Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
Merge branch 'add_mutex_python_bindings' into 'master'
[simgrid.git] / docs / source / app_smpi.rst
1 .. _SMPI_doc:
2
3 ===============================
4 SMPI: Simulate MPI Applications
5 ===============================
6
7 .. raw:: html
8
9    <object id="TOC" data="graphical-toc.svg" type="image/svg+xml"></object>
10    <script>
11    window.onload=function() { // Wait for the SVG to be loaded before changing it
12      var elem=document.querySelector("#TOC").contentDocument.getElementById("SMPIBox")
13      elem.style="opacity:0.93999999;fill:#ff0000;fill-opacity:0.1";
14      elem.style="opacity:0.93999999;fill:#ff0000;fill-opacity:0.1;stroke:#000000;stroke-width:0.35277778;stroke-linecap:round;stroke-linejoin:round;stroke-miterlimit:4;stroke-dasharray:none;stroke-dashoffset:0;stroke-opacity:1";
15    }
16    </script>
17    <br/>
18    <br/>
19
20 SMPI enables the study of MPI application by emulating them on top of
21 the SimGrid simulator. This is particularly interesting to study
22 existing MPI applications within the comfort of the simulator.
23
24 To get started with SMPI, you should head to :ref:`the SMPI tutorial
25 <usecase_smpi>`. You may also want to read the `SMPI reference
26 article <https://hal.inria.fr/hal-01415484>`_ or these `introductory
27 slides <http://simgrid.org/tutorials/simgrid-smpi-101.pdf>`_.  If you
28 are new to MPI, you should first take our online `SMPI CourseWare
29 <https://simgrid.github.io/SMPI_CourseWare/>`_. It consists in several
30 projects that progressively introduce the MPI concepts. It proposes to
31 use SimGrid and SMPI to run the experiments, but the learning
32 objectives are centered on MPI itself.
33
34 Our goal is to enable the study of **unmodified MPI applications**.
35 Some constructs and features are still missing, but we can probably
36 add them on demand.  If you already used MPI before, SMPI should sound
37 very familiar to you: Use smpicc instead of mpicc, and smpirun instead
38 of mpirun. The main difference is that smpirun takes a :ref:`simulated
39 platform <platform>` as an extra parameter.
40
41 For **further scalability**, you may modify your code to speed up your
42 studies or save memory space.  Maximal **simulation accuracy**
43 requires some specific care from you.
44
45 .. _SMPI_online:
46
47 -----------------
48 Using SMPI online
49 -----------------
50
51 In this mode, your application is actually executed. Every computation
52 occurs for real while every communication is simulated. In addition,
53 the executions are automatically benchmarked so that their timings can
54 be applied within the simulator.
55
56 SMPI can also go offline by replaying a trace. :ref:`Trace replay
57 <SMPI_offline>` is usually ways faster than online simulation (because
58 the computation are skipped), but it can only applied to applications
59 with constant execution and communication patterns (for the exact same
60 reason).
61
62 ...................
63 Compiling your Code
64 ...................
65
66 If your application is in C, then simply use ``smpicc`` as a
67 compiler just like you use mpicc with other MPI implementations. This
68 script still calls your default compiler (gcc, clang, ...) and adds
69 the right compilation flags along the way. If your application is in
70 C++, Fortran 77 or Fortran 90, use respectively ``smpicxx``,
71 ``smpiff`` or ``smpif90``.
72
73 If you use cmake, set the variables ``MPI_C_COMPILER``, ``MPI_CXX_COMPILER`` and
74 ``MPI_Fortran_COMPILER`` to the full path of smpicc, smpicxx and smpiff (or
75 smpif90), respectively. Example:
76
77 .. code-block:: console
78
79    $ cmake -DMPI_C_COMPILER=/opt/simgrid/bin/smpicc -DMPI_CXX_COMPILER=/opt/simgrid/bin/smpicxx -DMPI_Fortran_COMPILER=/opt/simgrid/bin/smpiff .
80
81 ....................
82 Simulating your Code
83 ....................
84
85 Use the ``smpirun`` script as follows:
86
87 .. code-block:: console
88
89    $ smpirun -hostfile my_hostfile.txt -platform my_platform.xml ./program -blah
90
91 - ``my_hostfile.txt`` is a classical MPI hostfile (that is, this file
92   lists the machines on which the processes must be dispatched, one
93   per line). Using the ``hostname:num_procs`` syntax will deploy num_procs
94   MPI processes on the host, sharing available cores (equivalent to listing
95   the same host num_procs times on different lines).
96 - ``my_platform.xml`` is a classical SimGrid platform file. Of course,
97   the hosts of the hostfile must exist in the provided platform.
98 - ``./program`` is the MPI program to simulate, that you compiled with ``smpicc``
99 - ``-blah`` is a command-line parameter passed to this program.
100
101 ``smpirun`` accepts other parameters, such as ``-np`` if you don't
102 want to use all the hosts defined in the hostfile, ``-map`` to display
103 on which host each rank gets mapped of ``-trace`` to activate the
104 tracing during the simulation. You can get the full list by running
105 ``smpirun -help``
106
107 Finally, you can pass :ref:`any valid SimGrid parameter <options>` to your
108 program. In particular, you can pass ``--cfg=network/model:ns-3`` to
109 switch to use :ref:`model_ns3`. These parameters should be placed after
110 the name of your binary on the command line.
111
112 ...............................
113 Debugging your Code within SMPI
114 ...............................
115
116 If you want to explore the automatic platform and deployment files
117 that are generated by ``smpirun``, add ``-keep-temps`` to the command
118 line.
119
120 You can also run your simulation within valgrind or gdb using the
121 following commands. Once in GDB, each MPI ranks will be represented as
122 a regular thread, and you can explore the state of each of them as
123 usual.
124
125 .. code-block:: console
126
127    $ smpirun -wrapper valgrind ...other args...
128    $ smpirun -wrapper "gdb --args" --cfg=contexts/factory:thread ...other args...
129
130 Some shortcuts are available:
131
132 - ``-gdb`` is equivalent to ``-wrapper "gdb --args" -keep-temps``, to run within gdb debugger
133 - ``-lldb`` is equivalent to ``-wrapper "lldb --" -keep-temps``, to run within lldb debugger
134 - ``-vgdb`` is equivalent to ``-wrapper "valgrind --vgdb=yes --vgdb-error=0" -keep-temps``,
135   to run within valgrind and allow to attach a debugger
136
137 To help locate bottlenecks and largest allocations in the simulated application,
138 the -analyze flag can be passed to smpirun. It will activate
139 :ref:`smpi/display-timing<cfg=smpi/display-timing>` and
140 :ref:`smpi/display-allocs<cfg=smpi/display-allocs>` options and provide hints
141 at the end of execution.
142
143 SMPI will also report MPI handle (Comm, Request, Op, Datatype...) leaks
144 at the end of execution. This can help identify memory leaks that can trigger
145 crashes and slowdowns.
146 By default it only displays the number of leaked items detected.
147 Option :ref:`smpi/list-leaks:n<cfg=smpi/list-leaks>` can be used to display the
148 n first leaks encountered and their type. To get more information, running smpirun
149 with ``-wrapper "valgrind --leak-check=full --track-origins=yes"`` should show
150 the exact origin of leaked handles.
151 Known issue : MPI_Cancel may trigger internal leaks within SMPI.
152
153
154 .. _SMPI_use_colls:
155
156 ................................
157 Simulating Collective Operations
158 ................................
159
160 MPI collective operations are crucial to the performance of MPI
161 applications and must be carefully optimized according to many
162 parameters. Every existing implementation provides several algorithms
163 for each collective operation, and selects by default the best suited
164 one, depending on the sizes sent, the number of nodes, the
165 communicator, or the communication library being used.  These
166 decisions are based on empirical results and theoretical complexity
167 estimation, and are very different between MPI implementations. In
168 most cases, the users can also manually tune the algorithm used for
169 each collective operation.
170
171 SMPI can simulate the behavior of several MPI implementations:
172 OpenMPI, MPICH, `STAR-MPI <http://star-mpi.sourceforge.net/>`_, and
173 MVAPICH2. For that, it provides 115 collective algorithms and several
174 selector algorithms, that were collected directly in the source code
175 of the targeted MPI implementations.
176
177 You can switch the automatic selector through the
178 ``smpi/coll-selector`` configuration item. Possible values:
179
180  - **ompi:** default selection logic of OpenMPI (version 4.1.2)
181  - **mpich**: default selection logic of MPICH (version 3.3b)
182  - **mvapich2**: selection logic of MVAPICH2 (version 1.9) tuned
183    on the Stampede cluster
184  - **impi**: preliminary version of an Intel MPI selector (version
185    4.1.3, also tuned for the Stampede cluster). Due the closed source
186    nature of Intel MPI, some of the algorithms described in the
187    documentation are not available, and are replaced by mvapich ones.
188  - **default**: legacy algorithms used in the earlier days of
189    SimGrid. Do not use for serious perform performance studies.
190
191 .. todo:: default should not even exist.
192
193 ....................
194 Available Algorithms
195 ....................
196
197 You can also pick the algorithm used for each collective with the
198 corresponding configuration item. For example, to use the pairwise
199 alltoall algorithm, one should add ``--cfg=smpi/alltoall:pair`` to the
200 line. This will override the selector (if any) for this algorithm.  It
201 means that the selected algorithm will be used
202
203 .. Warning:: Some collective may require specific conditions to be
204    executed correctly (for instance having a communicator with a power
205    of two number of nodes only), which are currently not enforced by
206    Simgrid. Some crashes can be expected while trying these algorithms
207    with unusual sizes/parameters
208
209 MPI_Alltoall
210 ^^^^^^^^^^^^
211
212 Most of these are best described in `STAR-MPI's white paper <https://doi.org/10.1145/1183401.1183431>`_.
213
214 ``default``: naive one, by default. |br|
215 ``ompi``: use openmpi selector for the alltoall operations. |br|
216 ``mpich``: use mpich selector for the alltoall operations. |br|
217 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the alltoall operations. |br|
218 ``impi``: use intel mpi selector for the alltoall operations. |br|
219 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
220 ``bruck``: Described by Bruck et. al. in `this paper <http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=642949>`_. |br|
221 ``2dmesh``: organizes the nodes as a two dimensional mesh, and perform allgather along the dimensions. |br|
222 ``3dmesh``: adds a third dimension to the previous algorithm. |br|
223 ``rdb``: recursive doubling``: extends the mesh to a nth dimension, each one containing two nodes. |br|
224 ``pair``: pairwise exchange, only works for power of 2 procs, size-1 steps, each process sends and receives from the same process at each step. |br|
225 ``pair_light_barrier``: same, with small barriers between steps to avoid contention. |br|
226 ``pair_mpi_barrier``: same, with MPI_Barrier used. |br|
227 ``pair_one_barrier``: only one barrier at the beginning. |br|
228 ``ring``: size-1 steps, at each step a process send to process (n+i)%size, and receives from (n-i)%size. |br|
229 ``ring_light_barrier``: same, with small barriers between some phases to avoid contention. |br|
230 ``ring_mpi_barrier``: same, with MPI_Barrier used. |br|
231 ``ring_one_barrier``: only one barrier at the beginning. |br|
232 ``basic_linear``: posts all receives and all sends, starts the communications, and waits for all communication to finish. |br|
233 ``mvapich2_scatter_dest``: isend/irecv with scattered destinations, posting only a few messages at the same time. |br|
234
235 MPI_Alltoallv
236 ^^^^^^^^^^^^^
237
238 ``default``: naive one, by default. |br|
239 ``ompi``: use openmpi selector for the alltoallv operations. |br|
240 ``mpich``: use mpich selector for the alltoallv operations. |br|
241 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the alltoallv operations. |br|
242 ``impi``: use intel mpi selector for the alltoallv operations. |br|
243 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
244 ``bruck``: same as alltoall. |br|
245 ``pair``: same as alltoall. |br|
246 ``pair_light_barrier``: same as alltoall. |br|
247 ``pair_mpi_barrier``: same as alltoall. |br|
248 ``pair_one_barrier``: same as alltoall. |br|
249 ``ring``: same as alltoall. |br|
250 ``ring_light_barrier``: same as alltoall. |br|
251 ``ring_mpi_barrier``: same as alltoall. |br|
252 ``ring_one_barrier``: same as alltoall. |br|
253 ``ompi_basic_linear``: same as alltoall. |br|
254
255 MPI_Gather
256 ^^^^^^^^^^
257
258 ``default``: naive one, by default. |br|
259 ``ompi``: use openmpi selector for the gather operations. |br|
260 ``mpich``: use mpich selector for the gather operations. |br|
261 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the gather operations. |br|
262 ``impi``: use intel mpi selector for the gather operations. |br|
263 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm which will iterate over all implemented versions and output the best. |br|
264 ``ompi_basic_linear``: basic linear algorithm from openmpi, each process sends to the root. |br|
265 ``ompi_binomial``: binomial tree algorithm. |br|
266 ``ompi_linear_sync``: same as basic linear, but with a synchronization at the beginning and message cut into two segments. |br|
267 ``mvapich2_two_level``: SMP-aware version from MVAPICH. Gather first intra-node (defaults to mpich's gather), and then exchange with only one process/node. Use mvapich2 selector to change these to tuned algorithms for Stampede cluster. |br|
268
269 MPI_Barrier
270 ^^^^^^^^^^^
271
272 ``default``: naive one, by default. |br|
273 ``ompi``: use openmpi selector for the barrier operations. |br|
274 ``mpich``: use mpich selector for the barrier operations. |br|
275 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the barrier operations. |br|
276 ``impi``: use intel mpi selector for the barrier operations. |br|
277 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
278 ``ompi_basic_linear``: all processes send to root. |br|
279 ``ompi_two_procs``: special case for two processes. |br|
280 ``ompi_bruck``: nsteps = sqrt(size), at each step, exchange data with rank-2^k and rank+2^k. |br|
281 ``ompi_recursivedoubling``: recursive doubling algorithm. |br|
282 ``ompi_tree``: recursive doubling type algorithm, with tree structure. |br|
283 ``ompi_doublering``: double ring algorithm. |br|
284 ``mvapich2_pair``: pairwise algorithm. |br|
285 ``mpich_smp``: barrier intra-node, then inter-node. |br|
286
287 MPI_Scatter
288 ^^^^^^^^^^^
289
290 ``default``: naive one, by default. |br|
291 ``ompi``: use openmpi selector for the scatter operations. |br|
292 ``mpich``: use mpich selector for the scatter operations. |br|
293 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the scatter operations. |br|
294 ``impi``: use intel mpi selector for the scatter operations. |br|
295 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
296 ``ompi_basic_linear``: basic linear scatter. |br|
297 ``ompi_linear_nb``: linear scatter, non blocking sends. |br|
298 ``ompi_binomial``: binomial tree scatter. |br|
299 ``mvapich2_two_level_direct``: SMP aware algorithm, with an intra-node stage (default set to mpich selector), and then a basic linear inter node stage. Use mvapich2 selector to change these to tuned algorithms for Stampede cluster. |br|
300 ``mvapich2_two_level_binomial``: SMP aware algorithm, with an intra-node stage (default set to mpich selector), and then a binomial phase. Use mvapich2 selector to change these to tuned algorithms for Stampede cluster. |br|
301
302 MPI_Reduce
303 ^^^^^^^^^^
304
305 ``default``: naive one, by default. |br|
306 ``ompi``: use openmpi selector for the reduce operations. |br|
307 ``mpich``: use mpich selector for the reduce operations. |br|
308 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the reduce operations. |br|
309 ``impi``: use intel mpi selector for the reduce operations. |br|
310 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
311 ``arrival_pattern_aware``: root exchanges with the first process to arrive. |br|
312 ``binomial``: uses a binomial tree. |br|
313 ``flat_tree``: uses a flat tree. |br|
314 ``NTSL``: Non-topology-specific pipelined linear-bcast function. |br| 0->1, 1->2 ,2->3, ....., ->last node: in a pipeline fashion, with segments of 8192 bytes. |br|
315 ``scatter_gather``: scatter then gather. |br|
316 ``ompi_chain``: openmpi reduce algorithms are built on the same basis, but the topology is generated differently for each flavor. chain = chain with spacing of size/2, and segment size of 64KB. |br|
317 ``ompi_pipeline``: same with pipeline (chain with spacing of 1), segment size depends on the communicator size and the message size. |br|
318 ``ompi_binary``: same with binary tree, segment size of 32KB. |br|
319 ``ompi_in_order_binary``: same with binary tree, enforcing order on the operations. |br|
320 ``ompi_binomial``: same with binomial algo (redundant with default binomial one in most cases). |br|
321 ``ompi_basic_linear``: basic algorithm, each process sends to root. |br|
322 ``mvapich2_knomial``: k-nomial algorithm. Default factor is 4 (mvapich2 selector adapts it through tuning). |br|
323 ``mvapich2_two_level``: SMP-aware reduce, with default set to mpich both for intra and inter communicators. Use mvapich2 selector to change these to tuned algorithms for Stampede cluster. |br|
324 ``rab``: `Rabenseifner <https://fs.hlrs.de/projects/par/mpi//myreduce.html>`_'s reduce algorithm. |br|
325
326 MPI_Allreduce
327 ^^^^^^^^^^^^^
328
329 ``default``: naive one, by defautl. |br|
330 ``ompi``: use openmpi selector for the allreduce operations. |br|
331 ``mpich``: use mpich selector for the allreduce operations. |br|
332 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the allreduce operations. |br|
333 ``impi``: use intel mpi selector for the allreduce operations. |br|
334 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
335 ``lr``: logical ring reduce-scatter then logical ring allgather. |br|
336 ``rab1``: variations of the  `Rabenseifner <https://fs.hlrs.de/projects/par/mpi//myreduce.html>`_ algorithm: reduce_scatter then allgather. |br|
337 ``rab2``: variations of the  `Rabenseifner <https://fs.hlrs.de/projects/par/mpi//myreduce.html>`_ algorithm: alltoall then allgather. |br|
338 ``rab_rsag``: variation of the  `Rabenseifner <https://fs.hlrs.de/projects/par/mpi//myreduce.html>`_ algorithm: recursive doubling reduce_scatter then recursive doubling allgather. |br|
339 ``rdb``: recursive doubling. |br|
340 ``smp_binomial``: binomial tree with smp: binomial intra. |br| SMP reduce, inter reduce, inter broadcast then intra broadcast. |br|
341 ``smp_binomial_pipeline``: same with segment size = 4096 bytes. |br|
342 ``smp_rdb``: intra``: binomial allreduce, inter: Recursive doubling allreduce, intra``: binomial broadcast. |br|
343 ``smp_rsag``: intra: binomial allreduce, inter: reduce-scatter, inter:allgather, intra: binomial broadcast. |br|
344 ``smp_rsag_lr``: intra: binomial allreduce, inter: logical ring reduce-scatter, logical ring inter:allgather, intra: binomial broadcast. |br|
345 ``smp_rsag_rab``: intra: binomial allreduce, inter: rab reduce-scatter, rab inter:allgather, intra: binomial broadcast. |br|
346 ``redbcast``: reduce then broadcast, using default or tuned algorithms if specified. |br|
347 ``ompi_ring_segmented``: ring algorithm used by OpenMPI. |br|
348 ``mvapich2_rs``: rdb for small messages, reduce-scatter then allgather else. |br|
349 ``mvapich2_two_level``: SMP-aware algorithm, with mpich as intra algorithm, and rdb as inter (Change this behavior by using mvapich2 selector to use tuned values). |br|
350 ``rab``: default `Rabenseifner <https://fs.hlrs.de/projects/par/mpi//myreduce.html>`_ implementation. |br|
351
352 MPI_Reduce_scatter
353 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
354
355 ``default``: naive one, by default. |br|
356 ``ompi``: use openmpi selector for the reduce_scatter operations. |br|
357 ``mpich``: use mpich selector for the reduce_scatter operations. |br|
358 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the reduce_scatter operations. |br|
359 ``impi``: use intel mpi selector for the reduce_scatter operations. |br|
360 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
361 ``ompi_basic_recursivehalving``: recursive halving version from OpenMPI. |br|
362 ``ompi_ring``: ring version from OpenMPI. |br|
363 ``ompi_butterfly``: butterfly version from OpenMPI. |br|
364 ``mpich_pair``: pairwise exchange version from MPICH. |br|
365 ``mpich_rdb``: recursive doubling version from MPICH. |br|
366 ``mpich_noncomm``: only works for power of 2 procs, recursive doubling for noncommutative ops. |br|
367
368
369 MPI_Allgather
370 ^^^^^^^^^^^^^
371
372 ``default``: naive one, by default. |br|
373 ``ompi``: use openmpi selector for the allgather operations. |br|
374 ``mpich``: use mpich selector for the allgather operations. |br|
375 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the allgather operations. |br|
376 ``impi``: use intel mpi selector for the allgather operations. |br|
377 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
378 ``2dmesh``: see alltoall. |br|
379 ``3dmesh``: see alltoall. |br|
380 ``bruck``: Described by Bruck et.al. in <a href="http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=642949"> Efficient algorithms for all-to-all communications in multiport message-passing systems</a>. |br|
381 ``GB``: Gather - Broadcast (uses tuned version if specified). |br|
382 ``loosely_lr``: Logical Ring with grouping by core (hardcoded, default processes/node: 4). |br|
383 ``NTSLR``: Non Topology Specific Logical Ring. |br|
384 ``NTSLR_NB``: Non Topology Specific Logical Ring, Non Blocking operations. |br|
385 ``pair``: see alltoall. |br|
386 ``rdb``: see alltoall. |br|
387 ``rhv``: only power of 2 number of processes. |br|
388 ``ring``: see alltoall. |br|
389 ``SMP_NTS``: gather to root of each SMP, then every root of each SMP node. post INTER-SMP Sendrecv, then do INTRA-SMP Bcast for each receiving message, using logical ring algorithm (hardcoded, default processes/SMP: 8). |br|
390 ``smp_simple``: gather to root of each SMP, then every root of each SMP node post INTER-SMP Sendrecv, then do INTRA-SMP Bcast for each receiving message, using simple algorithm (hardcoded, default processes/SMP: 8). |br|
391 ``spreading_simple``: from node i, order of communications is i -> i + 1, i -> i + 2, ..., i -> (i + p -1) % P. |br|
392 ``ompi_neighborexchange``: Neighbor Exchange algorithm for allgather. Described by Chen et.al. in  `Performance Evaluation of Allgather Algorithms on Terascale Linux Cluster with Fast Ethernet <http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=1592302>`_. |br|
393 ``mvapich2_smp``: SMP aware algorithm, performing intra-node gather, inter-node allgather with one process/node, and bcast intra-node
394
395 MPI_Allgatherv
396 ^^^^^^^^^^^^^^
397
398 ``default``: naive one, by default. |br|
399 ``ompi``: use openmpi selector for the allgatherv operations. |br|
400 ``mpich``: use mpich selector for the allgatherv operations. |br|
401 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the allgatherv operations. |br|
402 ``impi``: use intel mpi selector for the allgatherv operations. |br|
403 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
404 ``GB``: Gatherv - Broadcast (uses tuned version if specified, but only for Bcast, gatherv is not tuned). |br|
405 ``pair``: see alltoall. |br|
406 ``ring``: see alltoall. |br|
407 ``ompi_neighborexchange``: see allgather. |br|
408 ``ompi_bruck``: see allgather. |br|
409 ``mpich_rdb``: recursive doubling algorithm from MPICH. |br|
410 ``mpich_ring``: ring algorithm from MPICh - performs differently from the  one from STAR-MPI.
411
412 MPI_Bcast
413 ^^^^^^^^^
414
415 ``default``: naive one, by default. |br|
416 ``ompi``: use openmpi selector for the bcast operations. |br|
417 ``mpich``: use mpich selector for the bcast operations. |br|
418 ``mvapich2``: use mvapich2 selector for the bcast operations. |br|
419 ``impi``: use intel mpi selector for the bcast operations. |br|
420 ``automatic (experimental)``: use an automatic self-benchmarking algorithm. |br|
421 ``arrival_pattern_aware``: root exchanges with the first process to arrive. |br|
422 ``arrival_pattern_aware_wait``: same with slight variation. |br|
423 ``binomial_tree``: binomial tree exchange. |br|
424 ``flattree``: flat tree exchange. |br|
425 ``flattree_pipeline``: flat tree exchange, message split into 8192 bytes pieces. |br|
426 ``NTSB``: Non-topology-specific pipelined binary tree with 8192 bytes pieces. |br|
427 ``NTSL``: Non-topology-specific pipelined linear with 8192 bytes pieces. |br|
428 ``NTSL_Isend``: Non-topology-specific pipelined linear with 8192 bytes pieces, asynchronous communications. |br|
429 ``scatter_LR_allgather``: scatter followed by logical ring allgather. |br|
430 ``scatter_rdb_allgather``: scatter followed by recursive doubling allgather. |br|
431 ``arrival_scatter``: arrival pattern aware scatter-allgather. |br|
432 ``SMP_binary``: binary tree algorithm with 8 cores/SMP. |br|
433 ``SMP_binomial``: binomial tree algorithm with 8 cores/SMP. |br|
434 ``SMP_linear``: linear algorithm with 8 cores/SMP. |br|
435 ``ompi_split_bintree``: binary tree algorithm from OpenMPI, with message split in 8192 bytes pieces. |br|
436 ``ompi_pipeline``: pipeline algorithm from OpenMPI, with message split in 128KB pieces. |br|
437 ``mvapich2_inter_node``: Inter node default mvapich worker. |br|
438 ``mvapich2_intra_node``: Intra node default mvapich worker. |br|
439 ``mvapich2_knomial_intra_node``:  k-nomial intra node default mvapich worker. default factor is 4.
440
441 Automatic Evaluation
442 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
443
444 .. warning:: This is still very experimental.
445
446 An automatic version is available for each collective (or even as a selector). This specific
447 version will loop over all other implemented algorithm for this particular collective, and apply
448 them while benchmarking the time taken for each process. It will then output the quickest for
449 each process, and the global quickest. This is still unstable, and a few algorithms which need
450 specific number of nodes may crash.
451
452 Adding an algorithm
453 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
454
455 To add a new algorithm, one should check in the src/smpi/colls folder
456 how other algorithms are coded. Using plain MPI code inside Simgrid
457 can't be done, so algorithms have to be changed to use smpi version of
458 the calls instead (MPI_Send will become smpi_mpi_send). Some functions
459 may have different signatures than their MPI counterpart, please check
460 the other algorithms or contact us using the `>SimGrid
461 developers mailing list <http://lists.gforge.inria.fr/mailman/listinfo/simgrid-devel>`_.
462
463 Example: adding a "pair" version of the Alltoall collective.
464
465  - Implement it in a file called alltoall-pair.c in the src/smpi/colls folder. This file should include colls_private.hpp.
466
467  - The name of the new algorithm function should be smpi_coll_tuned_alltoall_pair, with the same signature as MPI_Alltoall.
468
469  - Once the adaptation to SMPI code is done, add a reference to the file ("src/smpi/colls/alltoall-pair.c") in the SMPI_SRC part of the DefinePackages.cmake file inside buildtools/cmake, to allow the file to be built and distributed.
470
471  - To register the new version of the algorithm, simply add a line to the corresponding macro in src/smpi/colls/cools.h ( add a "COLL_APPLY(action, COLL_ALLTOALL_SIG, pair)" to the COLL_ALLTOALLS macro ). The algorithm should now be compiled and be selected when using --cfg=smpi/alltoall:pair at runtime.
472
473  - To add a test for the algorithm inside Simgrid's test suite, juste add the new algorithm name in the ALLTOALL_COLL list found inside teshsuite/smpi/CMakeLists.txt . When running ctest, a test for the new algorithm should be generated and executed. If it does not pass, please check your code or contact us.
474
475  - Please submit your patch for inclusion in SMPI, for example through a pull request on GitHub or directly per email.
476
477
478 Tracing of Internal Communications
479 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
480
481 By default, the collective operations are traced as a unique operation
482 because tracing all point-to-point communications composing them could
483 result in overloaded, hard to interpret traces. If you want to debug
484 and compare collective algorithms, you should set the
485 ``tracing/smpi/internals`` configuration item to 1 instead of 0.
486
487 Here are examples of two alltoall collective algorithms runs on 16 nodes,
488 the first one with a ring algorithm, the second with a pairwise one.
489
490 .. image:: /img/smpi_simgrid_alltoall_ring_16.png
491    :align: center
492
493 Alltoall on 16 Nodes with the Ring Algorithm.
494
495 .. image:: /img/smpi_simgrid_alltoall_pair_16.png
496    :align: center
497
498 Alltoall on 16 Nodes with the Pairwise Algorithm.
499
500 -------------------------
501 What can run within SMPI?
502 -------------------------
503
504 You can run unmodified MPI applications (both C/C++ and Fortran) within
505 SMPI, provided that you only use MPI calls that we implemented. Global
506 variables should be handled correctly on Linux systems.
507
508 ....................
509 MPI coverage of SMPI
510 ....................
511
512 SMPI support a large faction of the MPI interface: we pass many of the MPICH coverage tests, and many of the existing
513 :ref:`proxy apps <SMPI_proxy_apps>` run almost unmodified on top of SMPI. But our support is still incomplete, with I/O
514 primitives the being one of the major missing feature.
515
516 The full list of functions that remain to be implemented is documented in the file `include/smpi/smpi.h
517 <https://framagit.org/simgrid/simgrid/tree/master/include/smpi/smpi.h>`_ in your version of SimGrid, between two lines
518 containing the ``FIXME`` marker. If you miss a feature, please get in touch with us: we can guide you through the SimGrid
519 code to help you implementing it, and we'd be glad to integrate your contribution to the main project.
520
521 .. _SMPI_what_globals:
522
523 .................................
524 Privatization of global variables
525 .................................
526
527 Concerning the globals, the problem comes from the fact that usually,
528 MPI processes run as real UNIX processes while they are all folded
529 into threads of a unique system process in SMPI. Global variables are
530 usually private to each MPI process while they become shared between
531 the processes in SMPI.  The problem and some potential solutions are
532 discussed in this article: `Automatic Handling of Global Variables for
533 Multi-threaded MPI Programs
534 <http://charm.cs.illinois.edu/newPapers/11-23/paper.pdf>` (note that
535 this article does not deal with SMPI but with a competing solution
536 called AMPI that suffers of the same issue).  This point used to be
537 problematic in SimGrid, but the problem should now be handled
538 automatically on Linux.
539
540 Older versions of SimGrid came with a script that automatically
541 privatized the globals through static analysis of the source code. But
542 our implementation was not robust enough to be used in production, so
543 it was removed at some point. Currently, SMPI comes with two
544 privatization mechanisms that you can :ref:`select at runtime
545 <cfg=smpi/privatization>`.  The dlopen approach is used by
546 default as it is much faster and still very robust.  The mmap approach
547 is an older approach that proves to be slower.
548
549 With the **mmap approach**, SMPI duplicates and dynamically switch the
550 ``.data`` and ``.bss`` segments of the ELF process when switching the
551 MPI ranks. This allows each ranks to have its own copy of the global
552 variables.  No copy actually occurs as this mechanism uses ``mmap()``
553 for efficiency. This mechanism is considered to be very robust on all
554 systems supporting ``mmap()`` (Linux and most BSDs). Its performance
555 is questionable since each context switch between MPI ranks induces
556 several syscalls to change the ``mmap`` that redirects the ``.data``
557 and ``.bss`` segments to the copies of the new rank. The code will
558 also be copied several times in memory, inducing a slight increase of
559 memory occupation.
560
561 Another limitation is that SMPI only accounts for global variables
562 defined in the executable. If the processes use external global
563 variables from dynamic libraries, they won't be switched
564 correctly. The easiest way to solve this is to statically link against
565 the library with these globals. This way, each MPI rank will get its
566 own copy of these libraries. Of course you should never statically
567 link against the SimGrid library itself.
568
569 With the **dlopen approach**, SMPI loads several copies of the same
570 executable in memory as if it were a library, so that the global
571 variables get naturally duplicated. It first requires the executable
572 to be compiled as a relocatable binary, which is less common for
573 programs than for libraries. But most distributions are now compiled
574 this way for security reason as it allows one to randomize the address
575 space layout. It should thus be safe to compile most (any?) program
576 this way.  The second trick is that the dynamic linker refuses to link
577 the exact same file several times, be it a library or a relocatable
578 executable. It makes perfectly sense in the general case, but we need
579 to circumvent this rule of thumb in our case. To that extend, the
580 binary is copied in a temporary file before being re-linked against.
581 ``dlmopen()`` cannot be used as it only allows 256 contextes, and as it
582 would also duplicate simgrid itself.
583
584 This approach greatly speeds up the context switching, down to about
585 40 CPU cycles with our raw contextes, instead of requesting several
586 syscalls with the ``mmap()`` approach. Another advantage is that it
587 permits one to run the SMPI contexts in parallel, which is obviously not
588 possible with the ``mmap()`` approach. It was tricky to implement, but
589 we are not aware of any flaws, so smpirun activates it by default.
590
591 In the future, it may be possible to further reduce the memory and
592 disk consumption. It seems that we could `punch holes
593 <https://lwn.net/Articles/415889/>`_ in the files before dl-loading
594 them to remove the code and constants, and mmap these area onto a
595 unique copy. If done correctly, this would reduce the disk- and
596 memory- usage to the bare minimum, and would also reduce the pressure
597 on the CPU instruction cache. See the `relevant bug
598 <https://github.com/simgrid/simgrid/issues/137>`_ on github for
599 implementation leads.\n
600
601 Also, currently, only the binary is copied and dlopen-ed for each MPI
602 rank. We could probably extend this to external dependencies, but for
603 now, any external dependencies must be statically linked into your
604 application. As usual, simgrid itself shall never be statically linked
605 in your app. You don't want to give a copy of SimGrid to each MPI rank:
606 that's ways too much for them to deal with.
607
608 .. todo: speak of smpi/privatize-libs here
609
610 ----------------------------------------------
611 Adapting your MPI code for further scalability
612 ----------------------------------------------
613
614 As detailed in the `reference article
615 <http://hal.inria.fr/hal-01415484>`_, you may want to adapt your code
616 to improve the simulation performance. But these tricks may seriously
617 hinder the result quality (or even prevent the app to run) if used
618 wrongly. We assume that if you want to simulate an HPC application,
619 you know what you are doing. Don't prove us wrong!
620
621 ..............................
622 Reducing your memory footprint
623 ..............................
624
625 If you get short on memory (the whole app is executed on a single node when
626 simulated), you should have a look at the SMPI_SHARED_MALLOC and
627 SMPI_SHARED_FREE macros. It allows one to share memory areas between processes: The
628 purpose of these macro is that the same line malloc on each process will point
629 to the exact same memory area. So if you have a malloc of 2M and you have 16
630 processes, this macro will change your memory consumption from 2M*16 to 2M
631 only. Only one block for all processes.
632
633 If your program is ok with a block containing garbage value because all
634 processes write and read to the same place without any kind of coordination,
635 then this macro can dramatically shrink your memory consumption. For example,
636 that will be very beneficial to a matrix multiplication code, as all blocks will
637 be stored on the same area. Of course, the resulting computations will useless,
638 but you can still study the application behavior this way.
639
640 Naturally, this won't work if your code is data-dependent. For example, a Jacobi
641 iterative computation depends on the result computed by the code to detect
642 convergence conditions, so turning them into garbage by sharing the same memory
643 area between processes does not seem very wise. You cannot use the
644 SMPI_SHARED_MALLOC macro in this case, sorry.
645
646 This feature is demoed by the example file
647 `examples/smpi/NAS/dt.c <https://framagit.org/simgrid/simgrid/tree/master/examples/smpi/NAS/dt.c>`_
648
649 .. _SMPI_use_faster:
650
651 .........................
652 Toward Faster Simulations
653 .........................
654
655 If your application is too slow, try using SMPI_SAMPLE_LOCAL,
656 SMPI_SAMPLE_GLOBAL and friends to indicate which computation loops can
657 be sampled. Some of the loop iterations will be executed to measure
658 their duration, and this duration will be used for the subsequent
659 iterations. These samples are done per processor with
660 SMPI_SAMPLE_LOCAL, and shared between all processors with
661 SMPI_SAMPLE_GLOBAL. Of course, none of this will work if the execution
662 time of your loop iteration are not stable. If some parameters have an
663 incidence on the timing of a kernel, and if they are reused often
664 (same kernel launched with a few different sizes during the run, for example),
665 SMPI_SAMPLE_LOCAL_TAG and SMPI_SAMPLE_GLOBAL_TAG can be used, with a tag
666 as last parameter, to differentiate between calls. The tag is a character
667 chain crafted by the user, with a maximum size of 128, and should include
668 what is necessary to group calls of a given size together.
669
670 This feature is demoed by the example file
671 `examples/smpi/NAS/ep.c <https://framagit.org/simgrid/simgrid/tree/master/examples/smpi/NAS/ep.c>`_
672
673 .............................
674 Ensuring Accurate Simulations
675 .............................
676
677 Out of the box, SimGrid may give you fairly accurate results, but
678 there is a plenty of factors that could go wrong and make your results
679 inaccurate or even plainly wrong. Actually, you can only get accurate
680 results of a nicely built model, including both the system hardware
681 and your application. Such models are hard to pass over and reuse in
682 other settings, because elements that are not relevant to an
683 application (say, the latency of point-to-point communications,
684 collective operation implementation details or CPU-network
685 interaction) may be irrelevant to another application. The dream of
686 the perfect model, encompassing every aspects is only a chimera, as
687 the only perfect model of the reality is the reality. If you go for
688 simulation, then you have to ignore some irrelevant aspects of the
689 reality, but which aspects are irrelevant is actually
690 application-dependent...
691
692 The only way to assess whether your settings provide accurate results
693 is to double-check these results. If possible, you should first run
694 the same experiment in simulation and in real life, gathering as much
695 information as you can. Try to understand the discrepancies in the
696 results that you observe between both settings (visualization can be
697 precious for that). Then, try to modify your model (of the platform,
698 of the collective operations) to reduce the most preeminent differences.
699
700 If the discrepancies come from the computing time, try adapting the
701 ``smpi/host-speed``: reduce it if your simulation runs faster than in
702 reality. If the error come from the communication, then you need to
703 fiddle with your platform file.
704
705 Be inventive in your modeling. Don't be afraid if the names given by
706 SimGrid does not match the real names: we got very good results by
707 modeling multicore/GPU machines with a set of separate hosts
708 interconnected with very fast networks (but don't trust your model
709 because it has the right names in the right place either).
710
711 Finally, you may want to check `this article
712 <https://hal.inria.fr/hal-00907887>`_ on the classical pitfalls in
713 modeling distributed systems.
714
715 .. _SMPI_proxy_apps:
716
717 ----------------------
718 Examples of SMPI Usage
719 ----------------------
720
721 A small amount of examples can be found directly in the SimGrid
722 archive, under `examples/smpi <https://framagit.org/simgrid/simgrid/-/tree/master/examples/smpi>`_.
723 Some show how to simply run MPI code in SimGrid, how to use the
724 tracing/replay mechanism or how to use plugins written in S4U to
725 extend the simulator abilities.
726
727 Another source of examples lay in the SimGrid archive, under
728 `teshsuite/smpi <https://framagit.org/simgrid/simgrid/-/tree/master/examples/smpi>`_.
729 They are not in the ``examples`` directory because they probably don't
730 constitute pedagogical examples. Instead, they are intended to stress
731 our implementation during the tests. Some of you may be interested
732 anyway.
733
734 But the best source of SMPI examples is certainly the `proxy app
735 <https://framagit.org/simgrid/SMPI-proxy-apps>`_ external project.
736 Proxy apps are scale models of real, massive HPC applications: each of
737 them exhibits the same communication and computation patterns than the
738 massive application that it stands for. But they last only a few
739 thousands lines instead of some millions of lines. These proxy apps
740 are usually provided for educational purpose, and also to ensure that
741 the represented large HPC applications will correctly work with the
742 next generation of runtimes and hardware. `This project
743 <https://framagit.org/simgrid/SMPI-proxy-apps>`_ gathers proxy apps
744 from different sources, along with the patches needed (if any) to run
745 them on top of SMPI.
746
747 -------------------------
748 Troubleshooting with SMPI
749 -------------------------
750
751 .................................
752 ./configure refuses to use smpicc
753 .................................
754
755 If your ``./configure`` reports that the compiler is not
756 functional or that you are cross-compiling, try to define the
757 ``SMPI_PRETEND_CC`` environment variable before running the
758 configuration.
759
760 .. code-block:: console
761
762    $ SMPI_PRETEND_CC=1 ./configure # here come the configure parameters
763    $ make
764
765 Indeed, the programs compiled with ``smpicc`` cannot be executed
766 without ``smpirun`` (they are shared libraries and do weird things on
767 startup), while configure wants to test them directly.  With
768 ``SMPI_PRETEND_CC`` smpicc does not compile as shared, and the SMPI
769 initialization stops and returns 0 before doing anything that would
770 fail without ``smpirun``.
771
772 .. warning::
773
774   Make sure that SMPI_PRETEND_CC is only set when calling ./configure,
775   not during the actual execution, or any program compiled with smpicc
776   will stop before starting.
777
778 ..............................................
779 ./configure does not pick smpicc as a compiler
780 ..............................................
781
782 In addition to the previous answers, some projects also need to be
783 explicitly told what compiler to use, as follows:
784
785 .. code-block:: console
786
787    $ SMPI_PRETEND_CC=1 ./configure CC=smpicc # here come the other configure parameters
788    $ make
789
790 Maybe your configure is using another variable, such as ``cc`` (in
791 lower case) or similar. Just check the logs.
792
793 .....................................
794 error: unknown type name 'useconds_t'
795 .....................................
796
797 Try to add ``-D_GNU_SOURCE`` to your compilation line to get rid
798 of that error.
799
800 The reason is that SMPI provides its own version of ``usleep(3)``
801 to override it and to block in the simulation world, not in the real
802 one. It needs the ``useconds_t`` type for that, which is declared
803 only if you declare ``_GNU_SOURCE`` before including
804 ``unistd.h``. If your project includes that header file before
805 SMPI, then you need to ensure that you pass the right configuration
806 defines as advised above.
807
808
809
810 .. _SMPI_offline:
811
812 -----------------------------
813 Trace Replay and Offline SMPI
814 -----------------------------
815
816 Although SMPI is often used for :ref:`online simulation
817 <SMPI_online>`, where the application is executed for real, you can
818 also go for offline simulation through trace replay.
819
820 SimGrid uses time-independent traces, in which each actor is given a
821 script of the actions to do sequentially. These trace files can
822 actually be captured with the online version of SMPI, as follows:
823
824 .. code-block:: console
825
826    $ smpirun -trace-ti --cfg=tracing/filename:LU.A.32 -np 32 -platform ../cluster_backbone.xml bin/lu.A.32
827
828 The produced trace is composed of a file ``LU.A.32`` and a folder
829 ``LU.A.32_files``. The file names don't match with the MPI ranks, but
830 that's expected.
831
832 To replay this with SMPI, you need to first compile the provided
833 ``smpi_replay.cpp`` file, that comes from
834 `simgrid/examples/smpi/replay
835 <https://framagit.org/simgrid/simgrid/tree/master/examples/smpi/replay>`_.
836
837 .. code-block:: console
838
839    $ smpicxx ../replay.cpp -O3 -o ../smpi_replay
840
841 Afterward, you can replay your trace in SMPI as follows:
842
843 .. code-block:: console
844
845    $ smpirun -np 32 -platform ../cluster_torus.xml -ext smpi_replay ../smpi_replay LU.A.32
846
847 All the outputs are gone, as the application is not really simulated
848 here. Its trace is simply replayed. But if you visualize the live
849 simulation and the replay, you will see that the behavior is
850 unchanged. The simulation does not run much faster on this very
851 example, but this becomes very interesting when your application
852 is computationally hungry.
853
854 .. |br| raw:: html
855
856    <br />