千萬自由度大規模線性方程組并行求解庫PETSc的介紹

 PETSc是Portable, ExtensibleToolkit for Scientific Computation的縮寫,是美國能源部開發的科學計算可移植擴展工具包,其基于MPI實現在分布式內存環境下實現偏微分方程和線性方程組的求解。

        對于線性方程組的求解,PETSc提供了較為全面的迭代方法求解,尤其是基于Krylov方法的各種迭代方法及各種預處理方法。在PETSc中,支持的krylov方法可通過KspSetType進行設置,具體支持的KspType如下:

typedef const char *KSPType;
#define KSPRICHARDSON "richardson"
#define KSPCHEBYSHEV  "chebyshev"
#define KSPCG         "cg"
#define KSPGROPPCG    "groppcg"
#define KSPPIPECG     "pipecg"
#define KSPPIPECGRR   "pipecgrr"
#define KSPPIPELCG    "pipelcg"
#define KSPPIPEPRCG   "pipeprcg"
#define KSPPIPECG2    "pipecg2"
#define KSPCGNE       "cgne"
#define KSPNASH       "nash"
#define KSPSTCG       "stcg"
#define KSPGLTR       "gltr"
#define KSPCGNASH     PETSC_DEPRECATED_MACRO("GCC warning \"KSPCGNASH macro is deprecated use KSPNASH (since version 3.11)\"") "nash"
#define KSPCGSTCG     PETSC_DEPRECATED_MACRO("GCC warning \"KSPCGSTCG macro is deprecated use KSPSTCG (since version 3.11)\"") "stcg"
#define KSPCGGLTR     PETSC_DEPRECATED_MACRO("GCC warning \"KSPCGGLTR macro is deprecated use KSPSGLTR (since version 3.11)\"") "gltr"
#define KSPFCG        "fcg"
#define KSPPIPEFCG    "pipefcg"
#define KSPGMRES      "gmres"
#define KSPPIPEFGMRES "pipefgmres"
#define KSPFGMRES     "fgmres"
#define KSPLGMRES     "lgmres"
#define KSPDGMRES     "dgmres"
#define KSPPGMRES     "pgmres"
#define KSPTCQMR      "tcqmr"
#define KSPBCGS       "bcgs"
#define KSPIBCGS      "ibcgs"
#define KSPQMRCGS     "qmrcgs"
#define KSPFBCGS      "fbcgs"
#define KSPFBCGSR     "fbcgsr"
#define KSPBCGSL      "bcgsl"
#define KSPPIPEBCGS   "pipebcgs"
#define KSPCGS        "cgs"
#define KSPTFQMR      "tfqmr"
#define KSPCR         "cr"
#define KSPPIPECR     "pipecr"
#define KSPLSQR       "lsqr"
#define KSPPREONLY    "preonly"
#define KSPNONE       "none"
#define KSPQCG        "qcg"
#define KSPBICG       "bicg"
#define KSPMINRES     "minres"
#define KSPSYMMLQ     "symmlq"
#define KSPLCD        "lcd"
#define KSPPYTHON     "python"
#define KSPGCR        "gcr"
#define KSPPIPEGCR    "pipegcr"
#define KSPTSIRM      "tsirm"
#define KSPCGLS       "cgls"
#define KSPFETIDP     "fetidp"
#define KSPHPDDM      "hpddm"

在上面的方法中,有限元求解中常用的CG,Bicgstab,Gmres均有涉及。同時,當ksptype為preonly時,表明方程組不采用迭代求解,只采用預處理方法直接求解方程組,因此此時實際上就實現了線性方程組的直接法求解。

        對于預處理方法,PETSc支持的方法如下:

typedef const char *PCType;
#define PCNONE               "none"
#define PCJACOBI             "jacobi"
#define PCSOR                "sor"
#define PCLU                 "lu"
#define PCQR                 "qr"
#define PCSHELL              "shell"
#define PCAMGX               "amgx"
#define PCBJACOBI            "bjacobi"
#define PCMG                 "mg"
#define PCEISENSTAT          "eisenstat"
#define PCILU                "ilu"
#define PCICC                "icc"
#define PCASM                "asm"
#define PCGASM               "gasm"
#define PCKSP                "ksp"
#define PCBJKOKKOS           "bjkokkos"
#define PCCOMPOSITE          "composite"
#define PCREDUNDANT          "redundant"
#define PCSPAI               "spai"
#define PCNN                 "nn"
#define PCCHOLESKY           "cholesky"
#define PCPBJACOBI           "pbjacobi"
#define PCVPBJACOBI          "vpbjacobi"
#define PCMAT                "mat"
#define PCHYPRE              "hypre"
#define PCPARMS              "parms"
#define PCFIELDSPLIT         "fieldsplit"
#define PCTFS                "tfs"
#define PCML                 "ml"
#define PCGALER_KIN           "galerkin"
#define PCEXOTIC             "exotic"
#define PCCP                 "cp"
#define PCBFBT               "bfbt"
#define PCLSC                "lsc"
#define PCPYTHON             "python"
#define PCPFMG               "pfmg"
#define PCSMG                "smg"
#define PCSYSPFMG            "syspfmg"
#define PCREDISTRIBUTE       "redistribute"
#define PCSVD                "svd"
#define PCGAMG               "gamg"
#define PCCHOWILUVIENNACL    "chowiluviennacl"
#define PCROWSCALINGVIENNACL "rowscalingviennacl"
#define PCSAVIENNACL         "saviennacl"
#define PCBDDC               "bddc"
#define PCKACZMARZ           "kaczmarz"
#define PCTELESCOPE          "telescope"
#define PCPATCH              "patch"
#define PCLMVM               "lmvm"
#define PCHMG                "hmg"
#define PCDEFLATION          "deflation"
#define PCHPDDM              "hpddm"
#define PCH2OPUS             "h2opus"
#define PCMPI                "mpi"

在PETSC提供的上述方法的基礎上,我們可以進行各種求解方法的求解測試,從而獲得各種求解方法面對各種問題的具體性能。

另外一方面,在PETSC中,通過Mat和Vec定義的矩陣和向量可以依據具體insert的值自動組裝成整體矩陣或者向量,這對于稀疏矩陣線性方程組的求解具有十分重要的意義。例如,在固體力學有限元求解中,如果手動組裝稀疏矩陣存儲的剛度矩陣,實際上需要依據單元節點連接獲得節點的鄰接矩陣從而確定每行的非零元素個數與位置。而如果采用PETSC,則可以直接定義整體剛度矩陣的Mat,再將各個單元的單元剛度矩陣逐個insert進整體剛度矩陣的Mat,PETSC就會自動形成最終的整體稀疏剛度矩陣。另外,在求解時對于矩陣和向量PETSC會自動進行MPI進程分割完成最終求解。

以下是一個從文件中讀取矩陣和向量并求解AX=B的例子:

static char help[]="linear solve";
#include <petscmat.h>
#include <petscksp.h>
#undef __FUNCT__
#define __FUNCT__ "main"
int main(int argc,char **args)
{
  Mat            A;
  Vec            b,u,u_tmp,x;
  char           Ain[PETSC_MAX_PATH_LEN],rhs[PETSC_MAX_PATH_LEN];
  PetscErrorCode ierr;
  int            m,n,nz,dummy;
  PetscInt       i,col,row,rstart,rend,rstart1,rend1;;
  PetscScalar    val;
  FILE           *Afile,*bfile;
  PetscViewer    view;
  PetscBool      flg_A,flg_b,flg;
  PetscMPIInt    size,rank;
  
  int shift;
  KSP ksp;
  PC pc;
 
  PetscInitialize(&argc,&args,(char *)0,help);
  ierr = MPI_Comm_size(PETSC_COMM_WORLD,&size);CHKERRQ(ierr);
  ierr = MPI_Comm_rank(PETSC_COMM_WORLD,&rank);CHKERRQ(ierr);
  
 
  ierr = PetscOptionsGetString(PETSC_NULL,PETSC_NULL,"-Ain",Ain,PETSC_MAX_PATH_LEN,&flg_A);CHKERRQ(ierr);
  if (flg) shift = 0;
  if (flg_A){
   // ierr = PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD,"\n Read matrix in ascii format ...\n");CHKERRQ(ierr);
    Afile=fopen(Ain,"r");
    fscanf(Afile,"%d %d %d\n",&m,&n,&nz);
    
 
    //ierr = PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD,"m: %d, n: %d, nz: %d \n", m,n,nz);CHKERRQ(ierr);
    if (m != n) SETERRQ(PETSC_COMM_WORLD,PETSC_ERR_ARG_SIZ, "Number of rows, cols must be same for this example\n");
    ierr = MatCreate(PETSC_COMM_WORLD,&A);CHKERRQ(ierr);
    ierr = MatSetSizes(A,PETSC_DECIDE,PETSC_DECIDE,m,n);CHKERRQ(ierr);
    ierr = MatSetFromOptions(A);CHKERRQ(ierr);
 
    PetscCall(MatSetUp(A));
 
    ierr = MatGetOwnershipRange(A,&rstart,&rend);CHKERRQ(ierr);
   // printf("\nThis is process %d reading from %d to %d ...\n",rank,rstart,rend-1);
 
    for (i=0; i<nz; i++) {
      fscanf(Afile,"%d %d %le\n",&row,&col,(double*)&val);
 
    if (row>=rstart && row<rend)
      ierr = MatSetValues(A,1,&row,1,&col,&val,INSERT_VALUES);CHKERRQ(ierr);
    }
      ierr = MatAssemblyBegin(A,MAT_FINAL_ASSEMBLY);CHKERRQ(ierr);
      ierr = MatAssemblyEnd(A,MAT_FINAL_ASSEMBLY);CHKERRQ(ierr);
      fflush(stdout);
      fclose(Afile);
 
}
 
  ierr = PetscOptionsGetString(PETSC_NULL,PETSC_NULL,"-rhs",rhs,PETSC_MAX_PATH_LEN,&flg_b);CHKERRQ(ierr);
 ierr = PetscOptionsGetString(PETSC_NULL,PETSC_NULL,"-rhs",rhs,PETSC_MAX_PATH_LEN,&flg_b);CHKERRQ(ierr);
if (flg_b){
    ierr = VecCreate(PETSC_COMM_WORLD,&b);CHKERRQ(ierr);
    ierr = VecSetSizes(b,PETSC_DECIDE,n);CHKERRQ(ierr);
    ierr = VecSetFromOptions(b);CHKERRQ(ierr);
    ierr = VecGetOwnershipRange(b,&rstart1,&rend1);CHKERRQ(ierr);
   // printf("\nThis is process %d reading from %d to %d ...\n",rank,rstart1,rend1-1);
    bfile = fopen(rhs,"r");
    for (i=0; i<n; i++) {    
      fscanf(bfile,"%d %le\n",&dummy,(double*)&val);
   
    if (dummy>=rstart1 && dummy<rend1)
    ierr = VecSetValues(b,1,&i,&val,INSERT_VALUES);CHKERRQ(ierr);
}
    ierr = VecAssemblyBegin(b);CHKERRQ(ierr);
    ierr = VecAssemblyEnd(b);CHKERRQ(ierr);
    fflush(stdout);
    fclose(bfile);
  }
 
 /*ierr = PetsfcPrint(PETSC_COMM_WORLD,"\n Write matrix in binary to 'matrix.dat' ...\n");CHKERRQ(ierr);
  ierr = PetscViewerBinaryOpen(PETSC_COMM_WORLD,"matrix.dat",FILE_MODE_WRITE,&view);CHKERRQ(ierr);
  ierr = MatView(A,view);CHKERRQ(ierr);
 
  if (flg_b){
ierr = PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD,"\n Write rhs in binary to 'matrix.dat' ...\n");CHKERRQ(ierr);
    ierr = VecView(b,view);CHKERRQ(ierr);
  }
  ierr = MatDestroy(&A);CHKERRQ(ierr);
  if (flg_b) {ierr = VecDestroy(&b);CHKERRQ(ierr);}
  ierr = PetscViewerDestroy(&view);CHKERRQ(ierr);*/
 
 
PetscCall(VecDuplicate(b, &x));
 
 
PetscLogDouble start_time,end_time,time;
 
PetscTime(&start_time);
PetscCall(KSPCreate(PETSC_COMM_WORLD, &ksp));
PetscCall(KSPSetOperators(ksp, A, A));
PetscCall(KSPGetPC(ksp, &pc));
  PetscCall(PCSetType(pc, PCJACOBI));
  PetscCall(KSPSetType(ksp,KSPCG));
  PetscCall(KSPSetTolerances(ksp, 1.e-6, PETSC_DEFAULT, PETSC_DEFAULT, PETSC_DEFAULT));
  PetscCall(KSPSetFromOptions(ksp));
  PetscCall(KSPSolve(ksp, b, x));
PetscTime(&end_time);
 
time = end_time - start_time;
PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD, "\n%-15s%-7.5f seconds\n", "Average time:",time );
 
 //PetscCall( VecView(x,PETSC_VIEWER_STDOUT_WORLD));
 
  PetscCall(KSPDestroy(&ksp));
  PetscCall(VecDestroy(&x));
  PetscCall(MatDestroy(&A));
 
 
 
  ierr = PetscFinalize();
  return 0;
}

具體的運行命令如下:

mpiexec -n 10 ./solve -Ain mat1.txt -rhs vec1.txt

其中mat1.txt的文件格式采用COO(第一行是行數,列數和非0元素個數):

圖片1.jpg

Vec1.txt的文件格式如下(第1列是行號,第二列是數值):

圖片2.jpg

最終結果:

圖片3.jpg

以上,就是PETSC的簡單介紹和一個簡單例子,感謝您的閱讀!

                                                                       【完】

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