使用mpi并行技术实现快排Qsort（）

news2024/7/6 21:01:45

快排基本原理：

快速排序可以说是最为常见的排序算法，冒泡排序时间复杂度达到了O（N2），而桶排序容易造成浪费空间。快排（Quicksort）就成为了不错的选择。

1、原理：快排需要找一个数作为基准数，用来参照。（可取第一个数为参照）

基准数在中间某位置，两端有指针，找到相应数后，交换。

注意：若令第一个数为基准数，先从右往左找，再从左往右找。

2、优点：平均时间复杂度O（NlogN)，相比冒泡排序每次交换可以是跳跃式的

排序过程：

代码实现：

#include<mpi.h>
#include<time.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int Partition(int* data, int start, int end)   //划分数据
{
    int temp = data[start];   //以第一个元素为基准
    while (start < end) {
        while (start < end && data[end] >= temp)end--;   //找到第一个比基准小的数
        data[start] = data[end];
        while (start < end && data[start] <= temp)start++;    //找到第一个比基准大的数
        data[end] = data[start];
    }
    data[start] = temp;   //以基准作为分界线
    return start;
}

void QuickSort(int* data, int start, int end)  //串行快排
{
    if (start < end) {    //未划分完
        int r = Partition(data, start, end);   //继续划分，进行递归排序
        QuickSort(data, start, r - 1);
        QuickSort(data, r + 1, end);
    }
}

//求2的n次方
int exp2(int n)
{
    int i = 1;
    while (n-- > 0) i *= 2;
    return i;
}

//求以2为底n的对数，向下取整
int log2(int n)
{
    int i = 1, j = 2;
    while (j < n) {
        j *= 2;
        i++;
    }
    return i;
}

void paraQuickSort(int* data, int start, int end, int m, int id, int nowID, int N)
{
    int i, j, r = end, length = -1;  //r表示划分后数据前部分的末元素下标，length表示后部分数据的长度
    int* t;
    MPI_Status status;
    if (m == 0) {   //无进程可以调用
        if (nowID == id) QuickSort(data, start, end);
        return;
    }
    if (nowID == id) {    //当前进程是负责分发的
        while (id + exp2(m - 1) > N && m > 0) m--;   //寻找未分配数据的可用进程
        if (id + exp2(m - 1) < N) {  //还有未接收数据的进程，则划分数据
            r = Partition(data, start, end);
            length = end - r;
            MPI_Send(&length, 1, MPI_INT, id + exp2(m - 1), nowID, MPI_COMM_WORLD);
            if (length > 0)   //id进程将后部分数据发送给id+2^(m-1)进程
                MPI_Send(data + r + 1, length, MPI_INT, id + exp2(m - 1), nowID, MPI_COMM_WORLD);
        }
    }
    if (nowID == id + exp2(m - 1)) {    //当前进程是负责接收的
        MPI_Recv(&length, 1, MPI_INT, id, id, MPI_COMM_WORLD, &status);
        if (length > 0) {   //id+2^(m-1)进程从id进程接收后部分数据
            t = (int*)malloc(length * sizeof(int));
            if (t == 0) printf("Malloc memory error!");
            MPI_Recv(t, length, MPI_INT, id, id, MPI_COMM_WORLD, &status);
        }
    }
    j = r - 1 - start;
    MPI_Bcast(&j, 1, MPI_INT, id, MPI_COMM_WORLD);
    if (j > 0)     //负责分发的进程的数据不为空
        paraQuickSort(data, start, r - 1, m - 1, id, nowID, N);   //递归调用快排函数，对前部分数据进行排序
    j = length;
    MPI_Bcast(&j, 1, MPI_INT, id, MPI_COMM_WORLD);
    if (j > 0)     //负责接收的进程的数据不为空
        paraQuickSort(t, 0, length - 1, m - 1, id + exp2(m - 1), nowID, N);   //递归调用快排函数，对前部分数据进行排序
    if ((nowID == id + exp2(m - 1)) && (length > 0))     //id+2^(m-1)进程发送结果给id进程
        MPI_Send(t, length, MPI_INT, id, id + exp2(m - 1), MPI_COMM_WORLD);
    if ((nowID == id) && id + exp2(m - 1) < N && (length > 0))     //id进程接收id+2^(m-1)进程发送的结果
        MPI_Recv(data + r + 1, length, MPI_INT, id + exp2(m - 1), id + exp2(m - 1), MPI_COMM_WORLD, &status);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int* data;
    int rank, size;
    int i, j, m, r, n = atoi(argv[1]);   //随机数组的长度
    double start_time, end_time;
    MPI_Status status;
    MPI_Init(&argc, &argv);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);  //当前进程的进程号
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);  //总进程数
    if (rank == 0) {   //根进程生成随机数组
        start_time = MPI_Wtime();
        data = (int*)malloc(n * sizeof(int));
        srand(time(NULL) + rand());   //随机数种子
        for (i = 0; i < n; i++)
            data[i] = (int)rand();   //获取n个随机整数
    }
    m = log2(size);  //第一次分发需要给第2^(m-1)个进程
    
    MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);  //广播n
    paraQuickSort(data, 0, n - 1, m, 0, rank, size);  //执行快排
    

    if (rank == 0) {   //根进程输出并行时间
        end_time = MPI_Wtime();
        for (i = 0; i < 10 && i<n; i++)//输出前十个元素
           printf("%d ", data[i]);
        printf("\n并行时间：%lfs\n", end_time - start_time);
    }
    
    MPI_Finalize();
}

运行结果：

Mpi快排结果：