OpenMP task construct 实现原理以及源码分析

2024-02-06 12:50
文章标签 分析 实现 源码 原理 construct task openmp

本文主要是介绍OpenMP task construct 实现原理以及源码分析，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！

OpenMP task construct 实现原理以及源码分析

前言

在本篇文章当中主要给大家介绍在 OpenMP 当中 task 的实现原理，以及他调用的相关的库函数的具体实现。在本篇文章当中最重要的就是理解整个 OpenMP 的运行机制。

从编译器角度看 task construct

在本小节当中主要给大家分析一下编译器将 openmp 的 task construct 编译成什么样子，下面是一个 OpenMP 的 task 程序例子：

#include <stdio.h>
#include <omp.h>int main()
{#pragma omp parallel num_threads(4) default(none){
#pragma omp task default(none){printf("Hello World from tid = %d\n", omp_get_thread_num());}}return 0;
}

首先先捋一下整个程序被编译之后的执行流程，经过前面的文章的学习，我们已经知道了并行域当中的代码会被编译器编译成一个函数，关于这一点我们已经在前面的很多文章当中已经讨论过了，就不再进行复述。事实上 task construct 和 parallel construct 一样，task construct 也会被编译成一个函数，同样的这个函数也会被作为一个参数传递给 OpenMP 内部，被传递的这个函数可能被立即执行，也可能在函数 GOMP_parallel_end 被调用后，在到达同步点之前执行被执行（线程在到达并行域的同步点之前需要保证所有的任务都被执行完成）。整个过程大致如下图所示：

上面的 OpenMP task 程序对应的反汇编程序如下所示：

00000000004008ad <main>:4008ad:       55                      push   %rbp4008ae:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp4008b1:       ba 04 00 00 00          mov    $0x4,%edx4008b6:       be 00 00 00 00          mov    $0x0,%esi4008bb:       bf db 08 40 00          mov    $0x4008db,%edi4008c0:       e8 8b fe ff ff          callq  400750 <GOMP_parallel_start@plt>4008c5:       bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi4008ca:       e8 0c 00 00 00          callq  4008db <main._omp_fn.0>4008cf:       e8 8c fe ff ff          callq  400760 <GOMP_parallel_end@plt>4008d4:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax4008d9:       5d                      pop    %rbp4008da:       c3                      retq00000000004008db <main._omp_fn.0>:4008db:       55                      push   %rbp4008dc:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp4008df:       48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp4008e3:       48 89 7d f8             mov    %rdi,-0x8(%rbp)4008e7:       c7 04 24 00 00 00 00    movl   $0x0,(%rsp)		# 参数 flags4008ee:       41 b9 01 00 00 00       mov    $0x1,%r9d			# 参数 if_clause4008f4:       41 b8 01 00 00 00       mov    $0x1,%r8d			# 参数 arg_align4008fa:       b9 00 00 00 00          mov    $0x0,%ecx			# 参数 arg_size4008ff:       ba 00 00 00 00          mov    $0x0,%edx			# 参数 cpyfn400904:       be 00 00 00 00          mov    $0x0,%esi			# 参数 data400909:       bf 15 09 40 00          mov    $0x400915,%edi # 这里就是调用函数 main._omp_fn.140090e:       e8 9d fe ff ff          callq  4007b0 <GOMP_task@plt>400913:       c9                      leaveq400914:       c3                      retq0000000000400915 <main._omp_fn.1>:400915:       55                      push   %rbp400916:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp400919:       48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp40091d:       48 89 7d f8             mov    %rdi,-0x8(%rbp)400921:       e8 4a fe ff ff          callq  400770 <omp_get_thread_num@plt>400926:       89 c6                   mov    %eax,%esi400928:       bf d0 09 40 00          mov    $0x4009d0,%edi40092d:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax400932:       e8 49 fe ff ff          callq  400780 <printf@plt>400937:       c9                      leaveq400938:       c3                      retq400939:       0f 1f 80 00 00 00 00    nopl   0x0(%rax)

从上面程序反汇编的结果我们可以知道，在主函数当中仍然和之前一样在并行域前后分别调用了 GOMP_parallel_start 和 GOMP_parallel_end，然后在两个函数之间调用并行域的代码 main._omp_fn.0 ，并行域当中的代码被编译成函数 main._omp_fn.0 ，从上面的汇编代码我们可以看到在函数 main._omp_fn.0 调用了函数 GOMP_task ，这个函数的函数声明如下所示：

void
GOMP_task (void (*fn) (void *), void *data, void (*cpyfn) (void *, void *),long arg_size, long arg_align, bool if_clause, unsigned flags);

在这里我们重要解释一下部分参数，首先我们需要了解的是在 x86 当中的函数调用规约，这一点我们在前面的文章当中已经讨论过了，这里只是说明一下：

寄存器含义
rdi第一个参数
rsi第二个参数
rdx第三个参数
rcx第四个参数
r8第五个参数
r9第六个参数

根据上面的寄存器和参数的对应关系，在上面的汇编代码当中已经标注了对应的参数。在这些参数当中最重要的一个参数就是第一个函数指针，对应的汇编语句为 mov $0x400915,%edi，可以看到的是传入的函数的地址为 0x400915，根据上面的汇编程序可以知道这个地址对应的函数就是 main._omp_fn.1，这其实就是 task 区域之间被编译之后的对应的函数，从上面的 main._omp_fn.1 汇编程序当中也可以看出来调用了函数 omp_get_thread_num，这和前面的 task 区域当中代码是相对应的。

现在我们来解释一下其他的几个参数：

  • fn，task 区域被编译之后的函数地址。
  • data，函数 fn 的参数。
  • cpyfn，参数拷贝函数，一般是 NULL，有时候需要 task 当中的数据不能是共享的，需要时私有的，这个时候可能就需要数据拷贝函数，如果有数据需要及进行拷贝而且这个参数还为 NULL 的话，那么在 OpenMP 内部就会使用 memcpy 进行内存拷贝。
  • arg_size，参数的大小。
  • arg_align，参数多少字节对齐。
  • if_clause，if 子句当中的比较结果，如果没有 if 字句的话就是 true 。
  • flags，用于表示 task construct 的特征或者属性，比如是否是最终任务。

我们现在使用另外一个例子，来看看参数传递的变化。

#include <stdio.h>
#include <omp.h>int main()
{#pragma omp parallel num_threads(4) default(none){int data = omp_get_thread_num();
#pragma omp task default(none) firstprivate(data) if(data > 100){data = omp_get_thread_num();printf("data = %d Hello World from tid = %d\n", data, omp_get_thread_num());}}return 0;
}

上面的程序被编译之后对应的汇编程序如下所示：

00000000004008ad <main>:4008ad:       55                      push   %rbp4008ae:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp4008b1:       48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp4008b5:       ba 04 00 00 00          mov    $0x4,%edx4008ba:       be 00 00 00 00          mov    $0x0,%esi4008bf:       bf df 08 40 00          mov    $0x4008df,%edi4008c4:       e8 87 fe ff ff          callq  400750 <GOMP_parallel_start@plt>4008c9:       bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi4008ce:       e8 0c 00 00 00          callq  4008df <main._omp_fn.0>4008d3:       e8 88 fe ff ff          callq  400760 <GOMP_parallel_end@plt>4008d8:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax4008dd:       c9                      leaveq4008de:       c3                      retq
00000000004008df <main._omp_fn.0>:4008df:       55                      push   %rbp4008e0:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp4008e3:       48 83 ec 20             sub    $0x20,%rsp4008e7:       48 89 7d e8             mov    %rdi,-0x18(%rbp)4008eb:       e8 80 fe ff ff          callq  400770 <omp_get_thread_num@plt>4008f0:       89 45 fc                mov    %eax,-0x4(%rbp)4008f3:       83 7d fc 64             cmpl   $0x64,-0x4(%rbp)4008f7:       0f 9f c2                setg   %dl4008fa:       8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax4008fd:       89 45 f0                mov    %eax,-0x10(%rbp)400900:       48 8d 45 f0             lea    -0x10(%rbp),%rax400904:       c7 04 24 00 00 00 00    movl   $0x0,(%rsp)	# 参数 flags40090b:       41 89 d1                mov    %edx,%r9d	# 参数 if_clause40090e:       41 b8 04 00 00 00       mov    $0x4,%r8d	# 参数 arg_align400914:       b9 04 00 00 00          mov    $0x4,%ecx	# 参数 arg_size400919:       ba 00 00 00 00          mov    $0x0,%edx	# 参数 cpyfn40091e:       48 89 c6                mov    %rax,%rsi	# 参数 data400921:       bf 2d 09 40 00          mov    $0x40092d,%edi	# 这里就是调用函数 main._omp_fn.1400926:       e8 85 fe ff ff          callq  4007b0 <GOMP_task@plt>40092b:       c9                      leaveq40092c:       c3                      retq
000000000040092d <main._omp_fn.1>:40092d:       55                      push   %rbp40092e:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp400931:       48 83 ec 20             sub    $0x20,%rsp400935:       48 89 7d e8             mov    %rdi,-0x18(%rbp)400939:       48 8b 45 e8             mov    -0x18(%rbp),%rax40093d:       8b 00                   mov    (%rax),%eax40093f:       89 45 fc                mov    %eax,-0x4(%rbp)400942:       e8 29 fe ff ff          callq  400770 <omp_get_thread_num@plt>400947:       89 c2                   mov    %eax,%edx400949:       8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax40094c:       89 c6                   mov    %eax,%esi40094e:       bf f0 09 40 00          mov    $0x4009f0,%edi400953:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax400958:       e8 23 fe ff ff          callq  400780 <printf@plt>40095d:       c9                      leaveq40095e:       c3                      retq40095f:       90                      nop

在上面的函数当中我们将 data 一个 4 字节的数据作为线程私有数据，可以看到给函数 GOMP_task 传递的参数参数的大小以及参数的内存对齐大小都发生来变化，从原来的 0 变成了 4，这因为 int 类型数据占 4 个字节。

Task Construct 源码分析

在本小节当中主要谈论在 OpenMP 内部是如何实现 task 的，关于这一部分内容设计的内容还是比较庞杂，首先需要了解的是在 OpenMP 当中使用 task construct 的被称作显示任务（explicit task），这种任务在 OpenMP 当中会有两个任务队列（双向循环队列），将所有的任务都保存在这样一张列表当中，整体结构如下图所示：

在上图当中由同一个线程创建的任务为 child_task，他们之间使用 next_child 和 prev_child 两个指针进行连接，不同线程创建的任务之间可以使用 next_queue 和 prev_queue 两个指针进行连接。

任务的结构体描述如下所示：

struct gomp_task
{struct gomp_task *parent;	// 任务的父亲任务struct gomp_task *children;	// 子任务struct gomp_task *next_child;	// 下一个子任务struct gomp_task *prev_child;	// 上一个子任务struct gomp_task *next_queue;	// 下一个任务 （不一定是同一个线程创建的子任务）struct gomp_task *prev_queue;	// 上一个任务 （不一定是同一个线程创建的子任务）struct gomp_task_icv icv; // openmp 当中内部全局设置使用变量的值（internal control variable）void (*fn) (void *);	// task construct 被编译之后的函数void *fn_data;	// 函数参数enum gomp_task_kind kind; // 任务类型 具体类型如下面的枚举类型bool in_taskwait;	// 是否处于 taskwait 状态bool in_tied_task; // 是不是在绑定任务当中bool final_task; // 是不是最终任务gomp_sem_t taskwait_sem; // 对象锁 用于保证线程操作这个数据的时候的线程安全
};// openmp 当中的任务的状态
enum gomp_task_kind
{GOMP_TASK_IMPLICIT,GOMP_TASK_IFFALSE,GOMP_TASK_WAITING,GOMP_TASK_TIED
};

在了解完上面的数据结构之后我们来看一下前面的给 OpenMP 内部提交任务的函数 GOMP_task，其源代码如下所示：

/* Called when encountering an explicit task directive.  If IF_CLAUSE isfalse, then we must not delay in executing the task.  If UNTIED is true,then the task may be executed by any member of the team.  */void
GOMP_task (void (*fn) (void *), void *data, void (*cpyfn) (void *, void *),long arg_size, long arg_align, bool if_clause, unsigned flags)
{struct gomp_thread *thr = gomp_thread ();// team 是 OpenMP 一个线程组当中共享的数据struct gomp_team *team = thr->ts.team;#ifdef HAVE_BROKEN_POSIX_SEMAPHORES/* If pthread_mutex_* is used for omp_*lock*, then each task must betied to one thread all the time.  This means UNTIED tasks must betied and if CPYFN is non-NULL IF(0) must be forced, as CPYFNmight be running on different thread than FN.  */if (cpyfn)if_clause = false;if (flags & 1)flags &= ~1;
#endif// 这里表示如果是 if 子句的条件为真的时候或者是孤立任务(team == NULL )或者是最终任务的时候或者任务队列当中的任务已经很多的时候// 提交的任务需要立即执行而不能够放入任务队列当中然后在 GOMP_parallel_end 函数当中进行任务的取出// 再执行if (!if_clause || team == NULL|| (thr->task && thr->task->final_task)|| team->task_count > 64 * team->nthreads){struct gomp_task task;gomp_init_task (&task, thr->task, gomp_icv (false));task.kind = GOMP_TASK_IFFALSE;task.final_task = (thr->task && thr->task->final_task) || (flags & 2);if (thr->task)task.in_tied_task = thr->task->in_tied_task;thr->task = &task;if (__builtin_expect (cpyfn != NULL, 0)){// 这里是进行数据的拷贝char buf[arg_size + arg_align - 1];char *arg = (char *) (((uintptr_t) buf + arg_align - 1)& ~(uintptr_t) (arg_align - 1));cpyfn (arg, data);fn (arg);}else// 如果不需要进行数据拷贝则直接执行这个函数fn (data);/* Access to "children" is normally done inside a task_lockmutex region, but the only way this particular task.childrencan be set is if this thread's task work function (fn)creates children.  So since the setter is *this* thread, weneed no barriers here when testing for non-NULL.  We can havetask.children set by the current thread then changed by achild thread, but seeing a stale non-NULL value is not aproblem.  Once past the task_lock acquisition, this threadwill see the real value of task.children.  */if (task.children != NULL){gomp_mutex_lock (&team->task_lock);gomp_clear_parent (task.children);gomp_mutex_unlock (&team->task_lock);}gomp_end_task ();}else{// 下面就是将任务先提交到任务队列当中然后再取出执行struct gomp_task *task;struct gomp_task *parent = thr->task;char *arg;bool do_wake;task = gomp_malloc (sizeof (*task) + arg_size + arg_align - 1);arg = (char *) (((uintptr_t) (task + 1) + arg_align - 1)& ~(uintptr_t) (arg_align - 1));gomp_init_task (task, parent, gomp_icv (false));task->kind = GOMP_TASK_IFFALSE;task->in_tied_task = parent->in_tied_task;thr->task = task;// 这里就是参数拷贝逻辑 如果存在拷贝函数就通过拷贝函数进行参数赋值 否则使用 memcpy 进行// 参数的拷贝if (cpyfn)cpyfn (arg, data);elsememcpy (arg, data, arg_size);thr->task = parent;task->kind = GOMP_TASK_WAITING;task->fn = fn;task->fn_data = arg;task->in_tied_task = true;task->final_task = (flags & 2) >> 1;// 在这里获取全局队列锁 保证下面的代码在多线程条件下的线程安全// 因为在下面的代码当中会对全局的队列进行修改操作 下面的操作就是队列的一些基本操作啦gomp_mutex_lock (&team->task_lock);if (parent->children){task->next_child = parent->children;task->prev_child = parent->children->prev_child;task->next_child->prev_child = task;task->prev_child->next_child = task;}else{task->next_child = task;task->prev_child = task;}parent->children = task;if (team->task_queue){task->next_queue = team->task_queue;task->prev_queue = team->task_queue->prev_queue;task->next_queue->prev_queue = task;task->prev_queue->next_queue = task;}else{task->next_queue = task;task->prev_queue = task;team->task_queue = task;}++team->task_count;gomp_team_barrier_set_task_pending (&team->barrier);do_wake = team->task_running_count + !parent->in_tied_task< team->nthreads;gomp_mutex_unlock (&team->task_lock);if (do_wake)gomp_team_barrier_wake (&team->barrier, 1);}
}

对于上述所讨论的内容大家只需要了解相关的整体流程即可，细节除非你是 openmp 的开发人员，否则事实上没有多大用，大家只需要了解大致过程即可，帮助你进一步深入理解 OpenMP 内部的运行机制。

但是需要了解的是上面的整个过程还只是将任务提交到 OpenMP 内部的任务队列当中，还没有执行，我们在前面谈到过在线程执行完并行域的代码会执行函数 GOMP_parallel_end 在这个函数内部还会调用其他函数，最终会调用函数 gomp_barrier_handle_tasks 将内部的所有的任务执行完成。

void
gomp_barrier_handle_tasks (gomp_barrier_state_t state)
{struct gomp_thread *thr = gomp_thread ();struct gomp_team *team = thr->ts.team;struct gomp_task *task = thr->task;struct gomp_task *child_task = NULL;struct gomp_task *to_free = NULL;// 首先对全局的队列结构进行加锁操作gomp_mutex_lock (&team->task_lock);if (gomp_barrier_last_thread (state)){if (team->task_count == 0){gomp_team_barrier_done (&team->barrier, state);gomp_mutex_unlock (&team->task_lock);gomp_team_barrier_wake (&team->barrier, 0);return;}gomp_team_barrier_set_waiting_for_tasks (&team->barrier);}while (1){if (team->task_queue != NULL){struct gomp_task *parent;// 从任务队列当中拿出一个任务child_task = team->task_queue;parent = child_task->parent;if (parent && parent->children == child_task)parent->children = child_task->next_child;child_task->prev_queue->next_queue = child_task->next_queue;child_task->next_queue->prev_queue = child_task->prev_queue;if (child_task->next_queue != child_task)team->task_queue = child_task->next_queue;elseteam->task_queue = NULL;child_task->kind = GOMP_TASK_TIED;team->task_running_count++;if (team->task_count == team->task_running_count)gomp_team_barrier_clear_task_pending (&team->barrier);}gomp_mutex_unlock (&team->task_lock);if (to_free) // 释放任务的内存空间 to_free 在后面会被赋值成 child_task{gomp_finish_task (to_free);free (to_free);to_free = NULL;}if (child_task) // 调用任务对应的函数{thr->task = child_task;child_task->fn (child_task->fn_data);thr->task = task;}elsereturn; // 退出 while 循环gomp_mutex_lock (&team->task_lock);if (child_task){struct gomp_task *parent = child_task->parent;if (parent){child_task->prev_child->next_child = child_task->next_child;child_task->next_child->prev_child = child_task->prev_child;if (parent->children == child_task){if (child_task->next_child != child_task)parent->children = child_task->next_child;else{/* We access task->children in GOMP_taskwaitoutside of the task lock mutex region, soneed a release barrier here to ensure memorywritten by child_task->fn above is flushedbefore the NULL is written.  */__atomic_store_n (&parent->children, NULL,MEMMODEL_RELEASE);if (parent->in_taskwait)gomp_sem_post (&parent->taskwait_sem);}}}gomp_clear_parent (child_task->children);to_free = child_task;child_task = NULL;team->task_running_count--;if (--team->task_count == 0&& gomp_team_barrier_waiting_for_tasks (&team->barrier)){gomp_team_barrier_done (&team->barrier, state);gomp_mutex_unlock (&team->task_lock);gomp_team_barrier_wake (&team->barrier, 0);gomp_mutex_lock (&team->task_lock);}}}
}

总结

在本篇文章当中主要给大家介绍了，OpenMP 内部对于任务的处理流程，这其中的细节非常复杂，大家只需要了解它的整个工作流程即可，这已经能够帮助大家理清楚整个 OpenMP 内部是如何对任务进行处理的，如果大家感兴趣可以自行研读源程序。

更多精彩内容合集可访问项目：https://github.com/Chang-LeHung/CSCore

关注公众号：一无是处的研究僧，了解更多计算机（Java、Python、计算机系统基础、算法与数据结构）知识。

这篇关于OpenMP task construct 实现原理以及源码分析的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/684365。

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