1.6　聚合通信

除了进程间点对点的消息通信，MPI还提供大量针对一组进程间通信的函数，基于一组进程的通信称之为聚合通信。聚合通信的进程都需要调用相同的聚合通信函数。通过大量的聚合通信算法研究，聚合通信采用具有高性能的聚合通信实现算法[73，270，284]，因此该通信方式在并行编程中广泛应用。

聚合通信有以下三种类型：
（1）同步。MPI_Barrier函数用于同步通信域内的所有进程，执行到MPI_Barrier函数的进程必须等待，直到所有进程均执行到MPI_Barrier函数，所有进程才会进入下一步程序操作。
（2）数据迁移。MPI提供大量通用的数据迁移函数。例如，MPI_Bcast函数将根进程中的数据发送到通信域中的其他进程上。MPI_Scatter函数将数据缓冲区中的数据分发到通信域中其他进程上。MPI_Gather函数功能与MPI_Scatter函数相反，该函数将其他进程上的数据收集到根进程上。MPI_Allgather函数功能与MPI_Gather函数类似，区别在于MPI_Allgather函数除了根进程外，通信域中其他进程也收集相同的数据。MPI_Alltoall函数实现组内进程数据全交换，每一个进程可向其他进程发送不同的数据，也可接收其他进程发送的数据。上述聚合通信函数如图1-6所示。除了基本的聚合通信函数外，MPI还提供其他聚合通信函数，从而允许用户向每个进程发送不等数量的数据。
（3）聚合运算。MPI提供归约和扫描操作，实现数据算术运算，例如求解最小值和最大值、求和、逻辑与运算以及其他用户自定义的计算算法。MPI_Reduce函数提供归约操作，结果保存在根进程中。MPI_Allreduce函数功能类似于MPI_Reduce函数，但结果保存在所有进程中。MPI_Scan函数对于每一个进程i，对进程0，…，i上的数据进行归约操作，结果存放到进程i上。MPI_Exscan函数功能类似于MPI_Scan函数，区别在于MPI_Exscan函数不对自身进程上的数据进行归约操作。MPI_Reduce_scatter函数同时包含归约和分发两项功能。

图1-7　一种比图1-2中代码更加高效的数据发送通信方式。MPI_Reduce函数用于对所有进程上的数据进行求和操作，并将结果保存在0号进程上
所有聚合通信函数均提供阻塞和非阻塞两种通信方式。上述聚合通信函数均为阻塞式通信，只有通信完成后，聚合通信函数才返回。非阻塞式通信函数在名称中会加入字母“I”，例如MPI_Ibcast或者MPI_Ireduce。非阻塞聚合通信函数初始化通信后立即返回，无需等待通信操作完成。用户通过调用测试或者等待函数，获取通信操作完成情况或者等待通信操作完成。MPI提供大量计算和通信重叠的聚合通信函数，例如MPI_Ibarrier等函数。
在图1-7中，通过MPI_Bcast函数，实现将0号进程上相同的数据广播到其他进程上。同时，通过MPI_Reduce函数，实现将所有进程上的数据进行求和运算（MPI_SUM为MPI提供预定义的求和操作），并将结果保存在0号进程上。