Openfoam Pstream类探索

对于数值仿真而言，无论是商软或者开源并行计算都是非常重要的，而且想把自身数值仿真能力提升一个层次，必须对并行计算有很好的理解与应用

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openfoam并行通信主要通过Pstream类完成

本篇文章进行说明解释

Pstream类，类如其名，parallel_stream，并行计算时使用的信息流

类似的命名方法我们在c++文件读取时说过，std有fstream类读取写入文件/二进制文件，比如说我们要读取文件，会把读取内容放入缓存区内进行操作

#include <iostream>
#include <fstream>  // ifstream类需要包含的头文件。
#include <string>     // getline()函数需要包含的头文件。
using  namespace std;

int main()
{
    string filename = R"(./test.txt)";

    //ifstream fin(filename, ios::in);
    ifstream fin;
    fin.open(filename , ios::in);

    // 判断打开文件是否成功。
    // 失败的原因主要有：1）目录不存在；2）文件不存在；3）没有权限，Linux平台下很常见。
    if (fin.is_open() == false)
    {
        cout << "打开文件" << filename << "失败。\n";  return 0;
    }

    string buffer;
    while (fin >> buffer)
    {
        cout << buffer << endl;
    }

    fin.close();	   // 关闭文件，fin对象失效前会自动调用close()。

    cout << "操作文件完成。\n";
}

类似的openfoam也有PstreamBuffers类进行并行通信缓冲

可以这样使用：

PstreamBuffers pBuffers(Pstream::commsTypes::nonBlocking);

for (label proci = 0; proci < Pstream::nProcs(); proci++)
    {
        if (proci != Pstream::myProcNo())
            {
                someObject vals;
                UOPstream str(proci, pBuffers);
                str << vals;
            }
    }

pBuffers.finishedSends(); // no-op for blocking

for (label proci = 0; proci < Pstream::nProcs(); proci++)
    {
            if (proci != Pstream::myProcNo())
            {
                UIPstream str(proci, pBuffers);
                someObject vals(str);
            }
    }

上面这个程序可以看到，先后使用UOPstream与UIPstream进行缓冲区的文件输出与读取，这就很像ofstream类与ifstream类，甚至命名方式上都有几分相似，我们打开相应的继承关系图

二者分别服务于IPstream类与OPstream类,我们再打开今天文章的主角，Pstream类继承关系图



发现IPstream类与OPstream类是Pstream类的衍生类，Pstream类是其基础

打开Pstream类的源码：

点击查看代码

namespace Foam
{

/*---------------------------------------------------------------------------*\
                           Class Pstream Declaration
\*---------------------------------------------------------------------------*/

class Pstream
:
    public UPstream
{

protected:

    // Protected data

        //- Transfer buffer
        DynamicList<char> buf_;

public:

    // Declare name of the class and its debug switch
    ClassName("Pstream");

    // Constructors

        //- Construct given optional buffer size
        Pstream
        (
            const commsTypes commsType,
            const label bufSize = 0
        )
        :
            UPstream(commsType),
            buf_(0)
        {
            if (bufSize)
            {
                buf_.setCapacity(bufSize + 2*sizeof(scalar) + 1);
            }
        }

        // Gather and scatter

            //- Gather data. Apply bop to combine Value
            //  from different processors
            template<class T, class BinaryOp>
            static void gather
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                T& Value,
                const BinaryOp& bop,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T, class BinaryOp>
            static void gather
            (
                T& Value,
                const BinaryOp& bop,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

            //- Scatter data. Distribute without modification. Reverse of gather
            template<class T>
            static void scatter
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                T& Value,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T>
            static void scatter
            (
                T& Value,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

        // Combine variants. Inplace combine values from processors.
        // (Uses construct from Istream instead of <<)

            template<class T, class CombineOp>
            static void combineGather
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                T& Value,
                const CombineOp& cop,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T, class CombineOp>
            static void combineGather
            (
                T& Value,
                const CombineOp& cop,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

            //- Scatter data. Reverse of combineGather
            template<class T>
            static void combineScatter
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                T& Value,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T>
            static void combineScatter
            (
                T& Value,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

        // Combine variants working on whole List at a time.

            template<class T, class CombineOp>
            static void listCombineGather
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                List<T>& Value,
                const CombineOp& cop,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T, class CombineOp>
            static void listCombineGather
            (
                List<T>& Value,
                const CombineOp& cop,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

            //- Scatter data. Reverse of combineGather
            template<class T>
            static void listCombineScatter
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                List<T>& Value,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T>
            static void listCombineScatter
            (
                List<T>& Value,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = Pstream::worldComm
            );

        // Combine variants working on whole map at a time. Container needs to
        // have iterators and find() defined.

            template<class Container, class CombineOp>
            static void mapCombineGather
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                Container& Values,
                const CombineOp& cop,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class Container, class CombineOp>
            static void mapCombineGather
            (
                Container& Values,
                const CombineOp& cop,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

            //- Scatter data. Reverse of combineGather
            template<class Container>
            static void mapCombineScatter
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                Container& Values,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class Container>
            static void mapCombineScatter
            (
                Container& Values,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

        // Gather/scatter keeping the individual processor data separate.
        // Values is a List of size UPstream::nProcs() where
        // Values[UPstream::myProcNo()] is the data for the current processor.

            //- Gather data but keep individual values separate
            template<class T>
            static void gatherList
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                List<T>& Values,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T>
            static void gatherList
            (
                List<T>& Values,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

            //- Scatter data. Reverse of gatherList
            template<class T>
            static void scatterList
            (
                const List<commsStruct>& comms,
                List<T>& Values,
                const int tag,
                const label comm
            );

            //- Like above but switches between linear/tree communication
            template<class T>
            static void scatterList
            (
                List<T>& Values,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

        // Exchange

            //- Helper: exchange contiguous data. Sends sendData, receives into
            //  recvData. If block=true will wait for all transfers to finish.
            template<class Container, class T>
            static void exchange
            (
                const UList<Container>& sendData,
                const labelUList& recvSizes,
                List<Container>& recvData,
                const int tag = UPstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm,
                const bool block = true
            );

            //- Helper: exchange sizes of sendData. sendData is the data per
            //  processor (in the communicator). Returns sizes of sendData
            //  on the sending processor.
            template<class Container>
            static void exchangeSizes
            (
                const Container& sendData,
                labelList& sizes,
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

            //- Exchange contiguous data. Sends sendData, receives into
            //  recvData. Determines sizes to receive.
            //  If block=true will wait for all transfers to finish.
            template<class Container, class T>
            static void exchange
            (
                const UList<Container>& sendData,
                List<Container>& recvData,
                const int tag = UPstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm,
                const bool block = true
            );
};

我们看到Pstream类有一个构造函数，剩下的都是静态成员函数，而这些成员函数就是并行通讯的工具箱

这里多问一句，为什么工具箱的函数都是静态成员函数

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为什么这里用静态成员函数呢

用静态成员可以变量实现多个对象间的数据共享，比全局变量更安全

这里我详细说下，举个例子

Time mytime1;
mytime1.hour=2;
Time mytime2;
mytime2.hour=4;

这段程序中成员变量是跟着对象走的，他们的对象各自占用不同的内存地址，彼此互不影响

那我们想做类内的全局变量满足相互通信需求，在不同对象mytime1和mytime2中共享一个副本，怎么办

这时static关键字就派上用场了，增加了static关键字或成员函数不隶属整个对象，而隶属于整个类

因为这个变量跟着类走，所以调用时用“类名：：成员变量名”或“类名：：成员变量函数”进行调用（当然也可用“对象名.静态函数名”），表示明确的隶属关系，不创建对象也可进行访问编辑

在Pstream类调用工具箱中函数时，我们常见到这样的调用方式，而且不创建Pstream对象也可进行调用

// 在head节点收集信息
Pstream::gatherList(nInternalFaces);
Pstream::gatherList(nBoundaries);

因为类的静态成员脱离了与对象的关系，普通成员变量的内存分配是在对象初始化时完成的，对于静态成员必须在程序的全局区进行清晰的初始化

全局区的初始化过程可由某个.cpp源文件的开头的静态成员函数完成，如下所示：

void Time::func(int testValue)
{
	mystatic = testValue ;
}

或者在全局区这样写：

int Time::mystatic=10;

这样能保证这个静态成员变量能够被正常使用。

此外静态成员函数只能调用静态成员变量，也没有this指针可以使用

这里上一张图可能更方便理解

C++程序运行时，静态变量和全局变量存储在数据段，所以需要在全局区通过直接分配内存或者静态函数进行分配内存

因而静态成员的生命周期与程序运行周期相同，在程序中只有一份，无论创建对象与否，或者创建多少对象

说到这里可能大家对Openfoam的并行通信多了一些理解，只要开始了并行计算那么就可以通过Pstream类内的成员函数进行通信调用，在同样的数据段副本上进行信息流沟通

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接下来依次说下各个工具的使用

收发数据

Pstream::gather()与Pstream::scatter()分别有两个重载，分别是收集以及散布数据，不如后面Pstream::gatherList()与Pstream::scatterList()常用，这里不细说了

Pstream::combineGather()、Pstream::combineScatter()重载情况与上同，用于就地集中收集或散布的数据，不太常用

Pstream::listCombineGather()、Pstream::listCombineScatter()重载情况与上同，用于一次整合list容器中的变量

Pstream::mapCombineGather()、Pstream::mapCombineScatter()重载情况与上同，用于一次整合整个map容器中的变量

Pstream::gatherList()以及Pstream::scatterList()的第二个重载比较常用，

template<class T>
            static void gatherList
            (
                List<T>& Values,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );
template<class T>
            static void scatterList
            (
                List<T>& Values,
                const int tag = Pstream::msgType(),
                const label comm = UPstream::worldComm
            );

Pstream::gatherList()以及Pstream::scatterList()的输入第一个参数是Values

这个Values需要自己整合下，Values是UPstream::nProcs()数量大小的List，比如说我要收集内部面可以这样创建需要收集的List，

List<label> nIternalFaces(Pstream::nProcs());
nIternalFaces[Pstream::myProcNo()] = mesh.Cf().size();//比如说看看每个节点分到了多少网格
Pstream::gatherList(nIternalFaces);//在头结点收集数据

Pstream::scatterList()与之类似

Pstream::gatherList()以及Pstream::scatterList()的输入第二个参数是Pstream::msgType()，默认为1，可以不输入

int Foam::UPstream::msgType_(1);

Pstream::gatherList()以及Pstream::scatterList()的输入第三个参数是Pstream::msgType()，默认为0，可以不输入

Foam::label Foam::UPstream::worldComm(0);

交换数据

Pstream::exchange()有两个重载，用于交换连续的数据，一般情况下等待其他所有传输完成再传输，可通过默认参数block()修改优先权

Pstream::exchangeSizes()用于交换数据的大小

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下面是Pstream类函数相互关系

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结语

并行开发远不止收发数据这么简单，还有很多类可说的，后续会一一进行介绍，并对openfoam并行计算进行优化

自从这个月15号找到人生支点后，基本上每天都在肝一篇说明书，逐渐开启这个季度的狂飙

一起探索openfoam也是相当有趣的一件事，非常欢迎私信讨论

指正的价值要比打赏更重要，下面是个人联系方式，能结交到志同道合的朋友是我的荣幸