C++ OpenMP简单介绍

什么是OpenMP？

OpenMP是一种可以实现线程并行的编程模型。它使用C/C++/Fortran这样的语言来编写程序，而不需要使用任何特定的库或API。OpenMP旨在提高程序的并行性，从而提高应用程序的性能。

如何使用OpenMP？

在C++中，OpenMP使用“pragma”来指定并行计算。这个指令告诉编译器何时开始并行化运算，哪些部分需要并行化。下面是一个OpenMP的例子：

#include <iostream>
#include <omp.h>

using namespace std;

int main() {
    #pragma omp parallel num_threads(4)
    {
        cout << "This is thread " << omp_get_thread_num() << " out of " << omp_get_num_threads() << endl;
    }
    return 0;
}

这个程序使用了omp_get_thread_num()和omp_get_num_threads()函数来输出每个线程的编号和线程总数。在编译这个程序时，需要加上-fopenmp选项，以启用OpenMP。

OpenMP的构造块

OpenMP中最常用的构造块包括：

parallel

parallel构造块指定一个代码块是并行执行的。如果在parallel中的代码块中没有另外的指令，那么这个代码块中的所有代码都会被并行执行。示例代码如下：

#pragma omp parallel
{
    // 并行执行的代码块
}

for

for构造块用于并行执行一个循环。当一个循环的大小很大时，使用并行循环可以显著提高程序的性能。示例代码如下：

#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    // 并行执行的代码块
}

sections

sections构造块指定一个代码块被分解成几个独立的块，每个块可以并行执行。这个构造块通常用于分割任务，将一个大的任务分解成多个小的任务。示例代码如下：

#pragma omp parallel sections
{
    #pragma omp section
    {
        // 并行执行的代码块1
    }
    #pragma omp section
    {
        // 并行执行的代码块2
    }
}

第一个示例

下面的示例程序使用了OpenMP的parallel构造块来并行执行一些代码。程序会输出当前线程的编号和线程总数。

#include <iostream>
#include <omp.h>

using namespace std;

int main() {
    #pragma omp parallel num_threads(4)
    {
        cout << "This is thread " << omp_get_thread_num() << " out of " << omp_get_num_threads() << endl;
    }
    return 0;
}

在编译这个程序时，需要添加-fopenmp选项以启用OpenMP。运行这个程序将会输出类似下面的结果：

This is thread 0 out of 4
This is thread 1 out of 4
This is thread 2 out of 4
This is thread 3 out of 4

第二个示例

下面的示例程序使用了OpenMP的for构造块来并行计算一个数组的元素之和。程序将数组分割成多个块，每个块由一个线程计算。最后，所有线程计算的结果将会相加得到数组的总和。

#include <iostream>
#include <omp.h>

using namespace std;

#define SIZE 1000000

int main() {
    int sum = 0;
    int *arr = new int[SIZE];
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    #pragma omp parallel for reduction(+:sum)
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        sum += arr[i];
    }
    cout << "The sum of the array is " << sum << endl;
    return 0;
}

在编译这个程序时，需要添加-fopenmp选项以启用OpenMP。运行这个程序将会输出：

The sum of the array is 500000500000

可以通过调整线程数量来测试程序的性能，例如：

#pragma omp parallel for num_threads(8) reduction(+:sum)