Кутергин Антон. Технология SEQ-MPI. Нахождение наиболее близких соседних элементов вектора. Вариант 7 (#101)

- **Задача**: Нахождение наиболее близких соседних элементов вектора
- **Вариант**: Вариант 7
- **Технология**: SEQ-MPI
- **Описание** : На вход подается вектор v, нужно найти такой индекс i,
что велечина |v[i] - v[i+1]| минимальна среди всех пар элемента
SEQ: Последовательно просматривает пары v[i], v[i+1], сравнивает
разности и возвращает индекс максимума
MPI: Вектор разбивается на MPI процессы, корректно обрабатывая границы
между процессами, чтобы последнему числу этого процесса и первому
следующего процесса также образуют пару. Каждый ищет свой локальный
минимум среди всех своих соседних пар. Возвращаем глобальный индекс пары
с помощью MPI_Reduce

- [x] **Статус CI**: Все CI-задачи (сборка, тесты, генерация отчёта)
успешно проходят на моей ветке в моем форке
- [x] **Директория и именование задачи**: Я создал директорию с именем
`<фамилия>_<первая_буква_имени>_<короткое_название_задачи>`
- [x] **Полное описание задачи**: Я предоставил полное описание задачи в
теле pull request
- [x] **clang-format**: Мои изменения успешно проходят `clang-format`
локально в моем форке (нет ошибок форматирования)
- [x] **clang-tidy**: Мои изменения успешно проходят `clang-tidy`
локально в моем форке (нет предупреждений/ошибок)
- [x] **Функциональные тесты**: Все функциональные тесты успешно
проходят локально на моей машине
- [x] **Тесты производительности**: Все тесты производительности успешно
проходят локально на моей машине
- [x] **Ветка**: Я работаю в ветке, названной точно так же, как
директория моей задачи (например, `nesterov_a_vector_sum`), а не в
`master`
- [x] **Правдивое содержание**: Я подтверждаю, что все сведения,
указанные в этом pull request, являются точными и достоверными

Author: petikantra2014

tasks/kutergin_a_closest_pair/common/include/common.hpp

@@ -0,0 +1,17 @@
+#pragma once
+
+#include <string>
+#include <tuple>
+#include <vector>
+
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace kutergin_a_closest_pair {
+
+using InType = std::vector<int>;
+;
+using OutType = int;
+using TestType = std::tuple<std::tuple<InType, int>, std::string>;
+using BaseTask = ppc::task::Task<InType, OutType>;
+
+}  // namespace kutergin_a_closest_pair

tasks/kutergin_a_closest_pair/info.json

@@ -0,0 +1,9 @@
+{
+  "student": {
+    "first_name": "Антон",
+    "last_name": "Кутергин",
+    "middle_name": "Андреевич",
+    "group_number": "3823Б1ФИ1",
+    "task_number": "7"
+  }
+}

tasks/kutergin_a_closest_pair/mpi/include/ops_mpi.hpp

@@ -0,0 +1,22 @@
+#pragma once
+
+#include "kutergin_a_closest_pair/common/include/common.hpp"
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace kutergin_a_closest_pair {
+
+class KuterginAClosestPairMPI : public BaseTask {
+ public:
+  static constexpr ppc::task::TypeOfTask GetStaticTypeOfTask() {
+    return ppc::task::TypeOfTask::kMPI;
+  }
+  explicit KuterginAClosestPairMPI(const InType &in);
+
+ private:
+  bool ValidationImpl() override;
+  bool PreProcessingImpl() override;
+  bool RunImpl() override;
+  bool PostProcessingImpl() override;
+};
+
+}  // namespace kutergin_a_closest_pair

tasks/kutergin_a_closest_pair/mpi/src/ops_mpi.cpp

@@ -0,0 +1,156 @@
+#include "kutergin_a_closest_pair/mpi/include/ops_mpi.hpp"
+
+#include <mpi.h>
+
+#include <algorithm>
+#include <cmath>
+#include <limits>
+#include <vector>
+
+#include "kutergin_a_closest_pair/common/include/common.hpp"
+
+namespace kutergin_a_closest_pair {
+
+KuterginAClosestPairMPI::KuterginAClosestPairMPI(const InType &in) {
+  SetTypeOfTask(GetStaticTypeOfTask());
+  GetInput() = in;
+  GetOutput() = -1;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairMPI::ValidationImpl() {
+  return true;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairMPI::PreProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+namespace {
+
+std::vector<int> DistributeData(int rank, int size, int n, const std::vector<int> &v) {
+  int local_size = n / size;
+  int remainder = n % size;
+
+  int start = (rank * local_size) + std::min(rank, remainder);
+  int end = start + local_size + (rank < remainder ? 1 : 0);
+
+  if (rank == size - 1) {
+    end = n;
+  }
+
+  std::vector<int> local_data(end - start);
+  if (rank == 0) {
+    std::copy(v.begin() + start, v.begin() + end, local_data.begin());
+
+    for (int i = 1; i < size; ++i) {
+      int other_start = (i * local_size) + std::min(i, remainder);
+      int other_end = other_start + local_size + (i < remainder ? 1 : 0);
+      if (i == size - 1) {
+        other_end = n;
+      }
+
+      MPI_Send(v.data() + other_start, other_end - other_start, MPI_INT, i, 0, MPI_COMM_WORLD);
+    }
+  } else {
+    MPI_Recv(local_data.data(), static_cast<int>(local_data.size()), MPI_INT, 0, 0, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE);
+  }
+
+  return local_data;
+}
+
+int FindLocalMin(const std::vector<int> &local_data, int start_idx, int &found_idx) {
+  int local_min = std::numeric_limits<int>::max();
+  found_idx = -1;
+
+  for (int i = 0; i < static_cast<int>(local_data.size()) - 1; ++i) {
+    int diff = std::abs(local_data[i + 1] - local_data[i]);
+    if (diff < local_min) {
+      local_min = diff;
+      found_idx = start_idx + i;
+    }
+  }
+
+  return local_min;
+}
+
+int CalculateStartIndex(int rank, int size, int n) {
+  int local_size = n / size;
+  int remainder = n % size;
+  return (rank * local_size) + std::min(rank, remainder);
+}
+
+int CalculateEndIndex(int rank, int size, int n) {
+  int local_size = n / size;
+  int remainder = n % size;
+  int end = CalculateStartIndex(rank, size, n) + local_size + (rank < remainder ? 1 : 0);
+  if (rank == size - 1) {
+    end = n;
+  }
+  return end;
+}
+
+int CheckBoundary(int rank, int size, int end, int n, const std::vector<int> &v, const std::vector<int> &local_data,
+                  int current_min, int &current_idx) {
+  if (rank < size - 1 && end < n) {
+    int boundary_diff = std::abs(v[end] - local_data.back());
+    if (boundary_diff < current_min) {
+      current_min = boundary_diff;
+      current_idx = end - 1;
+    }
+  }
+  return current_min;
+}
+
+}  // namespace
+
+bool KuterginAClosestPairMPI::RunImpl() {
+  int rank = 0;
+  int size = 0;
+  MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
+  MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
+
+  const auto &v = GetInput();
+  int n = static_cast<int>(v.size());
+
+  MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
+
+  if (n < 2) {
+    GetOutput() = -1;
+    return true;
+  }
+
+  auto local_data = DistributeData(rank, size, n, v);
+  if (local_data.empty()) {
+    GetOutput() = -1;
+    return true;
+  }
+
+  int start_idx = CalculateStartIndex(rank, size, n);
+  int local_idx = -1;
+  int local_min = FindLocalMin(local_data, start_idx, local_idx);
+
+  int end = CalculateEndIndex(rank, size, n);
+  local_min = CheckBoundary(rank, size, end, n, v, local_data, local_min, local_idx);
+
+  struct MinIndex {
+    int val = 0;
+    int idx = -1;
+  };
+
+  MinIndex local_result;
+  local_result.val = local_min;
+  local_result.idx = local_idx;
+
+  MinIndex global_result;
+
+  MPI_Allreduce(&local_result, &global_result, 1, MPI_2INT, MPI_MINLOC, MPI_COMM_WORLD);
+
+  GetOutput() = global_result.idx;
+  return true;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairMPI::PostProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+}  // namespace kutergin_a_closest_pair

tasks/kutergin_a_closest_pair/report.md

@@ -0,0 +1,52 @@
+# Нахождение наиболее близких соседних элементов вектора
+
+- Student: Кутергин Антон Андреевич, group 3823Б1ФИ1
+- Technology: SEQ | MPI 
+- Variant: 7
+
+## 1 Введение
+
+Нужно было реализовать параллельный и последовательный алгоритм для поиска наиболее близких соседних элементов вектора
+
+## 2 Постановка задачи
+
+На вход подается вектор v, нужно найти такой индекс i, что велечина |v[i] - v[i+1]| минимальна среди всех пар элемента
+
+## 3. Baseline Algorithm (Sequential)
+
+Последовательно просматривает пары v[i], v[i+1], сравнивает разности и возвращает индекс максимума
+
+## 4. Parallelization Scheme
+
+Вектор разбивается на MPI процессы, корректно обрабатывая границы между процессами, чтобы последнему числу этого процесса и первому следующего процесса также образуют пару. Каждый ищет свой локальный минимум среди всех своих соседних пар. Возвращаем глобальный индекс пары с помощью MPI_Reduce
+
+## 6. Experimental Setup
+
+-HARDWARE/OS: CPU - Intel Core i5-8300H, cores/threads - 4/8, RAM - 12gb, OS - Windows 10
+TOOLCHAIN: g++ 13.3.0, build type - Release
+
+
+## 7. Results and Discussion
+
+### 7.1 Correctness
+
+Функциональные тесты: вектор может принимать как положительные, так и отрицательные значения или содержать и положительные и отрицательные значения, так же обрабатывается случай, когда вектор пуст или у него одно значение и пару ему не найти.
+MPI версия запускалась на 4 ядрах - эталонное ускорение в 4 раза.
+Тест на производительность: генерация n чисел и запуск алгоритмов, чтобы узнать время выполнения.
+
+### 7.2 Performance
+
+| Размер данных |Кол-во процессов| MPI версия (сек)       | SEQ версия (сек)        |
+|---------------|----------------|------------------------|-------------------------|
+| 100,000,000   |       2        | 0.1726183200           | 0.2780640800            |
+| 100,000,000   |       4        | 0.1601058600           | 0.3270964400            |
+| 100,000,000   |       8        | 0.1926481400           | 0.3761903000            |
+
+
+## 8. Conclusions
+
+В ходе работы были разработаны последовательная(SEQ) и параллельная (MPI) версии алгоритма поиска пары соседних элементов с минимальной разностью. Оба варианта корректно проходят функциональные тесты, включая случаи с отрицательными значениями, смешанными диапазонами чисел и граничными условиями (пустой или одноэлементный вектор). MPI-распараллеливание показало ожидаемый выигрыш на 2 и 4 процессах относительно последовательной версии, что подтверждает эффективность алгоритма. При увелечении числа процессов до 8 наблюдается просадка из-за роста накладных расходов и нехваткой физических ядер, что привело к увелечению время выполнения. В целом работа выполнена успешно: достигнута корректность, показано преимущество MPI версии над SEQ.
+
+## 9. References
+1.Лекции по параллельному программированию
+2.Практические занятия по параллельному программированию

tasks/kutergin_a_closest_pair/seq/include/ops_seq.hpp

@@ -0,0 +1,25 @@
+#pragma once
+
+#include <vector>
+
+#include "kutergin_a_closest_pair/common/include/common.hpp"
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace kutergin_a_closest_pair {
+
+class KuterginAClosestPairSEQ : public BaseTask {
+ public:
+  static constexpr ppc::task::TypeOfTask GetStaticTypeOfTask() {
+    return ppc::task::TypeOfTask::kSEQ;
+  }
+  explicit KuterginAClosestPairSEQ(const InType &in);
+
+ private:
+  std::vector<int> data_;
+  bool ValidationImpl() override;
+  bool PreProcessingImpl() override;
+  bool RunImpl() override;
+  bool PostProcessingImpl() override;
+};
+
+}  // namespace kutergin_a_closest_pair

tasks/kutergin_a_closest_pair/seq/src/ops_seq.cpp

@@ -0,0 +1,53 @@
+#include "kutergin_a_closest_pair/seq/include/ops_seq.hpp"
+
+#include <algorithm>
+#include <cstdlib>
+#include <ranges>
+#include <vector>
+
+#include "kutergin_a_closest_pair/common/include/common.hpp"
+
+namespace kutergin_a_closest_pair {
+
+KuterginAClosestPairSEQ::KuterginAClosestPairSEQ(const InType &in) {
+  SetTypeOfTask(GetStaticTypeOfTask());
+  GetInput() = in;
+  GetOutput() = -1;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairSEQ::ValidationImpl() {
+  return true;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairSEQ::PreProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairSEQ::RunImpl() {
+  const auto &v = GetInput();
+
+  if (v.size() < 2) {
+    GetOutput() = -1;
+    return true;
+  }
+
+  auto idx_range = std::views::iota(size_t{0}, v.size() - 1);
+
+  auto comparator = [&](size_t i, size_t j) {
+    int diff_i = std::abs(v[i] - v[i + 1]);
+    int diff_j = std::abs(v[j] - v[j + 1]);
+    return (diff_i < diff_j) || (diff_i == diff_j && i < j);
+  };
+
+  auto min_it = std::ranges::min_element(idx_range, comparator);
+  int min_idx = static_cast<int>(*min_it);
+
+  GetOutput() = min_idx;
+  return true;
+}
+
+bool KuterginAClosestPairSEQ::PostProcessingImpl() {
+  return true;
+}
+
+}  // namespace kutergin_a_closest_pair

tasks/kutergin_a_closest_pair/settings.json

@@ -0,0 +1,7 @@
+{
+  "tasks_type": "processes",
+  "tasks": {
+    "mpi": "enabled",
+    "seq": "enabled"
+  }
+}

tasks/kutergin_a_closest_pair/tests/.clang-tidy

@@ -0,0 +1,13 @@
+InheritParentConfig: true
+
+Checks: >
+  -modernize-loop-convert,
+  -cppcoreguidelines-avoid-goto,
+  -cppcoreguidelines-avoid-non-const-global-variables,
+  -misc-use-anonymous-namespace,
+  -modernize-use-std-print,
+  -modernize-type-traits
+
+CheckOptions:
+  - key: readability-function-cognitive-complexity.Threshold
+    value: 50  # Relaxed for tests