高性能计算应用优化之IO调优

本文主要是介绍高性能计算应用优化之IO调优，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

IO调优

IO是应用程序进行结果输出的主要方式，也是程序运行开销最大的部分。大规模并行程序通常需要多个处理器同时执行任务，处理大量的数据，处理器的速度日新月异，而IO操作的速度并没有同步提升，导致IO成为了程序运行的瓶颈。尤其在分布式环境中，IO操作更加复杂和耗时，对程序性能造成了严重影响。

因此，大规模并行程序中的IO操作已经成为了运行的最大瓶颈，需要采取相应的优化措施来减少IO操作对程序性能的影响。例如，采用异步IO、缓存、数据压缩等技术来提高IO操作的效率。

程序编写中IO的基本原则

在文件打开和关闭期间，需要遵循如下原则。首先，以正确的模式打开文件。如果文件仅用于读取，则必须以只读模式打开，因为选择正确的模式可以使系统应用优化并仅分配必要的资源。其次，不要过于频繁地打开和关闭文件，因为这涉及到许多系统调用操作。最好的方法是在第一次需要时打开文件，只有在足够长的时间内不需要使用时才关闭文件。最后，限制同时打开的文件的数量，因为对于每个打开的文件，系统必须分配和管理一些资源。

在文件读写期间，需要遵循如下原则。首先，在一个读写调用中写入/读取全部数组/数据结构，而不是每个元素进行一次读写操作。否则将会产生大量系统调用，对I/O性能产生负面影响。其次，避免多个进程打开同一个文件用于写入，在并行程序中，更常见的方法是依据MPI进程号为每个进程建立一个文件，每个进程分别读写其对应的文件。因为文件元数据的操作可能需要串行化的锁机制。最后，在MPI程序中可以使用非阻塞MPI I/O调用，或使用基于MPI-I/O的高级库（HDF5、ADIOS、SIONlib、PNetCDF等）。最后，充分借助缓冲区所带来的性能增益。当FORT_BUFFERED设置为1（TRUE）时，该变量指定缓冲I/O应在运行时用于所有Fortran I/O单元的输入和输出。在使用ifort编译时使用“-assume buffered_io”同样能达到该效果。此外还可以调整I/O环境变量“FORT_BLOCKSIZE”，将其调整为所用文件系统的块大小。

export FORT_BUFFERED=1

并行IO的使用

在一般的并行IO中，应用程序会使用多个进程分别读写，各个进程同时将自身数据写出到一个文件，参与的进程数增多会导致数据更加碎片化，进而导致锁竞争增加和锁管理开销增大。

并行IO软件库ROMIO提出了集合I/O的方式，它增加了一步全局通信，比如在写出数据的时候，先将各进程不连续的数据按照文件中的位置排列成有序的，再分别写出，进一步地，ROMIO中提供了每个客户端节点中选择一个或几个进程负责I/O的局地聚合方式，将全局通信变成了局地通信，减少了通信的开销。

ROMIO被集成在了基于POSIX I/O接口开发的并行IO库——MPI-IO上，使得MPI-IO做到平台独立和接口易用，用程序可以通过MPI-IO及基于MPI-IO的pHDF5、pNetCDF等库实现并行IO。

为了支持更多类型的数据文件格式和I/O操作，研究人员开发了ADIOS这种基于多种底层库、能够提供统一接口的高级并行I/O库，而且能通过XML配置文件让用户灵活选择文件格式和IO方法，用户可以根据自身需要选择多种不同的并行IO库以加速IO。PIO是用于结构化网格应用程序的高级并行I/O C和Fortran库，它提供了一个类似NetCDF的API，并允许用户指定一些处理器子集来执行IO。计算代码调用类似NetCDF的函数来读取和写入数据，使用IO处理器来执行所有必要的IO。

MPI-IO是MPI-2标准的IO接口。ROMIO被集成在了基于POSIX I/O接口开发的并行IO库—MPI-IO上，使得MPI-IO做到平台独立和接口易用。

ROMIO实现了两个重要的优化，对来自一个进程的不连续请求进行Data Sieving；对来自多个进程的不连续请求进行Collective I/O。

MPI提供了MPI_Info接口，供用户为MPI库提供自定义参数key-value键值对。

ROMIO的hint允许通过提供诸如文件访问模式和文件系统细节之类的信息来指导优化。

MPI_File fh;MPI_Info info;MPI_Info_create(&info);MPI_Info_set(info, "romio_cb_write", "enable");MPI_File_open(MPI_COMM_WORLD, "hello", MPI_MODE_WRONLY | MPI_MODE_CREATE, info, &fh);