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在尝试并行计算多个矩阵的特征值和特征向量时,我发现 LAPACK 的 dsyevr 函数似乎不是线程安全的。

  • 有人知道吗?
  • 我的代码有问题吗?(请参见下面的最小示例)
  • 欢迎任何关于密集矩阵的特征求解器实现的建议,它不会太慢并且绝对是线程安全的。

这是 C 中的一个最小代码示例,它演示了该问题:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <assert.h>
#include <omp.h>
#include "lapacke.h"

#define M 8 /* number of matrices to be diagonalized */
#define N 1000 /* size of each matrix (real, symmetric) */

typedef double vec_t[N]; /* type for length N vector */
typedef double mtx_t[N][N]; /* type for N x N matrices */

void 
init(int m, int n, mtx_t *A){
    /* init m symmetric n x x matrices */
    srand(0);
    for (int i = 0; i < m; ++i){
        for (int j = 0; j < n; ++j){
            for (int k = 0; k <= j; ++k){
                A[i][j][k] = A[i][k][j] = (rand()%100-50) / (double)100.;
            }
        }
    }
}

void 
solve(int n, double *A, double *E, double *Q){
    /* diagonalize one matrix */
    double tol = 0.;
    int *isuppz = malloc(2*n*sizeof(int)); assert(isuppz);
    int k;
    int info = LAPACKE_dsyevr(LAPACK_COL_MAJOR, 'V', 'A', 'L', 
                              n, A, n, 0., 0., 0, 0, tol, &k, E, Q, n, isuppz);
    assert(!info);
    free(isuppz);
}

void 
s_solve(int m, int n, mtx_t *A, vec_t *E, mtx_t *Q){
    /* serial solve */
    for (int i = 0; i < m; ++i){
        solve(n, (double *)A[i], (double *)E[i], (double *)Q[i]);
    }
}

void 
p_solve(int m, int n, mtx_t *A, vec_t *E, mtx_t *Q, int nt){
    /* parallel solve */
    int i;
    #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nt) \
        private(i) \
        shared(m, n, A, E, Q)
    for (i = 0; i < m; ++i){
        solve(n, (double *)A[i], (double *)E[i], (double *)Q[i]);
    }
}

void 
analyze_results(int m, int n, vec_t *E0, vec_t *E1, mtx_t *Q0, mtx_t *Q1){
    /* compare eigenvalues */
    printf("\nmax. abs. diff. of eigenvalues:\n");
    for (int i = 0; i < m; ++i){
        double t, dE = 0.;
        for (int j = 0; j < n; ++j){
            t = fabs(E0[i][j] - E1[i][j]);
            if (t > dE) dE = t;
        }
        printf("%i: %5.1e\n", i, dE);
    }

    /* compare eigenvectors (ignoring sign) */
    printf("\nmax. abs. diff. of eigenvectors (ignoring sign):\n");
    for (int i = 0; i < m; ++i){
        double t, dQ = 0.;
        for (int j = 0; j < n; ++j){
            for (int k = 0; k < n; ++k){
                t = fabs(fabs(Q0[i][j][k]) - fabs(Q1[i][j][k]));
                if (t > dQ) dQ = t;
            }
        }
        printf("%i: %5.1e\n", i, dQ);
    }
}


int main(void){
    mtx_t *A = malloc(M*N*N*sizeof(double)); assert(A);
    init(M, N, A);

    /* allocate space for matrices, eigenvalues and eigenvectors */
    mtx_t *s_A = malloc(M*N*N*sizeof(double)); assert(s_A);
    vec_t *s_E = malloc(M*N*sizeof(double));   assert(s_E);
    mtx_t *s_Q = malloc(M*N*N*sizeof(double)); assert(s_Q);

    /* copy initial matrix */
    memcpy(s_A, A, M*N*N*sizeof(double));

    /* solve serial */
    s_solve(M, N, s_A, s_E, s_Q);

    /* allocate space for matrices, eigenvalues and eigenvectors */
    mtx_t *p_A = malloc(M*N*N*sizeof(double)); assert(p_A);
    vec_t *p_E = malloc(M*N*sizeof(double));   assert(p_E);
    mtx_t *p_Q = malloc(M*N*N*sizeof(double)); assert(p_Q);

    /* copy initial matrix */
    memcpy(p_A, A, M*N*N*sizeof(double));

    /* use one thread, to check that the algorithm is deterministic */
    p_solve(M, N, p_A, p_E, p_Q, 1); 

    analyze_results(M, N, s_E, p_E, s_Q, p_Q);

    /* copy initial matrix */
    memcpy(p_A, A, M*N*N*sizeof(double));

    /* use several threads, and see what happens */
    p_solve(M, N, p_A, p_E, p_Q, 4); 

    analyze_results(M, N, s_E, p_E, s_Q, p_Q);

    free(A);
    free(s_A);
    free(s_E);
    free(s_Q);
    free(p_A);
    free(p_E);
    free(p_Q);
    return 0;
}

这就是你得到的(参见最后一个输出块的差异,它告诉你,特征向量是错误的,尽管特征值是好的):

max. abs. diff. of eigenvalues:
0: 0.0e+00
1: 0.0e+00
2: 0.0e+00
3: 0.0e+00
4: 0.0e+00
5: 0.0e+00
6: 0.0e+00
7: 0.0e+00

max. abs. diff. of eigenvectors (ignoring sign):
0: 0.0e+00
1: 0.0e+00
2: 0.0e+00
3: 0.0e+00
4: 0.0e+00
5: 0.0e+00
6: 0.0e+00
7: 0.0e+00

max. abs. diff. of eigenvalues:
0: 0.0e+00
1: 0.0e+00
2: 0.0e+00
3: 0.0e+00
4: 0.0e+00
5: 0.0e+00
6: 0.0e+00
7: 0.0e+00

max. abs. diff. of eigenvectors (ignoring sign):
0: 0.0e+00
1: 1.2e-01
2: 1.6e-01
3: 1.4e-01
4: 2.3e-01
5: 1.8e-01
6: 2.6e-01
7: 2.6e-01

该代码使用 gcc 4.4.5 编译并链接到 openblas(包含 LAPACK)(libopenblas_sandybridge-r0.2.8.so),但也使用另一个 LAPACK 版本进行了测试。还测试了直接从 C(没有 LAPACKE)调用 LAPACK,结果相同。dsyevr用函数替换dsyevd(和调整参数)也没有效果。

最后,这是我使用的编译指令:

gcc -std=c99 -fopenmp -L/path/to/openblas/lib -Wl,-R/path/to/openblas/lib/ \
-lopenblas -lgomp -I/path/to/openblas/include main.c -o main

不幸的是,谷歌没有回答我的问题,所以欢迎任何提示!

编辑: 为了确保 BLAS 和 LAPACK 版本一切正常,我从http://www.netlib.org/lapack/(版本 3.4.2)获取了参考 LAPACK(包括 BLAS 和 LAPACKE)编译示例代码有点棘手,但最终确实使用了单独的编译和链接:

gcc -c -std=c99 -fopenmp -I../lapack-3.4.2/lapacke/include \
    netlib_dsyevr.c -o netlib_main.o
gfortran netlib_main.o ../lapack-3.4.2/liblapacke.a \
    ../lapack-3.4.2/liblapack.a ../lapack-3.4.2/librefblas.a \
    -lgomp -o netlib_main

netlib LAPACK/BLAS 和示例程序的构建是在一个Darwin 12.4.0 x86_64和一个Linux 3.2.0-0.bpo.4-amd64 x86_64平台上完成的。可以观察到程序的一贯不当行为。

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4 回答 4

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我终于收到了LAPACK团队的解释,我想引用(经许可):

我认为您看到的问题可能是由您使用的 LAPACK 库的 FORTRAN 版本的编译方式引起的。使用 gfortran 4.8.0(在 Mac OS 10.8 上),如果我使用 gfortran 的 -O3 选项编译 LAPACK,我可以重现您看到的问题。如果我重新编译 LAPACK 并使用 -fopenmp -O3 引用 BLAS 库,问题就会消失。gfortran 手册中有一条注释说明“-fopenmp 意味着 -frecursive,即,所有本地数组都将在堆栈上分配”,因此在 dsyevr 调用的某些辅助例程中可能使用了本地数组,其默认设置为编译器导致它们以非线程安全的方式分配。无论如何,在堆栈上分配这些 -fopenmp 似乎可以解决这个问题。

我可以确认这解决了 netlib-BLAS/LAPACK 的问题。应该记住,堆栈大小是有限的,如果矩阵变大和/或很多,则可能需要进行调整。

OpenBLAS 必须使用USE_OPENMP=1USE_THREAD=1获得单线程和线程安全库进行编译。

使用这些编译器和 make 标志,示例程序可以在所有库中正确运行。这仍然是一个悬而未决的问题,如何确保最终收到代码的用户链接到正确编译的 BLAS/LAPACK 库?如果用户只是得到一个分段错误,可以在 README 文件中添加注释,但由于错误更微妙,甚至不能保证用户识别错误(用户不阅读 README 文件默认 ;-) )。使用一个代码发送 BLAS/LAPACK 并不是一个好主意,因为 BLAS/LAPACK 的基本理念是每个人都有一个专门为他的计算机优化的版本。欢迎提出想法...

于 2013-08-19T23:04:50.657 回答
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关于另一个库:GSL。它是线程安全的。但这意味着您必须为每个线程创建工作空间,并确保每个线程都使用它的工作空间,例如,按线程编号索引指针。

于 2013-08-13T23:11:05.423 回答
0

[在知道正确解决方案之前添加了以下答案]

免责声明:以下是一种解决方法,它既不能解决原始问题,也不能解释 LAPACK 出了什么问题。但是,它可能会帮助面临同样问题的人。


旧的 f2c'ed 版本的 LAPACK,称为 CLAPACK,似乎没有线程安全问题。请注意,这不是 fortran 库的 C 接口,而是已自动翻译为 C 的 LAPACK 版本。

编译并将其与 CLAPACK (3.2.1) 的最新版本链接是可行的。所以 CLAPACK 在这方面似乎是线程安全的。当然,CLAPACK的性能不如netlib-BLAS/LAPACK,甚至不如OpenBLAS/LAPACK,但至少没有GSL那么差。

以下是使用函数初始化的一个 1000 x 1000 矩阵(当然是在一个线程上)的对角化的所有测试 LAPACK 变体(和 GSL)的一些时间安排init(请参阅问题以了解定义)。

time -p ./gsl
real 17.45
user 17.42
sys 0.01

time -p ./netlib_dsyevr
real 0.67
user 0.84
sys 0.02

time -p ./openblas_dsyevr
real 0.66
user 0.46
sys 0.01

time -p ./clapack_dsyevr
real 1.47
user 1.46
sys 0.00

这表明 GSL 对于具有几千维的大矩阵绝对不是一个好的解决方法,特别是如果你有很多这样的矩阵。

于 2013-08-18T11:02:01.760 回答
0

您似乎提示 LAPACK 开发人员引入“修复”。事实上,他们在 make.inc.example 中的编译器标志中添加了 -frecursive。通过测试您的示例代码,修复似乎无关紧要(数字错误不会消失)并且不可取(可能会影响性能)。

即使修复是正确的,-fopenmp 也暗示了 -frecursive,因此使用一致标志的人是安全的(那些使用预打包软件的人则不然)。

最后,请修复您的代码,而不是让人们感到困惑。

于 2014-02-16T02:17:45.030 回答