Openfoam Pstream类探索

对于数值仿真而言，无论是商软或者开源软件，并行计算都是非常重要的，
作为一名仿真工程师，如果想把自身数值仿真能力提升一个层次，需要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

Pstream类，类如其名，parallel_stream，并行计算时使用的信息流
Openfoam对其的介绍是:

Inter-processor communications stream.

处理器间交换信息流

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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接下来依次说下类中各个工具的使用

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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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

一起探索openfoam也是相当有趣的一件事，非常欢迎私信讨论
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