如何：使用 parallel_invoke 撰寫平行排序常式

文章
10/12/2023

本檔說明如何使用 parallel_invoke 演算法來改善 bitonic 排序演算法的效能。 bitonic 排序演算法會以遞迴方式將輸入序列分割成較小的排序資料分割。 bitonic 排序演算法可以平行執行，因為每個資料分割作業與所有其他作業無關。

雖然 bitonic 排序是 排序網路 範例，可排序輸入序列的所有組合，但此範例會排序長度為兩個乘冪的序列。

注意

這個範例會使用平行排序常式做為說明。您也可以使用 PPL 提供的內建排序演算法： concurrency：:p arallel_sort、 concurrency：:p arallel_buffered_sort 和 concurrency：:p arallel_radixsort 。如需詳細資訊，請參閱平行演算法。

區段

本檔描述下列工作：

以序列方式執行 Bitonic 排序
使用parallel_invoke平行執行 Bitonic 排序

以序列方式執行 Bitonic 排序

下列範例顯示 bitonic 排序演算法的序列版本。函 bitonic_sort 式會將序列分割成兩個數據分割、以相反方向排序這些分割區，然後合併結果。此函式會以遞迴方式呼叫本身兩次，以排序每個分割區。

const bool INCREASING = true;
const bool DECREASING = false;

// Comparator function for the bitonic sort algorithm.
template <class T>
void compare(T* items, int i, int j, bool dir)
{
   if (dir == (items[i] > items[j]))
   {
      swap(items[i], items[j]);
   }
}

// Sorts a bitonic sequence in the specified order.
template <class T>
void bitonic_merge(T* items, int lo, int n, bool dir)
{
   if (n > 1)
   {
      int m = n / 2;
      for (int i = lo; i < lo + m; ++i)
      {
         compare(items, i, i + m, dir);
      }
      bitonic_merge(items, lo, m, dir);
      bitonic_merge(items, lo + m, m, dir);
   }
}

// Sorts the given sequence in the specified order.
template <class T>
void bitonic_sort(T* items, int lo, int n, bool dir)
{
   if (n > 1)
   {
      // Divide the array into two partitions and then sort 
      // the partitions in different directions.
      int m = n / 2;
      bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING);
      bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING);

      // Merge the results.
      bitonic_merge(items,lo, n, dir);
   }
}

// Sorts the given sequence in increasing order.
template <class T>
void bitonic_sort(T* items, int size)
{
    bitonic_sort(items, 0, size, INCREASING);
}

[靠上]

使用parallel_invoke平行執行 Bitonic 排序

本節說明如何使用 parallel_invoke 演算法平行執行位排序演算法。

以平行方式執行 bitonic 排序演算法

#include新增標頭檔 ppl.h 的指示詞。
```
#include <ppl.h>
```
using新增命名空間的 concurrency 指示詞。
```
using namespace concurrency;
```

建立名為 parallel_bitonic_mege 的新函式，此函式會使用 parallel_invoke 演算法在有足夠的工作量時平行定序序列。否則，呼叫 bitonic_merge 以串列方式定序序列。

// Sorts a bitonic sequence in the specified order.
template <class T>
void parallel_bitonic_merge(T* items, int lo, int n, bool dir)
{   
   // Merge the sequences concurrently if there is sufficient work to do.
   if (n > 500)
   {
      int m = n / 2;
      for (int i = lo; i < lo + m; ++i)
      {
         compare(items, i, i + m, dir);
      }

      // Use the parallel_invoke algorithm to merge the sequences in parallel.
      parallel_invoke(
         [&items,lo,m,dir] { parallel_bitonic_merge(items, lo, m, dir); },
         [&items,lo,m,dir] { parallel_bitonic_merge(items, lo + m, m, dir); }
      );
   }
   // Otherwise, perform the work serially.
   else if (n > 1)
   {
      bitonic_merge(items, lo, n, dir);
   }   
}

執行類似上一個步驟中，但針對函 bitonic_sort 式的程式。

// Sorts the given sequence in the specified order.
template <class T>
void parallel_bitonic_sort(T* items, int lo, int n, bool dir)
{   
   if (n > 1)
   {
      // Divide the array into two partitions and then sort 
      // the partitions in different directions.
      int m = n / 2;

      // Sort the partitions in parallel.
      parallel_invoke(
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING); },
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING); }
      );
      
      // Merge the results.
      parallel_bitonic_merge(items, lo, n, dir);
   }
}

建立函式的多 parallel_bitonic_sort 載版本，以遞增順序排序陣列。

// Sorts the given sequence in increasing order.
template <class T>
void parallel_bitonic_sort(T* items, int size)
{
   parallel_bitonic_sort(items, 0, size, INCREASING);
}

此 parallel_invoke 演算法會藉由在呼叫內容上執行最後一系列工作來減少額外負荷。例如，在函式中 parallel_bitonic_sort ，第一個工作會在個別的內容上執行，而第二個工作會在呼叫內容上執行。

// Sort the partitions in parallel.
parallel_invoke(
   [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING); },
   [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING); }
);

下列完整範例會同時執行 bitonic 排序演算法的序列和平行版本。此範例也會列印到主控台，以執行每個計算所需的時間。

// parallel-bitonic-sort.cpp
// compile with: /EHsc
#include <windows.h>
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <random>
#include <ppl.h>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// Calls the provided work function and returns the number of milliseconds 
// that it takes to call that function.
template <class Function>
__int64 time_call(Function&& f)
{
   __int64 begin = GetTickCount();
   f();
   return GetTickCount() - begin;
}

const bool INCREASING = true;
const bool DECREASING = false;

// Comparator function for the bitonic sort algorithm.
template <class T>
void compare(T* items, int i, int j, bool dir)
{
   if (dir == (items[i] > items[j]))
   {
      swap(items[i], items[j]);
   }
}

// Sorts a bitonic sequence in the specified order.
template <class T>
void bitonic_merge(T* items, int lo, int n, bool dir)
{
   if (n > 1)
   {
      int m = n / 2;
      for (int i = lo; i < lo + m; ++i)
      {
         compare(items, i, i + m, dir);
      }
      bitonic_merge(items, lo, m, dir);
      bitonic_merge(items, lo + m, m, dir);
   }
}

// Sorts the given sequence in the specified order.
template <class T>
void bitonic_sort(T* items, int lo, int n, bool dir)
{
   if (n > 1)
   {
      // Divide the array into two partitions and then sort 
      // the partitions in different directions.
      int m = n / 2;
      bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING);
      bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING);

      // Merge the results.
      bitonic_merge(items,lo, n, dir);
   }
}

// Sorts the given sequence in increasing order.
template <class T>
void bitonic_sort(T* items, int size)
{
    bitonic_sort(items, 0, size, INCREASING);
}

// Sorts a bitonic sequence in the specified order.
template <class T>
void parallel_bitonic_merge(T* items, int lo, int n, bool dir)
{   
   // Merge the sequences concurrently if there is sufficient work to do.
   if (n > 500)
   {
      int m = n / 2;
      for (int i = lo; i < lo + m; ++i)
      {
         compare(items, i, i + m, dir);
      }

      // Use the parallel_invoke algorithm to merge the sequences in parallel.
      parallel_invoke(
         [&items,lo,m,dir] { parallel_bitonic_merge(items, lo, m, dir); },
         [&items,lo,m,dir] { parallel_bitonic_merge(items, lo + m, m, dir); }
      );
   }
   // Otherwise, perform the work serially.
   else if (n > 1)
   {
      bitonic_merge(items, lo, n, dir);
   }   
}

// Sorts the given sequence in the specified order.
template <class T>
void parallel_bitonic_sort(T* items, int lo, int n, bool dir)
{   
   if (n > 1)
   {
      // Divide the array into two partitions and then sort 
      // the partitions in different directions.
      int m = n / 2;

      // Sort the partitions in parallel.
      parallel_invoke(
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING); },
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING); }
      );
      
      // Merge the results.
      parallel_bitonic_merge(items, lo, n, dir);
   }
}

// Sorts the given sequence in increasing order.
template <class T>
void parallel_bitonic_sort(T* items, int size)
{
   parallel_bitonic_sort(items, 0, size, INCREASING);
}

int wmain()
{  
   // For this example, the size must be a power of two.
   const int size = 0x200000;

   // Create two large arrays and fill them with random values.
   int* a1 = new int[size];
   int* a2 = new int[size];

   mt19937 gen(42);
   for(int i = 0; i < size; ++i)
   {
      a1[i] = a2[i] = gen();
   }

   __int64 elapsed;
   
   // Perform the serial version of the sort.
   elapsed = time_call([&] { bitonic_sort(a1, size); });
   wcout << L"serial time: " << elapsed << endl;

   // Now perform the parallel version of the sort.
   elapsed = time_call([&] { parallel_bitonic_sort(a2, size); });
   wcout << L"parallel time: " << elapsed << endl;
 
   delete[] a1;
   delete[] a2;
}

下列範例輸出適用於具有四個處理器的電腦。

serial time: 4353
parallel time: 1248

[靠上]

編譯程式碼

若要編譯器代碼，請複製程式碼，然後將它貼到 Visual Studio 專案中，或貼到名為 parallel-bitonic-sort.cpp 的檔案中，然後在 Visual Studio 命令提示字元視窗中執行下列命令。

cl.exe /EHsc parallel-bitonic-sort.cpp

穩固程式設計

此範例會 parallel_invoke 使用演算法，而不是並行：：task_group 類別，因為每個工作組的存留期不會延伸至函式之外。建議您在可以的時候使用 parallel_invoke ，因為它的執行額外負荷比 task group 物件少，因此可讓您撰寫效能更佳的程式碼。

只有有足夠的工作要做時，某些演算法的平行版本才會執行得更好。例如，如果序列中有 500 個或更少的專案， bitonic_merge 則函 parallel_bitonic_merge 式會呼叫序列版本。您也可以根據工作量來規劃整體排序策略。例如，如果陣列包含少於 500 個專案，則使用快速排序演算法的序列版本可能會更有效率，如下列範例所示：

template <class T>
void quick_sort(T* items, int lo, int n)
{
   // TODO: The function body is omitted for brevity.
}

template <class T>
void parallel_bitonic_sort(T* items, int lo, int n, bool dir)
{
   // Use the serial quick sort algorithm if there are relatively few
   // items to sort. The associated overhead for running few tasks in 
   // parallel may not overcome the benefits of parallel processing.
   if (n - lo + 1 <= 500)
   {
      quick_sort(items, lo, n);
   }
   else if (n > 1)
   {
      // Divide the array into two partitions and then sort 
      // the partitions in different directions.
      int m = n / 2;

      // Sort the partitions in parallel.
      parallel_invoke(
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo, m, INCREASING); },
         [&items,lo,m] { parallel_bitonic_sort(items, lo + m, m, DECREASING); }
      );
      
      // Merge the results.
      parallel_bitonic_merge(items, lo, n, dir);
   }
}

如同任何平行演算法，建議您適當地分析及調整程式碼。

另請參閱

工作平行處理原則
 parallel_invoke函式

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