Rust高性能并行计算库openmp-sys的使用，支持多线程加速与OpenMP接口绑定

介绍

openmp-sys crate允许在Rust程序中使用依赖OpenMP的C代码。它让Cargo链接到OpenMP，这样与Rust程序链接的C静态库就可以使用OpenMP。

注意：它不能用于纯Rust程序（对于Rust来说Rayon是更好的选择）。

要求

• Rust 1.45或更高版本
• OpenMP库和头文件
  • 在cc -print-search-dirs打印的目录中，或
  • 在macOS上由libomp提供，或
  • 在Windows上使用MSVC的vcomp.dll等，或
  • 在编译时指定路径：

    LIBRARY_PATH="<path containing libomp.{so|dylib|lib|a}>:<other library paths>"
    CFLAGS="-I<path containing omp.h> <other C flags>"
    

• 为与Rust程序链接的任何C代码设置OpenMP启用标志

使用

1. 添加Rust依赖

添加openmp-sys作为运行时依赖（例如cargo install cargo-edit; cargo add openmp-sys），然后在lib.rs中添加：

extern crate openmp_sys;

即使在Rust 2018中也需要这样做，因为如果源代码中没有提到openmp_sys，它将不会被链接。

2. 配置C编译器

被链接的C代码必须使用OpenMP启用标志进行编译。如果你将openmp-sys也作为开发依赖添加，它会为你的build.rs脚本设置DEP_OPENMP_FLAG环境变量，包含适当的标志（有时是多个标志），如-fopenmp或/openmp，具体取决于目标编译器。如果你使用cc crate编译C代码，可以这样设置标志：

let mut cc_build = cc::Build::new();
env::var("DEP_OPENMP_FLAG").unwrap().split(" ").for_each(|f| { cc_build.flag(f); });

挑剔的链接器

openmp-sys crate会自动告诉Cargo根据需要链接lib(g)omp。然而，一些链接器对库指定的顺序非常挑剔，自动方法可能不够。

如果遇到关于缺少libgomp.so的链接器错误，尝试在告诉Cargo链接你的C代码后再次链接它。这个库在DEP_OPENMP_CARGO_LINK_INSTRUCTIONS变量中提供了Cargo指令：

cc_build.compile("libexample.a");

if let Some(link) = env::var_os("DEP_OPENMP_CARGO_LINK_INSTRUCTIONS") {
    for i in env::split_paths(&link) {
        println!("cargo:{}", i.display());
    }
}

静态链接

可选地，你可以启用static功能或设置OPENMP_STATIC=1环境变量来静态链接OpenMP，这样使用它的可执行文件可以在没有安装编译器的机器上使用。

[dependencies.openmp-sys]
features = ["static"]
version = "1.2"

自定义CC

可以在构建时使用CC环境变量指定另一个C编译器。然而，Cargo在链接时仍然会默认使用cc，而不管编译时选择的是什么。如果需要，可以设置CARGO_TARGET_<triple>_LINKER或~/.cargo/config中的相应项来覆盖这一点。

macOS

在macOS上，支持Apple Clang和原始Clang，前提是libomp可用（如上述要求中提到的）。使用GCC时不需要这样做，因为它自带libgomp。如果你的程序需要GCC，只需执行CC=<gcc exe name> cargo build。

在macOS上推荐静态链接。

完整示例

下面是一个更完整的示例，展示如何在Rust项目中使用openmp-sys：

1. 首先创建项目结构：

my_project/
├── Cargo.toml
├── build.rs
├── src/
│   ├── main.rs
│   └── c_code/
│       └── parallel.c

1. Cargo.toml内容：

[package]
name = "my_project"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]
openmp-sys = { version = "1.2", features = ["static"] }

[build-dependencies]
cc = "1.0"

1. build.rs内容：

fn main() {
    let mut build = cc::Build::new();
    
    // 设置OpenMP标志
    if let Ok(flags) = std::env::var("DEP_OPENMP_FLAG") {
        for flag in flags.split(' ') {
            build.flag(flag);
        }
    }
    
    // 编译C代码
    build.file("src/c_code/parallel.c")
         .compile("parallel");
    
    // 处理挑剔的链接器
    if let Some(link) = std::env::var_os("DEP_OPENMP_CARGO_LINK_INSTRUCTIONS") {
        for instruction in std::env::split_paths(&link) {
            println!("cargo:{}", instruction.display());
        }
    }
}

1. src/c_code/parallel.c内容：

#include <omp.h>
#include <stdio.h>

void parallel_add(double* a, double* b, double* result, int size) {
    #pragma omp parallel for
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

1. src/main.rs内容：

extern crate openmp_sys;

use std::os::raw::c_int;

// 声明外部C函数
extern "C" {
    fn parallel_add(a: *const f64, b: *const f64, result: *mut f64, size: c_int);
}

fn main() {
    const SIZE: usize = 1000;
    let a: Vec<f64> = vec![1.0; SIZE];
    let b: Vec<f64> = vec![2.0; SIZE];
    let mut result = vec![0.0; SIZE];
    
    unsafe {
        parallel_add(a.as_ptr(), b.as_ptr(), result.as_mut_ptr(), SIZE as c_int);
    }
    
    // 检查结果
    println!("First 5 results:");
    for i in 0..5 {
        println!("{} + {} = {}", a[i], b[i], result[i]);
    }
}

这个完整示例展示了如何：

1. 设置Cargo.toml依赖
2. 配置build.rs编译OpenMP C代码
3. 编写使用OpenMP的C函数
4. 在Rust中调用这些函数
5. 处理多线程并行计算

注意：运行前请确保系统已安装OpenMP开发环境。