独立执行,进程之间的信息交互完全通过显示地调用通信函数来完成。

Mpi4py是构建在mpi之上的python库,使得python的数据结构可以在进程(或者多个cpu)之间进行传递。

2.1、MPI的工作方式

很简单,就是你启动了一组MPI进程,每个进程都是执行同样的代码!然后每个进程都有一个ID,也就是rank来标记我是谁。什么意思呢?假设一个CPU是你请的一个工人,共有10个工人。你有100块砖头要搬,然后很公平,让每个工人搬10块。这时候,你把任务写到一个任务卡里面,让10个工人都执行这个任务卡中的任务,也就是搬砖!这个任务卡中的“搬砖”就是你写的代码。然后10个CPU执行同一段代码。需要注意的是,代码里面的所有变量都是每个进程独有的,虽然名字相同。

例如,一个脚本test.py,里面包含以下代码:

然后我们在命令行通过以下方式运行:

#mpirun –np 5 python test.py

-np5 指定启动5个mpi进程来执行后面的程序。相当于对脚本拷贝了5份,每个进程运行一份,互不干扰。在运行的时候代码里面唯一的不同,就是各自的rank也就是ID不一样。所以这个代码就会打印5个hello world和5个不同的rank值,从0到4.

2.2、点对点通信

点对点通信(Point-to-PointCommunication)的能力是信息传递系统最基本的要求。意思就是让两个进程直接可以传输数据,也就是一个发送数据,另一个接收数据。接口就两个,send和recv,来个例子:

启动5个进程运行以上代码,结果如下:

可以看到,每个进程都创建了一个数组,然后把它传递给下一个进程,最后的那个进程传递给第一个进程。comm_size就是mpi的进程个数,也就是-np指定的那个数。MPI.COMM_WORLD 表示进程所在的通信组。

但这里面有个需要注意的问题,如果我们要发送的数据比较小的话,mpi会缓存我们的数据,也就是说执行到send这个代码的时候,会缓存被send的数据,然后继续执行后面的指令,而不会等待对方进程执行recv指令接收完这个数据。但是,如果要发送的数据很大,那么进程就是挂起等待,直到接收进程执行了recv指令接收了这个数据,进程才继续往下执行。所以上述的代码发送[rank]*5没啥问题,如果发送[rank]*500程序就会半死不活的样子了。因为所有的进程都会卡在发送这条指令,等待下一个进程发起接收的这个指令,但是进程是执行完发送的指令才能执行接收的指令,这就和死锁差不多了。所以一般,我们将其修改成以下的方式:

第一个进程一开始就发送数据,其他进程一开始都是在等待接收数据,这时候进程1接收了进程0的数据,然后发送进程1的数据,进程2接收了,再发送进程2的数据……知道最后进程0接收最后一个进程的数据,从而避免了上述问题。

一个比较常用的方法是封一个组长,也就是一个主进程,一般是进程0作为主进程leader。主进程将数据发送给其他的进程,其他的进程处理数据,然后返回结果给进程0。换句话说,就是进程0来控制整个数据处理流程。

2.3、群体通信

点对点通信是A发送给B,一个人将自己的秘密告诉另一个人,群体通信(Collective Communications)像是拿个大喇叭,一次性告诉所有的人。前者是一对一,后者是一对多。但是,群体通信是以更有效的方式工作的。它的原则就一个:尽量把所有的进程在所有的时刻都使用上!我们在下面的bcast小节讲述。

群体通信还是发送和接收两类,一个是一次性把数据发给所有人,另一个是一次性从所有人那里回收结果。

1)广播bcast

将一份数据发送给所有的进程。例如我有200份数据,有10个进程,那么每个进程都会得到这200份数据。

结果如下:

Root进程自己建了一个列表,然后广播给所有的进程。这样所有的进程都拥有了这个列表。然后爱干嘛就干嘛了。

对广播最直观的观点是某个特定进程将数据一一发送给每个进程。假设有n个进程,那么假设我们的数据在0进程,那么0进程就需要将数据发送给剩下的n-1个进程,这是非常低效的,复杂度是O(n)。那有没有高效的方式?一个最常用也是非常高效的手段是规约树广播:收到广播数据的所有进程都参与到数据广播的过程中。首先只有一个进程有数据,然后它把它发送给第一个进程,此时有两个进程有数据;然后这两个进程都参与到下一次的广播中,这时就会有4个进程有数据,……,以此类推,每次都会有2的次方个进程有数据。通过这种规约树的广播方法,广播的复杂度降为O(log n)。这就是上面说的群体通信的高效原则:充分利用所有的进程来实现数据的发送和接收。

2)散播scatter

将一份数据平分给所有的进程。例如我有200份数据,有10个进程,那么每个进程会分别得到20份数据。

结果如下:

这里root进程创建了一个list,然后将它散播给所有的进程,相当于对这个list做了划分,每个进程获得等分的数据,这里就是list的每一个数。(主要根据list的索引来划分,list索引为第i份的数据就发送给第i个进程)。如果是矩阵,那么就等分的划分行,每个进程获得相同的行数进行处理。

需要注意的是,MPI的工作方式是每个进程都会执行所有的代码,所以每个进程都会执行scatter这个指令,但只有root执行它的时候,它才兼备发送者和接收者的身份(root也会得到属于自己的数据),对于其他进程来说,他们都只是接收者而已。

3)收集gather

那有发送,就有一起回收的函数。Gather是将所有进程的数据收集回来,合并成一个列表。下面联合scatter和gather组成一个完成的分发和收回过程:

结果如下:

Root进程将数据通过scatter等分发给所有的进程,等待所有的进程都处理完后(这里只是简单的乘以2),root进程再通过gather回收他们的结果,和分发的原则一样,组成一个list。Gather还有一个变体就是allgather,可以理解为它在gather的基础上将gather的结果再bcast了一次。啥意思?意思是root进程将所有进程的结果都回收统计完后,再把整个统计结果告诉大家。这样,不仅root可以访问combine_data,所有的进程都可以访问combine_data了。

4)规约reduce

规约是指不但将所有的数据收集回来,收集回来的过程中还进行了简单的计算,例如求和,求最大值等等。为什么要有这个呢?我们不是可以直接用gather全部收集回来了,再对列表求个sum或者max就可以了吗?这样不是累死组长吗?为什么不充分使用每个工人呢?规约实际上是使用规约树来实现的。例如求max,完成可以让工人两两pk后,再返回两两pk的最大值,然后再对第二层的最大值两两pk,直到返回一个最终的max给组长。组长就非常聪明的将工作分配下工人高效的完成了。这是O(n)的复杂度,下降到O(log n)(底数为2)的复杂度。

结果如下:

可以看到,最后可以得到一个sum值。

三、常见用法

3.1、对一个文件的多个行并行处理

3.2、对多个文件并行处理

如果我们的文件太大,例如几千万行,那么mpi是没办法将这么大的数据bcast给所有的进程的,所以我们可以先把大的文件split成小的文件,再让每个进程处理少数的文件。

3.3、联合numpy对矩阵的多个行或者多列并行处理

Mpi4py一个非常优秀的特性是完美支持numpy!

四、MPI和mpi4py的环境搭建

这章放到这里是作为一个附录。我们的环境是linux,需要安装的包有python、openmpi、numpy、cpython和mpi4py,过程如下:

4.1、安装Python

先将Python放到环境变量里面,还有Python的插件库

执行#python,如果看到可爱的>>>出来,就表示成功了。按crtl+d退出

4.2、安装openmpi

然后把bin路径加到环境变量里面:

执行#mpirun,如果有帮助信息打印出来,就表示安装好了。需要注意的是,我安装了几个版本都没有成功,最后安装了1.4.1这个版本才能成功,因此就看你的人品了。

4.3、安装numpy和Cython

安装python库的方法可以参考之前的博客。过程一般如下:

打开Python,import Cython,如果没有报错,就表示安装成功了

4.4、安装mpi4py

在68行,[openmpi]下面,将刚才已经安装好的openmpi的目录给改上。

打开Python,import mpi4py as MPI,如果没有报错,就表示安装成功了

下面就可以开始属于你的并行之旅了,勇敢探索多核的乐趣吧。

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