Как реализован барьер в системах передачи сообщений?

Давайте посмотрим на реализацию барьера в OpenMPI. Хотя другие реализации могут немного отличаться, общий шаблон связи должен быть идентичным.

Прежде всего следует отметить, что барьер MPI не требует затрат на установку: процесс, достигший вызова MPI_Barrier, будет блокироваться до тех пор, пока все остальные члены группы также не вызовут MPI_Barrier. Обратите внимание, что MPI не требует от них достижения одного и того же вызова, а только любого вызова MPI_Barrier. Следовательно, поскольку общее количество узлов в группе уже известно каждому процессу, для инициализации вызова не требуется распределять дополнительное состояние.

Теперь давайте посмотрим на код:

/*
 * Copyright (c) 2004-2005 The Trustees of Indiana University and Indiana
 *                         University Research and Technology
 *                         Corporation.  All rights reserved.
 * Copyright (c) 2004-2005 The University of Tennessee and The University
 *                         of Tennessee Research Foundation.  All rights
 *                         reserved.
 * Copyright (c) 2004-2005 High Performance Computing Center Stuttgart, 
 *                         University of Stuttgart.  All rights reserved.
 * Copyright (c) 2004-2005 The Regents of the University of California.
 *                         All rights reserved.
 * Copyright (c) 2012      Oak Ridge National Labs.  All rights reserved.
 * [...]
 */

[...]

/*
 *  barrier_intra_lin
 *
 *  Function:   - barrier using O(N) algorithm
 *  Accepts:    - same as MPI_Barrier()
 *  Returns:    - MPI_SUCCESS or error code
 */
int
mca_coll_basic_barrier_intra_lin(struct ompi_communicator_t *comm,
                                 mca_coll_base_module_t *module)
{
    int i;
    int err;
    int size = ompi_comm_size(comm);
    int rank = ompi_comm_rank(comm);

Сначала все узлы (кроме узла с рангом 0, корневого узла) отправляют уведомление о достижении барьера корневому узлу:

    /* All non-root send & receive zero-length message. */

    if (rank > 0) {
        err =
            MCA_PML_CALL(send
                         (NULL, 0, MPI_BYTE, 0, MCA_COLL_BASE_TAG_BARRIER,
                          MCA_PML_BASE_SEND_STANDARD, comm));
        if (MPI_SUCCESS != err) {
            return err;
        }

После этого они блокируются в ожидании уведомления от рута:

        err =
            MCA_PML_CALL(recv
                         (NULL, 0, MPI_BYTE, 0, MCA_COLL_BASE_TAG_BARRIER,
                          comm, MPI_STATUS_IGNORE));
        if (MPI_SUCCESS != err) {
            return err;
        }
    }

Корневой узел реализует другую сторону связи. Сначала он блокируется, пока не получит n-1 уведомлений (по одному от каждого узла в группе, кроме него самого, поскольку он уже находится внутри вызова барьера):

else {
        for (i = 1; i < size; ++i) {
            err = MCA_PML_CALL(recv(NULL, 0, MPI_BYTE, MPI_ANY_SOURCE,
                                    MCA_COLL_BASE_TAG_BARRIER,
                                    comm, MPI_STATUS_IGNORE));
            if (MPI_SUCCESS != err) {
                return err;
            }
        }

Как только все уведомления получены, он отправляет сообщения, которых ожидает каждый узел, сигнализируя о том, что все достигли барьера, после чего он покидает сам вызов барьера:

        for (i = 1; i < size; ++i) {
            err =
                MCA_PML_CALL(send
                             (NULL, 0, MPI_BYTE, i,
                              MCA_COLL_BASE_TAG_BARRIER,
                              MCA_PML_BASE_SEND_STANDARD, comm));
            if (MPI_SUCCESS != err) {
                return err;
            }
        }
    }

    /* All done */

    return MPI_SUCCESS;
}

Таким образом, схема связи сначала представляет собой n:1 от всех узлов к корню, а затем 1:n от корня обратно ко всем узлам. Чтобы не перегружать корневой узел запросами, OpenMPI позволяет использовать древовидный коммуникационный шаблон, но основная идея та же: все узлы уведомляют корень при входе в барьер, в то время как корень агрегирует результаты и информирует всех, как только они будут получены. готов продолжить.

Нет, этого недостаточно. Как только главный процесс отправил сообщение всем другим процессам, информируя их о том, что он достиг барьера, и все другие процессы ответили, что они тоже достигли барьера, только главный процесс знает, что все процессы достигли барьера. В этом сценарии было бы необходимо другое сообщение от мастера к другим процессам.

Я не претендую на реальную реализацию MPI-барьеров в какой-либо библиотеке, в частности, я не утверждаю, что описанная последовательность сообщений используется на практике, я просто говорю, что она несовершенна в теории.