一、OpenMP基本概念

OpenMP是一種用于共享內(nèi)存并行系統(tǒng)的多線程程序設(shè)計方案，支持的編程語言包括C、C++和Fortran。OpenMP提供了對并行算法的高層抽象描述，特別適合在多核CPU機器上的并行程序設(shè)計。編譯器根據(jù)程序中添加的pragma指令，自動將程序并行處理，使用OpenMP降低了并行編程的難度和復(fù)雜度。當編譯器不支持OpenMP時，程序會退化成普通（串行）程序。程序中已有的OpenMP指令不會影響程序的正常編譯運行。在VS中啟用OpenMP很簡單，很多主流的編譯環(huán)境都內(nèi)置了OpenMP。（具體介紹可以參考OpenMP總結(jié)）

二、OpenMP執(zhí)行模式

OpenMP采用fork-join的執(zhí)行模式。開始的時候只存在一個主線程，當需要進行并行計算的時候，派生出若干個分支線程來執(zhí)行并行任務(wù)。當并行代碼執(zhí)行完成之后，分支線程會合，并把控制流程交給單獨的主線程。
一個典型的fork-join執(zhí)行模型的示意圖如下：

在這里插入圖片描述

OpenMP編程模型以線程為基礎(chǔ)，通過編譯制導(dǎo)指令制導(dǎo)并行化，有三種編程要素可以實現(xiàn)并行化控制，他們分別是編譯制導(dǎo)、API函數(shù)集和環(huán)境變量。

三、編譯制導(dǎo)

編譯制導(dǎo)指令以#pragma omp 開始，后邊跟具體的功能指令，格式如：#pragma omp 指令[子句[,子句] …]。

3.1 常用的功能指令

3.2 相應(yīng)的OpenMP子句

四、API函數(shù)

除上述編譯制導(dǎo)指令之外，OpenMP還提供了一組API函數(shù)用于控制并發(fā)線程的某些行為，下面是一些常用的OpenMP API函數(shù)以及說明

五、環(huán)境變量

OpenMP中定義一些環(huán)境變量，可以通過這些環(huán)境變量控制OpenMP程序的行為，常用的環(huán)境變量

六、簡單示例

6.1 parallel使用

parallel制導(dǎo)指令用來創(chuàng)建并行域，后邊要跟一個大括號將要并行執(zhí)行的代碼放在一起
test_para.cpp

#include<iostream>
#include"omp.h"
using namespace std;
int main()
{
#pragma omp parallel
  {
    cout << "Test" << endl;
  }
 return 0;
}

編譯:g++ -fopenmp test_para.cpp -o test_para
運行：./op_test
結(jié)果：打印了16個Test(筆者電腦是16核，所以打印16個)

6.2 paraller for使用

使用parallel制導(dǎo)指令只是產(chǎn)生了并行域，讓多個線程分別執(zhí)行相同的任務(wù)，并沒有實際的使用價值。parallel for用于生成一個并行域，并將計算任務(wù)在多個線程之間分配，從而加快計算運行的速度。可以讓系統(tǒng)默認分配線程個數(shù)，也可以使用num_threads子句指定線程個數(shù)。
test_parafor.c

#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<omp.h>
int main(int argc,char** argv)
{
    #pragma omp parallel for num_threads(6)
    for (int i = 0; i < 12; i++)
    {
    printf("OpenMP Test, 線程編號為: %d\n", omp_get_thread_num());
    }
    return 0;
 }

編譯:gcc -fopenmp test_parafor.c -o test_parafor
運行：./test_parafor
結(jié)果：如下圖

6.3 OpenMP效率提升以及不同線程數(shù)效率對比

diff_threads.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "omp.h"

void test()
{
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        //do something
    }
}

int main(int argc, char **argv)

{

    float startTime = omp_get_wtime();
    //指定2個線程
#pragma omp parallel for num_threads(2)
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        test();
    }
    float endTime = omp_get_wtime();
    printf("指定 2 個線程，執(zhí)行時間: %f\n", endTime - startTime);
    startTime = endTime;
    //指定4個線程
#pragma omp parallel for num_threads(4)
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        test();
    }
    endTime = omp_get_wtime();
    printf("指定 4 個線程，執(zhí)行時間: %f\n", endTime - startTime);
    startTime = endTime;
    //指定8個線程
#pragma omp parallel for num_threads(8)
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        test();
    }
    endTime = omp_get_wtime();
    printf("指定 8 個線程，執(zhí)行時間: %f\n", endTime - startTime);
    startTime = endTime;
    //指定12個線程

#pragma omp parallel for num_threads(12)
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        test();
    }
    endTime = omp_get_wtime();
    printf("指定 12 個線程，執(zhí)行時間: %f\n", endTime - startTime);
    startTime = endTime;
    //不使用OpenMP
    for (int i = 0; i < 80000; i++)
    {
        test();
    }
    endTime = omp_get_wtime();
    printf("不使用OpenMP多線程，執(zhí)行時間: %f\n", endTime - startTime);
    startTime = endTime;
    return 0;
}

編譯:gcc -fopenmp diff_threads.c -o diff_threads
運行：./diff_threads
結(jié)果：如下圖

可見，使用OpenMP優(yōu)化后的程序執(zhí)行時間是原來的1/4左右，并且并不是線程數(shù)使用越多效率越高，一般線程數(shù)達到4~8個的時候，不能簡單通過提高線程數(shù)來進一步提高效率。

6.4 API使用

API.c

#include <omp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("ID: %d, Max threads: %d, Num threads: %d \n", omp_get_thread_num(), omp_get_max_threads(), omp_get_num_threads());
    omp_set_num_threads(5);
    printf("ID: %d, Max threads: %d, Num threads: %d \n", omp_get_thread_num(), omp_get_max_threads(), omp_get_num_threads());

#pragma omp parallel num_threads(5)
    {
        // omp_set_num_threads(6);  // Do not call it in parallel region
        printf("ID: %d, Max threads: %d, Num threads: %d \n", omp_get_thread_num(), omp_get_max_threads(), omp_get_num_threads());
    }

    printf("ID: %d, Max threads: %d, Num threads: %d \n", omp_get_thread_num(), omp_get_max_threads(), omp_get_num_threads());

    omp_set_num_threads(6);
    printf("ID: %d, Max threads: %d, Num threads: %d \n", omp_get_thread_num(), omp_get_max_threads(), omp_get_num_threads());

    return 0;
}

編譯:gcc -fopenmp API.c -o api
運行：./api
結(jié)果：如下圖