CentOS系统下如何安装配置MPI并行环境？

在科学计算、大数据分析和人工智能等领域，并行计算是处理大规模数据和复杂问题的核心技术，消息传递接口（MPI）作为一种标准化的并行编程库，允许多个进程在分布式内存系统上进行通信和协作，是高性能计算（HPC）环境中的基石，CentOS作为企业级Linux发行版，因其稳定性和可靠性，在服务器和HPC集群中被广泛采用，在CentOS系统上正确安装和配置MPI环境,是开展并行计算工作的第一步。

什么是MPI？

MPI并不是一个具体的软件，而是一个规范或标准，它定义了一套用于进程间通信的库函数API，包括点对点通信（如发送和接收）和集体通信（如广播、归约等），开发者可以基于这些API编写可移植的并行程序，最主流的MPI实现有两个：OpenMPI和MPICH，它们都遵循MPI标准，但在性能、特性和社区支持上略有差异，本文将以更为流行和功能丰富的OpenMPI为例,详细介绍其在CentOS系统上的安装过程。

安装前的准备

在开始安装之前，请确保您的CentOS系统已经准备就绪，这包括拥有一个具有sudo权限的用户账户，以及系统已连接到互联网,编译和安装MPI需要一些基础的开发工具。

您可以通过以下命令来安装这些必要的开发工具包，这个命令会一次性安装GCC编译器、make工具、kernel-devel等编译软件所需的绝大部分依赖。

sudo yum groupinstall -y "Development Tools"

对于CentOS 8或更高版本，您可能需要使用dnf替代yum：

sudo dnf groupinstall -y "Development Tools"

使用YUM/DNF仓库安装（推荐）

这是最简单、最快捷的安装方式，适合大多数用户，通过CentOS的官方软件仓库或EPEL（Extra Packages for Enterprise Linux）仓库,可以直接安装预编译好的OpenMPI包。

确保EPEL仓库已启用,EPEL提供了许多官方仓库中没有的高质量软件包。

# 对于CentOS 7
sudo yum install -y epel-release
# 对于CentOS 8
sudo dnf install -y epel-release

启用EPEL后，您可以直接使用yum或dnf来安装OpenMPI，建议同时安装运行时库和开发包（devel），这样既可以运行MPI程序,也可以编译自己的MPI代码。

# 使用yum安装
sudo yum install -y openmpi openmpi-devel
# 或使用dnf安装
sudo dnf install -y openmpi openmpi-devel

安装完成后，系统会将OpenMPI的头文件和库文件放置在标准路径下，为了让系统能够找到mpicc、mpirun等命令，您需要加载相应的环境模块，CentOS通常会将环境模块配置文件放在/etc/profile.d/目录下。

module load openmpi-x86_64

为了使这个设置在每次登录时自动生效，您可以将上述命令添加到您的shell配置文件中，例如~/.bashrc或~/.bash_profile。

echo "module load openmpi-x86_64" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

从源代码编译安装（适用于高级用户）

当您需要安装特定版本的OpenMPI，或者希望自定义安装路径和编译选项时，从源代码编译是最佳选择,这种方式提供了最大的灵活性。

1. 下载源代码
   访问OpenMPI的官方网站下载最新稳定版的源代码压缩包，下载openmpi-4.1.4版本：

   wget https://download.open-mpi.org/release/open-mpi/v4.1/openmpi-4.1.4.tar.gz

2. 解压并进入目录

   tar -xvzf openmpi-4.1.4.tar.gz
   cd openmpi-4.1.4

3. 配置编译选项
   使用./configure脚本来配置安装，一个常见的做法是将OpenMPI安装到/usr/local下的一个自定义目录,以便于管理和未来升级。

   ./configure --prefix=/usr/local/openmpi-4.1.4

   这个过程会检查您的系统环境,确保所有依赖都已满足。

4. 编译和安装
   配置成功后，执行make进行编译，然后使用make install将编译好的文件安装到指定的--prefix目录。

   make -j$(nproc)  # -j$(nproc)会使用所有可用的CPU核心进行编译，加快速度
   sudo make install

5. 配置环境变量
   从源代码安装后，需要手动配置环境变量，以便系统能找到MPI的执行文件和库文件，编辑您的~/.bashrc文件,添加以下内容：

   # OpenMPI Environment Variables
   export PATH=/usr/local/openmpi-4.1.4/bin:$PATH
   export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/openmpi-4.1.4/lib:$LD_LIBRARY_PATH

   保存文件后，执行source ~/.bashrc使配置立即生效。

验证安装

无论采用哪种安装方法，验证安装是否成功都是一个好习惯,最直接的方式是检查MPI编译器和运行器的版本。

mpirun --version
mpicc --version

如果这两个命令都能正确输出版本信息，说明安装基本成功，我们可以编写一个经典的“Hello World”MPI程序来做一个完整的测试。

创建一个名为hello_mpi.c的文件,并写入以下C代码：

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char** argv) {
    MPI_Init(&argc, &argv);
    int world_size;
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &world_size);
    int world_rank;
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &world_rank);
    char processor_name[MPI_MAX_PROCESSOR_NAME];
    int name_len;
    MPI_Get_processor_name(processor_name, &name_len);
    printf("Hello world from processor %s, rank %d out of %d processorsn",
           processor_name, world_rank, world_size);
    MPI_Finalize();
    return 0;
}

使用OpenMPI的C编译器mpicc来编译它：

mpicc -o hello_mpi hello_mpi.c

使用mpirun来运行这个程序。-np标志指定了要启动的进程数量。

mpirun -np 4 ./hello_mpi

您应该会看到4行输出，每一行都来自一个不同的进程，并显示其排名和所在处理器名称，这证明您的MPI环境已经完全配置好,可以开始并行编程之旅了。

OpenMPI与MPICH的简单对比

特性	OpenMPI	MPICH
开发社区	由多个学术和商业机构组成的联盟	最初由Argonne国家实验室和MSU开发
功能特性	功能丰富，支持更多网络拓扑和高级特性	相对轻量，专注于核心MPI标准的实现和稳定性
兼容性	与MPICH在API层面高度兼容	与OpenMPI在API层面高度兼容
流行度	在学术界和HPC社区中非常流行	在某些商业和特定领域应用广泛

---

相关问答FAQs

我使用YUM安装了OpenMPI，但在终端输入mpicc时提示“command not found”，这是为什么？

解答： 这是因为您的Shell环境变量PATH中没有包含OpenMPI可执行文件的路径，通过YUM安装的OpenMPI通常使用环境模块系统来管理，您需要先加载对应的模块才能使用这些命令，请执行module load openmpi-x86_64，然后再尝试mpicc，为了让这个设置永久生效，请将module load openmpi-x86_64命令添加到您的~/.bashrc或~/.bash_profile文件中，然后重新登录或执行source ~/.bashrc。

我应该选择YUM安装还是从源代码编译安装MPI？

解答： 这取决于您的具体需求。

• 选择YUM安装：如果您是初学者，或者只需要一个稳定、标准的MPI环境来运行或开发常规的并行程序，YUM安装是最佳选择，它简单、快速，且能自动处理依赖关系,系统更新时也可以方便地升级MPI版本。
• 选择源代码编译安装：如果您是高级用户，有以下几种情况可能需要编译安装：1) 需要安装一个CentOS仓库中没有提供的特定旧版本或最新预发布版本的MPI；2) 需要自定义安装路径，以便在同一台机器上管理多个不同版本的MPI；3) 需要启用或禁用某些特定的编译选项（针对特定硬件进行优化），编译安装提供了最大的灵活性，但过程更复杂,且需要手动管理依赖和环境变量。