Sections指令概述

sections 指令是 OpenMP 提供的一种结构化并行构造，它允许程序员将一个工作单元分解成若干个独立的部分（section），每个部分可以由不同的线程独立执行。这特别适用于那些可以自然分割成多个独立任务的工作负载，例如对数据集的不同部分进行处理。

「基本语法」

在 Fortran 程序中，sections 指令以 !$omp sections 指令开头，以 !$omp end sections 指令结束，其中每段以 !$omp section 指令开始。

sections 指令的基本形式如下：

!$omp sections[子句列表]
       private(变量列表)
       firstprivate(变量列表)
       lastprivate(变量列表)
       reduction(运算符:变量列表)
!$omp section
    ! 第一部分的代码
!$omp section
    ! 第二部分的代码
! 更多的 section...
!$omp end sections [nowait]

其中，方括号 [] 表示可选项。可选项可以在 private、firstprivate、lastprivate 和 reduction 这些子句中进行选择。sections 结构的结束处有一个隐含的同步(或等待)。如果指定了 nowait 子句，则可以跳过这个隐含的同步。

由于 sections 指令在大多数情况下与一个独立的 parallel 指令一起使用，因此，OpenMP 提供了一个组合指令 !$parallel sections 来方便编程。

parallel sections 指令会启动一个并行区域。如果在这个区域内定义多个 section，每个 section 都会被分配给一个线程执行。当所有 section 完成后，线程会同步，确保所有指定的任务都已完成。

一个程序中可以定义多个 sections 结构。同一个 sections 中 section 之间处于并行状态，而sections 与其他 sections 之间处于串行状态。

典型示例

为了更好地理解 sections 的用法，我们来看一个简单的例子。

假设我们需要分别对 3 个大小不同的一维数组（a、b 和 c）进行从大到小的排序，我们可以将任务分成 3 部分，每部分负责计算一个数组的排序。下面是具体的代码。

program multi_sections
  use omp_lib
  implicit none
  integer, parameter :: N = 1000
  real,allocatable :: a(:), b(:), c(:)
  integer :: tid,nthreads

  allocate(a(N), b(N+100), c(N+200))
  call random_number(a)
  call random_number(b)
  call random_number(c)
  
  call omp_set_num_threads(3)  
  
  print '(a)','section no.  nthreads   id'
!$omp parallel private(tid,nthreads)
!$omp sections
!$omp section
  tid=omp_get_thread_num() 
  nthreads=omp_get_num_threads()
  print '(a,i8,i8)','section 1',nthreads,tid
  ! 第1个数组的排序
  call sort(a) 
!$omp section
  tid=omp_get_thread_num() 
  nthreads=omp_get_num_threads()
  print '(a,i8,i8)','section 2',nthreads,tid
  ! 第2个数组的排序
  call sort(b)
!$omp section
  tid=omp_get_thread_num() 
  nthreads=omp_get_num_threads()
  print '(a,i8,i8)','section 3',nthreads,tid
  ! 第3个数组的排序
  call sort(c)
!$omp end sections
!$omp end parallel
  print '("first 3 numbers in a : ",3f10.7)', a(1:3)
  print '("first 3 numbers in b : ",3f10.7)', b(1:3)
  print '("first 3 numbers in c : ",3f10.7)', c(1:3) 
  deallocate(a,b,c)
  
contains
  subroutine sort(x)
    real x(:), tmp
    integer i, j
    do i = 1, N - 1
      do j = i + 1, N
        if (x(i)<x(j)) then
          tmp = x(i)
          x(i) = x(j)
          x(j) = tmp
        end if
      end do
    end do
  end subroutine sort
end program multi_sections

编译并执行上述代码后，运行结果如下：

section no.  nthreads   id
section 1       3       0
section 2       3       1
section 3       3       2
first 3 numbers in a :  0.9992937 0.9992247 0.9991976
first 3 numbers in b :  0.9999692 0.9996313 0.9993972
first 3 numbers in c :  0.9997560 0.9997137 0.9982413

在这个例子中，我们使用了 sections 指令调用了 3 个线程，并行化执行了 3 个独立的任务。每个线程随机选择了 1 个数组进行排序。通过这种方式，即使数组大小不一，我们也能有效地利用多核处理器的优势。

注意事项

• 「数据共享与私有性」：在 sections 区域内，变量的共享或私有属性非常重要。默认情况下，变量是共享的，这意味着所有线程都可以访问这些变量。如果需要每个线程拥有自己的副本，则应使用 private 子句来声明。

• 「禁止跳转」：section 内部不允许出现能够到达 section 之外的跳转语句，也不允许有外部的跳转语句到达 section 内部。

• 「同步问题」：虽然 sections 指令会自动在线程之间同步，但在某些情况下，可能还需要额外的同步机制，比如使用 barrier 指令来确保所有线程到达某个点后再继续。

• 「性能考量」：尽管并行化可以提高性能，但创建和管理线程本身也有开销。因此，只有当任务足够重，能够显著超过线程管理成本时，使用 sections 才是有益的。

小结

OpenMP 的 sections 指令为 Fortran 程序员提供了一种简单而强大的工具，用于并行执行独立的任务。通过合理地划分任务并利用多核处理器的能力，可以显著提高程序的运行效率。希望本文能帮助你在实际项目中更好地应用这一特性。随着并行计算技术的发展，掌握这些技能将使你在解决复杂计算问题时更加游刃有余。