并行计算是一种计算方式，它利用多个计算资源同时解决计算问题，其目的是加快计算速度和提高处理数据的能力。在并行计算中，主要可以分为共享内存和分布式内存两种模型。共享内存模型中，多个处理器可以直接访问共享的内存空间；而分布式内存模型中，每个处理器拥有自己的局部内存空间，处理器间通过消息传递进行通信和数据交换。本文档所介绍的书籍《并行计算导论》则是针对分布式并行计算环境和消息传递并行编程的入门教材。 该书特别强调了MPI（Message Passing Interface）和OpenMP两种编程模型。MPI是一种消息传递标准，用于开发基于消息传递的并行应用程序。OpenMP是一种提供共享内存多处理器编程的API，它使用编译器指令、库函数和环境变量来实现多线程并行编程。 《并行计算导论》的编著者张林波等人来自中国科学院数学与系统科学研究院、计算机网络信息中心、应用物理与计算数学研究所和北京大学数学学院，该书由清华大学出版社在2006年出版，作为高等院校信息与计算科学专业系列教材之一。 书籍内容分为三部分九章，以及两个附录。第1部分涉及并行计算的基础知识，包括并行计算机的发展历史、并行计算机体系结构、并行计算与算法设计的基本概念。第2部分则侧重于Linux/UNIX操作系统下的并行计算平台构建以及MPI消息传递并行编程的基础。第3部分，也就是两个附录，分别介绍高性能计算工具和平台，以及提供了较为完整的MPI函数和变量参考手册。 书中还提供了典型科学计算问题的并行算法与程序设计实例，这能够帮助读者更直观地理解并行计算的理论知识，并将其应用到实际问题中去。这些实例包括自适应数值积分算法、矩阵计算、快速傅里叶变换（FFT）、Poisson方程的点Jacobi迭代算法和热传导方程的ADI格式等。 作者们希望通过本书能够加强和规范普通高校的并行计算课程，并在科学研究与工程应用领域普及并行计算技术，推进高性能计算技术的应用。书中还特意设计了习题部分，既有巩固章节知识的题目，也有对正文内容的拓展题目，以帮助读者加深理解。 从教材的布局来看，本书是从简单易懂的概念入手，逐步引导读者深入到并行计算的复杂世界。它不要求读者具有大量的预备知识，而是希望通过逐步的学习和实践，让读者学会利用并行计算解决实际问题。 《并行计算导论》的特点还在于强调实用性，注重让读者能够学到具体有用的知识和技术，并且强调实践性，鼓励读者在学习的同时进行动手操作，认真分析和重复书中的范例代码，从而达到理论与实践相结合的目的。

实验一 基于 MPI 实现埃拉托斯特尼筛法及性能优化 一．实验目的 本实验旨在让学生掌握分布式并行计算的基本概念和MPI（Message Passing Interface）编程技术，通过实现埃拉托斯特尼筛法，理解并行计算在解决大规模计算问题时的优势。同时，学生将学习如何进行并行程序的性能分析与优化，包括加速比、并行效率的计算，并对实验结果进行深入解读。 二．实验内容 1. 学习MPI的基本通信机制，包括进程创建、进程间消息传递等。 2. 编写并运行基于MPI的埃拉托斯特尼筛法程序，实现分布式环境下的素数筛选。 3. 对并行程序进行性能分析，包括计算加速比和并行效率。 4. 根据性能分析结果，对程序进行优化，提高并行效率。 三．实验要求 1. 使用C或Fortran语言，结合MPI库编写埃拉托斯特尼筛法的并行程序。 2. 设计合理的数据分配策略，如按块分配，确保并行计算的负载均衡。 3. 提供程序运行结果的截图，包括不同进程数下的运行时间，展示加速比和并行效率曲线。 4. 分析并解释加速比的变化趋势和并行效率降低的原因，探讨可能的优化方案。 四．实验报告 实验报告应包含以下内容： 1. 实验环境介绍：操作系统、MPI版本、编译器等。 2. 算法描述：简述埃拉托斯特尼筛法的原理。 3. 并行设计：详细说明并行化过程中数据的分配、同步和通信机制。 4. 实验结果：展示并解释不同进程数下的运行时间、加速比和并行效率曲线。 5. 性能分析：分析并行程序的性能瓶颈，解释加速比变化的原因。 6. 优化策略：提出并实施优化方案，对比优化前后的性能差异。 附录 1 MPI 环境配置 这部分提供配置MPI开发环境的步骤，包括安装MPI库、设置环境变量等。 附录 2 埃拉托斯特尼素数筛选原理 详细阐述埃拉托斯特尼筛法的数学原理，解释如何通过排除倍数来找到素数。 附录 3 埃拉托斯特尼筛法 MPI 实现 1. 数据块分配方法：描述如何将待筛选的整数范围划分给各个进程，确保工作负载的均衡。 2. 初始版并行代码代码说明：解析并行代码的结构，解释关键函数和通信过程。 附录 4 优化思路 1. 去掉待筛选偶数：由于所有偶数都不是素数（除了2），优化方案可以避免处理偶数，节省计算资源。 2. 其他可能的优化：如减少不必要的通信，利用局部信息减少全局同步等。 通过本实验，学生不仅能掌握并行计算的基本技能，还能培养解决实际问题的能力，为后续更复杂的并行算法设计和优化打下基础。

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