《OpenACC并行编程实战》—— 第3章 OpenACC计算构件 3.1 条件编译

第3章 OpenACC计算构件

程序的加速效果来自于对计算部分的并行化。本章重点介绍计算并行化所用的3个构件：kernels、loop和parallel，以及几个重要的子语。编译器将串行循环映射成并行线程的方式多种多样，需要仔细观察几种常用循环的并行化方式，掌握映射规律。为了演示计算构件的语法和加速效果，3.7节移植常用的Jacobi迭代。
特别提醒：用OpenACC并行化程序的过程中，可能不会立即有加速效果，甚至计算并行化反而使整体运行时间延长。这是正常现象，增加的时间是主机与设备之间的数据传输，不必担忧，第4章会详细讲述如何缩短数据传输时间。
从本章开始，假定读者拥有Linux环境下日常操作、编译运行代码的基础，已经成功部署OpenACC开发环境。Linux入门教材推荐《鸟哥的Linux私房菜》。本书中所有示例代码均经过测试验证，测试环境有3种：

• 1）笔记本电脑：英特尔CPU，英伟达GeForce GT 420m显卡，Windows 7操作系统，PGI Workstation 15.10。
• 2）笔记本电脑：英特尔CPU，英伟达GeForce GT 420m显卡，Ubuntu 14.04操作系统，PGI Workstation 16.3。
• 3）服务器：两颗英特尔至强CPU，两块英伟达Tesla K20m计算卡，Red Hat Enterprise Linux 6.2操作系统，PGI Workstation 16.3。

英伟达GeForce GT 420m拥有96个CUDA核心。默认使用第1种环境编辑、调试代码，使用第2种环境获取程序性能、绘制性能图形，第3种环境特别用于计算区域内的过程调用和6.6节单机多卡的情形。
对示例代码的讲述以C语言主为，如无特别需要，只列出Fortran版代码，不再讲述重复的语法、技巧。为便于讲述，每行代码都添加了行号，这些行号不是代码的组成部分。

3.1　条件编译

OpenACC规范要求支持它的编译器预定义一个宏_OPENACC，宏的值为yyyymm，其中yyyy是编译器所支持OpenACC版本的发布年份，mm是月份。当且仅当OpenACC导语功能打开时，编译器必须定义这个宏。OpenACC 1.0、2.0、2.5版本对应的宏值分别为201111、201306、201509。可以在程序中使用下列语句将宏_OPENACC的值输出到屏幕上：

printf("_OPENACC=%d\n", _OPENACC); /* C语言 */
print*, "_OPENACC=", _OPENACC     ! Fortran语言

结合程序语言的预处理语句，该宏可以增强代码的适应性，请看例3.1。

例3.1第9行中的函数acc_get_num_devices(.)的作用是获取设备的数量，函数功能细节此处不必深究，它的原型包含在头文件openacc.h中，不支持OpenACC的编译器没有该头文件，因此在第2行使用#ifdef条件包含这个文件，否则不支持OpenACC的编译器遇到#include语句时将报错。若编译器支持OpenACC则编译第8～9行，若编译器不支持OpenACC则编译第11行。
使用不支持OpenACC的gcc编译器编译：

$ gcc comp1c.c  -o comp1c.exe
$ ./comp1c.exe
OpenACC is not supported.

使用支持OpenACC的PGI编译器编译，并打开支持选项，在拥有一块英伟达显卡的笔记本上运行，正确给出运行环境中的设备数量：

$ pgcc -acc  comp1c.c  -o comp1c.exe
$ ./comp1c.exe
Number of device: 1

PGI编译器的C语言编译程序是pgcc，选项-acc的作用是打开编译器对OpenACC的支持，从而有了编译器定义的宏_OPENACC，没有选
项
-acc的话，第3、8～9行会被忽略。
Fortran代码有个预编译小技巧：Fortran语言本身不支持#ifdef等预处理指令，因此要在正式编译前预处理一下，见例3.2。将Fortran源码文件的扩展名由通常的小写.f90改为大写的.F90，PGI编译器就会自动添加预处理过程。

PGI编译器的Fortran语言编译程序是pgfortran，支持Fortran 77/90/95/2003多个版本。使用支持OpenACC的PGI编译器编译，并打开支持选项-acc，运行结果正确显示拥有1个设备：

$ pgfortran -acc -o comp1f.exe comp1f.F90
$ ./comp1f.exe
 Number of device:             1