在 Debian 上进行 Fortran 并行计算的实用指南
一 环境准备
- 更新索引并安装基础工具与编译器：
- 安装构建工具与 gfortran：sudo apt update && sudo apt install -y build-essential gfortran
- 选择并行模型并安装对应运行时与开发包：
- 共享内存并行（OpenMP）：sudo apt install -y libomp-dev
- 分布式内存并行（MPI，二选一或并存）：
- Open MPI：sudo apt install -y openmpi-bin openmpi-common libopenmpi-dev
- MPICH：sudo apt install -y mpich libmpich-dev
- 说明：Debian 的包管理器会自动处理依赖，安装完成后即可使用 mpif90/mpicc/mpirun/mpiexec 等命令。
二 方法一 OpenMP 共享内存并行
- 适用场景：单机多核加速，数据在同一进程内多线程共享。
- 编译与运行要点：
- 编译：gfortran -O2 -fopenmp -o omp_hello omp_hello.f90
- 运行：./omp_hello
- 提示：设置环境变量可控制线程数，例如：export OMP_NUM_THREADS=4（或在程序中使用 call omp_set_num_threads(n)）
- 最小示例 omp_hello.f90：
- program main
use omp_lib
implicit none
integer :: i, n
n = omp_get_max_threads()
print *, ‘Max threads =’, n
!$omp parallel do private(i)
do i = 1, 10
print *, ‘Thread’, omp_get_thread_num(), ‘i =’, i
end do
!$omp end parallel do
end program main
- 要点：OpenMP 是 基于指令 的共享内存模型，gfortran 通过 -fopenmp 启用，配合 OMP_NUM_THREADS 或 omp_set_num_threads 调整并行度。
三 方法二 MPI 分布式内存并行
- 适用场景：多进程跨节点（或单机多进程）计算，进程间通过消息传递协作。
- 安装与命令：
- 安装 Open MPI 或 MPICH（见上节），两者命令名基本一致（mpif90/mpirun/mpiexec）
- 最小示例 mpi_hello.f90：
- program main
use mpi
implicit none
integer :: rank, size, ierr
call MPI_Init(ierr)
call MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, rank, ierr)
call MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, size, ierr)
print *, ‘Hello from process’, rank, ‘of’, size
call MPI_Finalize(ierr)
end program main
- 编译与运行：
- 编译：mpif90 -O2 -o mpi_hello mpi_hello.f90
- 本地运行：mpirun -np 4 ./mpi_hello
- 多机运行简要步骤（以两台虚拟机为例）：
- 配置 /etc/hosts 使各节点可互相解析主机名
- 配置 SSH 免密登录（ssh-keygen; ssh-copy-id）
- 使用同一用户与一致的 MPI 实现，执行：mpirun -np 8 --host vm1,vm2 ./mpi_hello
- 要点：MPI 是 消息传递 模型，常用命令为 mpif90 与 mpirun/mpiexec；多机需保证网络互通与免密登录。
四 多机部署与性能优化建议
- 网络与解析：
- 保证 /etc/hosts 或 DNS 正确解析所有节点主机名
- 使用 SSH 免密登录 避免交互阻塞启动
- 进程绑定与网络：
- 结合硬件拓扑设置进程绑定与通信协议（如 Open MPI 的 --bind-to、–mca btl 等），减少通信开销
- 线程与进程混合并行：
- 结合 OpenMP+MPI 时，合理设置 OMP_NUM_THREADS × 进程数 ≈ 总核心数，避免超订
- 运行时验证：
- 使用 mpirun/mpiexec 的 -np 指定进程数，先做小规模功能测试，再扩展规模
五 常见问题与排查
- 找不到 mpif90 或 mpirun：确认已安装 libopenmpi-dev 或 libmpich-dev，并使用对应套件的命令
- 程序只用到单核：
- OpenMP：检查是否编译时加入 -fopenmp，以及 OMP_NUM_THREADS 是否设置
- MPI：确认 mpirun -np N 的 N > 1
- 多机启动失败：
- 核对 /etc/hosts、SSH 免密、用户名一致性与防火墙设置
- 库链接错误（如未解析 MPI 符号）：确保使用 mpif90 而非 gfortran 直接链接，或显式链接对应 MPI 库
