在 OpenMP 中,变量的作用域是一个重要的概念，它决定了变量在并行执行时的可见性和访问权限。OpenMp数据作用域子句可以用于并行循环(omp parallel for)、任务(omp task)、并行区域(omp parallel)等OpenMP构造中。正确地设置数据作用域对于线程之间的数据共享和同步至关重要。以下是 OpenMP 变量作用域的一些关键知识点:
共享变量 (Shared variables)
默认情况下，在并行区域之外声明的变量在并行区域内是共享的，所有线程都可以访问和修改这些共享变量。如果多个线程同时修改同一个共享变量，可能会导致竞态条件和不确定的结果
int x = 0;
#pragma omp parallel
{
// 所有线程共享x变量
x++;
}私有变量 (Private variables)
使用 private 子句声明的变量在每个线程中都有自己的私有副本。每个线程只能访问和修改自己的私有变量副本,不会影响其他线程的副本
#pragma omp parallel for private(i)
for (i = 0; i < n; i++) {
// 每个线程有自己的私有i变量副本
a[i] = i * 2;
}首私有变量 (Firstprivate variables)
使用 firstprivate 子句声明的变量在每个线程中都有自己的私有副本，但是在进入并行区域之前，这些私有副本会从相应的共享变量中获得初始值。
int x = 1;
#pragma omp parallel for firstprivate(x)
for (int i = 0; i < n; i++) {
// 每个线程有自己的x私有副本,初始值为1
a[i] = x * i;
}最后私有变量 (Lastprivate variables)
使用 lastprivate 子句声明的变量在并行区域内有线程私有副本,但在退出并行区域时,最后一个执行的线程的私有副本将被赋值给相应的共享变量。
int x;
#pragma omp parallel for lastprivate(x)
for (int i = 0; i < n; i++) {
x = i; // 最后一个迭代的x值被捕获
}
// 现在x等于最后一个线程的x值线程私有变量 (Threadprivate variables)
使用 threadprivate 指令声明的变量在每个线程中都有自己的私有副本,并且在不同的并行区域之间,这些私有副本的值会被保留。
#pragma omp threadprivate(x)
int x = 0;
void foo() {
#pragma omp parallel
{
x++; // 每个线程有自己的x私有副本
}
// 线程私有变量x在并行区域之间保持值不变
}
OpenMP 允许在同一个指令中使用多个变量作用域子句,并且可以将不同的变量声明为不同的作用域。
OpenMP 提供了 default 子句,用于设置变量的默认作用域。常用的选项包括 shared、none 和 private。
#pragma omp parallel for default(shared) private(i)
for (i = 0; i < n; i++) {
// i是私有变量,其他变量默认为共享
a[i] = i * 2;
}copyin 和 copyprivate
在OpenMP中, copyin 和 copyprivate 是两个重要的数据属性子句,用于控制私有变量在并行区域内外的值传递。
copyin 子句
copyin 子句用于指定在进入并行区域时,私有变量应从共享变量中获取初始值。语法如下:
#pragma omp parallel private(x) copyin(x)变量 x 在每个线程中都有一个私有副本,并且在进入并行区域时,每个线程的私有副本将从共享变量 x 中获取初始值。
copyin 子句类似于 firstprivate 子句,但它只适用于使用 private 子句声明的私有变量。如果需要为不同的变量指定不同的数据属性,使用 copyin 可以提供更好的可读性和灵活性。
copyprivate 子句
copyprivate 子句用于指定在退出并行区域时,共享变量应从一个线程的私有变量副本中获取值。语法如下:
#pragma omp parallel private(x) copyprivate(x)变量 x 在并行区域内每个线程都有一个私有副本。在退出并行区域时,共享变量 x 将从最后一个执行的线程的私有副本中获取值。
copyprivate 子句类似于 lastprivate 子句,但它只适用于使用 private 子句声明的私有变量。同样地,使用 copyprivate 可以提供更好的可读性和灵活性。
需要注意的是,copyin 和 copyprivate 子句只能与 private 子句一起使用,不能与 firstprivate 或 lastprivate 子句一起使用。它们提供了一种更细粒度的控制方式,允许程序员为不同的变量指定不同的数据属性。
copyin示例
int x = 1;
#pragma omp parallel for private(x) copyin(x)
for (int i = 0; i < n; i++) {
// 每个线程的x私有副本从共享变量x获取初始值1
a[i] = x * i;
}copyprivate示例
int x;
#pragma omp parallel for private(x) copyprivate(x)
for (int i = 0; i < n; i++) {
x = i; // 最后一个迭代的x值被捕获
}
// 现在共享变量x等于最后一个线程的x值private和threadprivate区别
OpenMP中private和threadprivate都用于声明线程私有变量,但它们有一些重要区别:
private变量:
- private变量的作用域仅限于声明它的并行区域。
- 每个线程在进入并行区域时获得private变量的私有副本。
- 在并行区域内,每个线程只能访问和修改自己的私有副本。
- 在退出并行区域时,private变量的私有副本被销毁。
threadprivate变量:
- threadprivate变量在整个程序执行过程中都是线程私有的,其作用域贯穿整个程序。
- 每个线程在创建时获得threadprivate变量的私有副本,即使没有并行区域也是如此。
- 在并行区域内外,每个线程都只能访问和修改自己的threadprivate变量副本。
- threadprivate变量的私有副本在线程终止时才被销毁,因此其值在不同并行区域之间是持久的。
简单来说,private变量在每个并行区域都会重新创建和销毁，而threadprivate变量只会在线程创建和终止时创建和销毁一次。
一个threadprivate变量的典型用例是当你需要在多个并行区域之间保持某些线程特有的状态或计数器时。例如:
#pragma omp threadprivate(counter)
int counter = 0;
void foo() {
#pragma omp parallel
{
counter++; // 每个线程更新自己的counter副本
}
// 线程的counter值在这里被保留
}相比之下，如果使用private变量，每次进入新的并行区域，counter的值都会被重置为初始值。threadprivate变量的使用会增加一些额外的开销,因为它们需要在线程创建时进行初始化和在线程终止时进行清理。
