Dev Blog

Модель fork–join і паралельна область ​

Модель fork–join і збирання програм OpenMP ​

OpenMP (Open Multi-Processing, https://www.openmp.org/) – відкритий стандарт паралельного програмування для систем зі спільною пам’яттю мовами C, C++ і Fortran. Стандарт розвиває консорціум OpenMP ARB (Architecture Review Board), до якого входять AMD, Intel, NVIDIA, Arm, IBM, HPE та інші. У темі 9 потоки створювалися явно (std::thread), а роботу між ними програміст ділив сам. OpenMP дозволяє розпаралелити наявну послідовну програму директивами компілятора: програміст позначає, що можна виконувати паралельно, а компілятор і бібліотека вирішують, як це зробити.

OpenMP складається з трьох частин:

  • директиви (directives) #pragma omp … з клаузами (clauses), наприклад #pragma omp parallel for reduction(+:sum);
  • бібліотека функцій середовища виконання (runtime library) з файлу <omp.h>: omp_get_thread_num(), omp_get_wtime() тощо;
  • змінні середовища (environment variables): OMP_NUM_THREADS, OMP_SCHEDULE, OMP_PROC_BIND та інші, які змінюють поведінку програми без перекомпіляції.

Програма OpenMP працює за моделлю fork–join (рис. 10.1). Виконання починає один головний потік (primary thread). Дійшовши до паралельної області, він розгалужується (fork): створює команду (team) потоків, і всі вони виконують код області. У кінці області є неявний бар’єр (implicit barrier): головний потік чекає, поки завершаться всі потоки команди (join), і далі програма знову виконується послідовно. Середовище виконання не знищує потоки після області, а використовує їх повторно, тому наступна паралельна область починається швидко.

Рис. 10.1. Модель fork–join

Якщо компілятор не підтримує OpenMP або його не ввімкнено, директиви #pragma ігноруються і програма залишається правильною послідовною: розпаралелювання поступове, а послідовну версію легко отримати для порівняння.

Версії стандарту та компілятори ​

Останні версії специфікації (https://www.openmp.org/specifications/): OpenMP 5.2 (листопад 2021 року) і OpenMP 6.0 (листопад 2024 року); у липні 2026 року опубліковано проєкт OpenMP 6.1 для публічного обговорення. Компілятори впроваджують нові можливості поступово, а версію, яку компілятор підтримує повністю, повідомляє макрос _OPENMP – дата специфікації у форматі ррррмм (табл. 10.1).

Таблиця 10.1. Підтримка OpenMP компіляторами

Компілятор_OPENMPПідтримка (вересень 2026 року)
GCC 15.2 (Ubuntu 26.04, MinGW у CLion)201511OpenMP 4.5 повністю, більшість можливостей 5.0 і 5.1, частина 5.2 і 6.0; бібліотека libgomp
GCC 16.2202111макрос відповідає OpenMP 5.2; попередження про застарілі директиви
Clang 23 (LLVM)202011OpenMP 5.1; бібліотека libomp

Для GCC підтримку вмикає ключ -fopenmp: компілятор обробляє директиви й компонує програму з бібліотекою libgomp (https://gcc.gnu.org/onlinedocs/libgomp/). Для одного файлу в Ubuntu достатньо команди:

bash
g++ -std=c++23 -O2 -fopenmp pi.cpp -o pi
OMP_NUM_THREADS=8 ./pi

Проєкт CMake ​

Структуру проєкту CMake і збирання генератором Ninja розглянуто в темі 9. Для OpenMP у файлі CMakeLists.txt модуль FindOpenMP (https://cmake.org/cmake/help/latest/module/FindOpenMP.html) знаходить потрібні ключі компілятора й створює імпортовану ціль OpenMP::OpenMP_CXX, яку підключають до програми:

cmake
cmake_minimum_required(VERSION 3.28)
project(HelloOpenMP LANGUAGES CXX)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 23)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

find_package(OpenMP REQUIRED)

add_executable(hello main.cpp)
target_link_libraries(hello PRIVATE OpenMP::OpenMP_CXX)

if(MINGW)
    # MinGW у Windows: CMake не додає libgomp під час компонування,
    # а std::print потребує бібліотеки libstdc++exp.
    target_link_options(hello PRIVATE -fopenmp)
    target_link_libraries(hello PRIVATE stdc++exp)
endif()

Під час конфігурування CMake виводить рядок Found OpenMP_CXX: -fopenmp (found version "4.5"). В Ubuntu ціль OpenMP::OpenMP_CXX додає -fopenmp і під час компіляції, і під час компонування. Для MinGW, вбудованого в CLion, CMake 4.4 не розпізнає бібліотеки компонувальника й додає ключ лише до компіляції, тому без блоку if(MINGW) збирання завершується помилкою undefined reference to omp_get_thread_num. У CLion проєкт відкривають командою File → Open (тека з CMakeLists.txt) і запускають кнопкою Run (рис. 10.2).

Знімок екрана

CLion: CMakeLists.txt with find_package(OpenMP REQUIRED) and OpenMP::OpenMP_CXX in the editor; Run tool window with «Hello from thread N of 8» lines

Рис. 10.2. Проєкт OpenMP у CLion

Паралельна область ​

Паралельна область (parallel region) – блок коду після директиви #pragma omp parallel, який виконує кожен потік команди:

У ній кожен потік отримує свій номер omp_get_thread_num() (від 0; головний потік – 0) і бачить розмір команди omp_get_num_threads(); приклад «Hello OpenMP» наведено далі. Кількість потоків визначається за пріоритетом (від найвищого):

  1. клауза num_threads(n) директиви;
  2. виклик omp_set_num_threads(n) перед областю;
  3. змінна середовища OMP_NUM_THREADS, наприклад OMP_NUM_THREADS=8 ./app;
  4. значення за замовчуванням – кількість логічних процесорів (16 на i9-11900KF).

Клауза if(умова) дозволяє виконувати область паралельно лише тоді, коли це вигідно, наприклад #pragma omp parallel if(n > 10000): для малих даних створювати команду потоків недоцільно. Інші часто вживані функції: omp_get_max_threads() – скільки потоків отримає наступна область, omp_set_num_threads(n), omp_get_num_procs() – кількість логічних процесорів, omp_in_parallel() – чи виконується код у паралельній області.

Вимірювання часу. Функція omp_get_wtime() повертає double – «настінний» час у секундах, тому інтервал дорівнює різниці двох викликів. Роздільну здатність годинника повертає omp_get_wtick(): в Ubuntu це наносекунди, а в libgomp для MinGW – лише 0,001 с. Короткі фрагменти (мілісекунди) у Windows вимірюють годинником std::chrono::steady_clock.

Вкладені області. Директива parallel усередині паралельної області за замовчуванням виконується командою з одного потоку (максимум активних рівнів – 1). Вкладений паралелізм вмикають функцією omp_set_max_active_levels(2) або змінною OMP_MAX_ACTIVE_LEVELS=2; кількість потоків при цьому дорівнює добутку розмірів команд і легко перевантажує процесор.