1.7 单边通信
在点对点通信和聚合通信方式中，发送进程和接收进程共同参与通信过程。MPI提供另外一种通信方式，即单边通信方式。在单边通信方式中，单个进程便可指定发送和接收的数据。单边通信主要用于ARMCI/GA（见第5章）、UPC（见第4章）和OpenSHMEM（见第3章）等函数库中，单边通信也可称之为远程内存访问（RMA）。
单边通信模型主要分为三部分。第一部分是创建MPI_Win窗口对象，用于可被其他进程访问的内存区域。第二部分是进程间数据移动方式，包含从远程进程上读、写、更新等数据移动方式。第三部分是实现对单边通信完成情况进行等待或者检查等操作。单边通信模型中每一部分均有唯一的MPI格式。
MPI提供四种创建内存访问窗口方法，从而针对不同的应用需求。MPI_Win_create、MPI_Win_allocate和MPI_Win_allocate_shared三种函数为聚合方式，用于指定可被其他进程读取和写入的内存区域。MPI_Win_create_dynamic函数允许单独进程对其内存空间进行申请和释放。
单边通信函数类型比较简单，分为读、写、更新三种。最简单的单边通信函数是通过MPI_Put函数向远端进程写入数据（MPI-2 RMA中唯一定义的原始单边通信函数），通过MPI_Get函数从远端进程读取数据，以及通过MPI_Accumulate函数利用MPI预定义的归约操作对远端进程中的数据进行更新。MPI-3对这三种单边通信函数进行了完善，增加了非阻塞式单边通信方式，从而为用户提供更加灵活的MPI实现方式。
由于MPI提供非阻塞式单边通信方式，因此需要提供额外的函数检查或者等待非阻塞式通信操作。MPI提供三种方式完成非阻塞式单边通信。最简单的方式为调用MPI_Win_fence函数，该函数属于组调用方式，在一对MPI_Win_fence调用函数间完成进程间数据通信操作。当MPI_Win_fence函数完成调用后，所有的单边通信操作均已完成，例如数据缓冲区中的数据已被更改，本地进程中内存数据已完成定义的数据操作，可被本地进程自由访问或更改。读者可以通过查询MPI手册来获取更多关于单边通信方式的介绍。在一定程度上，MPI_Win_fence脱离了远程内存访问（RMA）操作要求，遵循MPI RMA数据访问规范。
图1-8所示的程序代码是采用单边通信方式实现图1-7中MPI_Reduce操作。注意图1-8所示的程序并非对图1-7中程序的完整替换，只是用来介绍单边通信方式。通过使用单边通信方式，可异步更新进程中数据，甚至一个进程可以多次更新数据，但是该实现方式有潜在的并行规模可扩展性问题。
MPI提供的第二种单边通信完成方式相对于MPI_Win_fence方式更加通用，称之为可扩展规模的同步方式，例如MPI_Win_post、MPI_Win_start、MPI_Win_complete和MPI_Win_wait函数。首先，通过这些函数指定MPI数据窗口、单边通信的源进程和目标进程。因为这些函数不需要在通信域的所有进程上使用阻塞式同步方式，因此并行规模是可扩展的。无论是MPI_Win_fence同步方式，还是MPI_Win_post等可扩展规模的同步方式，均需要在源进程和目标进程上采用同步操作，因为这两种方法均为主动目标同步方式。
MPI提供的第三种单边通信完成方式只需通过源进程进行函数调用即可，称之为被动目标同步，如图1-9程序示例所示。其中，0号进程在while循环中不执行任何MPI函数。通过调用MPI_Win_lock和MPI_Win_unlock函数确保完成源进程和目标进程上数据的MPI RMA操作。MPI_Win_lockall和MPI_Win_unlockall函数允许一个进程在内存窗口中对其他所有进程上的数据执行RMA操作。同时，MPI_Win_flush函数也可用于被动目标同步，实现对目标进程的RMA操作。MPI也提供返回MPI_Request对象的读、写、更新三种类型的操作函数。用户可使用MPI_Test或MPI_Wait函数检查本地操作完成情况，无需等待下一个RMA同步调用操作。
以下细节需要注意，0号进程在访问MPI窗口中本地数据前也需要调用MPI_Win_lock函数。通过调用MPI_Win_lock函数，确保所有在目标进程上挂起的内存操作均被执行。这是共享和远程内存访问编程模型中需要格外注意的细节，且经常被编程者误解的地方（详见[45]使用共享内存模型编程的常见错误示例）。MPI定义的内存模型可确保用户得到连续和正确的数据，即使在无法实现高速缓存一致性的计算机系统上也可正常工作。在MPI-2定义出现的时期，世界上最快的计算机系统支持高速缓存一致性，但未来的高性能计算系统可能不完全支持高速缓存一致性。MPI既提供满足单边通信的内存准确性最低要求的基本函数外，还提供要求更加严格的函数，从而保证MPI程序能够在大多数计算机系统上运行。MPI-3在现有内存访问模型的基础上，增加了“统一内存模型”，现在称之为“分布式内存模型”。用户可通过MPI_Win_get_attr函数得知计算机系统是否支持“统一内存模型”，若系统支持该模型，则通过使用该模型将极大简化内存一致性方面操作。
MPI-3在MPI-2的基础上，极大地丰富了单边通信的操作函数，解决MPI-2函数中存在的问题，使MPI RMA的应用更加广泛，并提高单边通信的可移植性和性能。例如，MPI-3提供支持在许多并行算法中常用的原子读、写和修改操作，例如MPI_Fetch_and_op函数实现读取和增加功能，MPI_Compare_and_swap实现比较和交换功能。同时，MPI-3能够创建共享内存窗口，在RMA操作基础上增加了内存直接存储访问功能。如果用户需要使用RMA 编程，建议了解MPI-3中增加的新特性。
