在 Compute Engine 上计算 Pi

1. 简介

感谢您打开此 Codelab！准备好在 Compute Engine 上处理一些数据了吗？

在此 Codelab 中，我们将逐步介绍如何启动新的虚拟机并运行程序来计算 pi。

您将创建一个 Compute Engine 实例，然后下载、编译并运行一个用于计算 Pi 的程序。您可以通过控制台或命令行创建 Compute Engine 实例。本实验将引导您使用命令行工具。

ComputeEngine_128px.png

Compute Engine 提供以各种配置运行的虚拟机，例如不同的核心数、内存大小和存储空间。如有必要，您可以使用具有 100 多个核心和数百 GB 内存的机器，但在此示例中，我们将启动预定义的 2 个 vCPU、8 GB 内存虚拟机。

在此 Codelab 中，我们将使用 N2 机器系列。它是一种通用机器系列虚拟机，适用于大多数标准工作负载和云原生工作负载。N2 系列具有更高的每线程性能，同时还能受益于通用机器系列提供的所有灵活性。

现在，让我们开始吧！

2. 设置和要求

自定进度的环境设置

  1. 登录 Google Cloud 控制台，然后创建一个新项目或重复使用现有项目。如果您还没有 Gmail 或 Google Workspace 账号，则必须创建一个。

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  • 项目名称是此项目参与者的显示名称。它是 Google API 尚未使用的字符串。您可以随时更新。
  • 项目 ID 在所有 Google Cloud 项目中是唯一的，并且是不可变的（一经设置便无法更改）。Cloud 控制台会自动生成一个唯一字符串；通常情况下，您无需关注该字符串。在大多数 Codelab 中，您都需要引用项目 ID（通常用 PROJECT_ID 标识）。如果您不喜欢生成的 ID，可以再随机生成一个 ID。或者，您也可以尝试自己的项目 ID，看看是否可用。完成此步骤后便无法更改该 ID，并且此 ID 在项目期间会一直保留。
  • 此外，还有第三个值，即部分 API 使用的项目编号，供您参考。如需详细了解所有这三个值，请参阅文档。
  1. 接下来，您需要在 Cloud 控制台中启用结算功能，以便使用 Cloud 资源/API。运行此 Codelab 应该不会产生太多的费用（如果有费用的话）。若要关闭资源以避免产生超出本教程范围的结算费用，您可以删除自己创建的资源或删除整个项目。Google Cloud 的新用户符合参与 $300 USD 免费试用计划的条件。

Google Cloud Shell

虽然 Google Cloud 和 Compute Engine 可以从笔记本电脑远程操作，但在此 Codelab 中，我们将使用 Google Cloud Shell，这是一个在云端运行的命令行环境。

基于 Debian 的这个虚拟机已加载了您需要的所有开发工具。它提供了一个持久的 5GB 主目录，并且在 Google Cloud 中运行，大大增强了网络性能和身份验证。这意味着在本 Codelab 中，您只需要一个浏览器（没错，它适用于 Chromebook）。

  1. 如需从 Cloud Console 激活 Cloud Shell，只需点击激活 Cloud Shellb125d9eb26a46cc5.png（预配和连接到环境仅需花费一些时间）。

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Screen Shot 2017-06-14 at 10.13.43 PM.png

在连接到 Cloud Shell 后，您应该会看到自己已通过身份验证，并且相关项目已设置为您的 PROJECT_ID。

gcloud auth list

命令输出

Credentialed accounts:
 - <myaccount>@<mydomain>.com (active)

gcloud config list project

命令输出

[core]
project = <PROJECT_ID>

如果出于某种原因未设置项目，只需发出以下命令即可：

gcloud config set project <PROJECT_ID>

正在查找您的 PROJECT_ID？检查您在设置步骤中使用的 ID，或在 Cloud Console 信息中心查找该 ID：

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默认情况下，Cloud Shell 还会设置一些环境变量，这对您日后运行命令可能会很有用。

echo $GOOGLE_CLOUD_PROJECT

命令输出

<PROJECT_ID>
  1. 最后，设置默认可用区和项目配置。
gcloud config set compute/zone us-central1-f

您可以选择各种不同的可用区。如需了解详情，请参阅区域和可用区。

3. 创建 Compute Engine 实例

首先，我们将使用 gcloud 命令行工具创建虚拟机。如果您愿意，也可以使用控制台，但命令行更易于重复使用和说明。

我们先创建一个名为 pi-codelab 的 n2-standard-2 实例，并将操作系统设置为 Debian 11。我们还将使用平衡永久性磁盘 (PD) 作为启动卷。平衡永久性磁盘由固态硬盘 (SSD) 提供支持，可在性能和费用之间取得平衡。如果您未在“设置和要求”部分中选择默认可用区，系统会询问您要使用哪个可用区。

gcloud compute instances create pi-codelab \
--machine-type=n2-standard-2 \
--image-project=debian-cloud \
--image-family=debian-11 \
--boot-disk-type=pd-balanced

命令的结果应如下所示：

Created [https://www.googleapis.com/compute/v1/projects/xxx/zones/us-central1-f/instances/pi-codelab].
NAME: pi-codelab
ZONE: us-central1-f
MACHINE_TYPE: n2-standard-2
PREEMPTIBLE:
INTERNAL_IP: 10.128.X.XX
EXTERNAL_IP: XX.XX.XX.XX
STATUS: RUNNING

请注意，每次创建新虚拟机时，INTERNAL_IP 和 EXTERNAL_IP 字段都会发生变化。

如果您想详细了解 gcloud compute instances create 命令，请访问参考页面。

4. 通过 SSH 连接到实例

如需通过 SSH 从命令行登录到实例，请运行以下命令。

gcloud compute ssh pi-codelab

大功告成！现在，您已进入虚拟机。您可以运行 hostname 命令来确认当前主机。

hostname

该命令将显示当前 shell 环境的主机名。

pi-codelab

5. 安装依赖项

现在，我们将安装编译程序以计算 pi 所需的依赖项。

sudo apt update
sudo apt -y install build-essential libgmp-dev libmpfr-dev libfmt-dev

此过程需要几分钟才能完成。现在，我们来检查一下您是否拥有可正常运行的 C++ 编译器。

c++ --version

如果正确安装了编译器，此命令将输出编译器的版本信息。

c++ (Debian 10.2.1-6) 10.2.1 20210110
Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

6. 编译程序

现在，我们来编译 C++ 程序以计算 pi。即使您之前没有使用 C++ 进行过开发，这也会比您想象的简单。上一步中已安装所有前提条件，因此我们只需提取并编译源代码。

首先，提取并保存源代码。此步骤会从 GitHub 下载一个源文件，并将其另存为当前目录中的 pi.cc。

curl -OL https://raw.githubusercontent.com/GoogleCloudPlatform/pi-delivery/main/codelab/pi.cc

接下来，运行 C++ 编译器以编译已保存的源代码。

c++ -opi pi.cc -std=c++17 -O3 -march=native -lgmp -lmpfr -lpthread -lfmt

如果编译成功，编译器不会输出任何内容。我们来检查一下您是否拥有可执行文件：

ls pi

如果该程序存在，此 ls 命令应输出该程序的文件名。

pi

7. 计算 Pi

pi 程序接受一个实参，即要计算的位数。例如，我们来计算一下圆周率的前 100 位小数。

./pi 100

程序将在不到一秒的时间内完成，并输出如下内容：

Calculating 100 digits of pi...
Internal precision = 348 bits
Number of terms = 9, digits per term = 14.181647462725477
Summation series complete. Final steps...
3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078164062862089986280348253421170679

最后一行是圆周率的前 100 位小数。恭喜，您刚刚让计算机为您计算了数学题！

该程序可以计算更多位数（目前上限为 1,000 亿位）。现在，我们来计算 1,000 万位数字，并测量所需的时间。我们将输出重定向到一个文件，因为 1000 万位圆周率在命令行控制台中查看有点太长了。

time ./pi 10000000 > pi10m.txt

程序会输出类似如下内容：

Calculating 10000000 digits of pi...
Internal precision = 33219296 bits
Number of terms = 705138, digits per term = 14.181647462725477
Summation series complete. Final steps...

real    0m9.702s
user    0m14.839s
sys     0m0.364s

这次不包含数字，因为它们已保存在文件 pi10m.txt 中。最后三行描述了程序运行所花费的时间以及使用的 CPU 量。

  • 实际时间：从开始到结束的实际时间，这意味着在上面的示例中，计算 1, 000 万位圆周率用了 9.7 秒。
  • 用户：使用的 CPU 时间，该时间大于“实际”时间，因为机器有 2 个 CPU 核心，每个核心都会计入总时间。
  • sys：操作系统运行程序以处理网络和 I/O 等系统任务所需的时间。这次大约用了 0.4 秒，其中大部分时间用于将结果写入磁盘。

我们可以查看 pi10m.txt，看看前 100 位和后 100 位数字。

我们先检查一下前几位数字。此命令会输出前 100 个小数位（以及前 3 个整数位和小数点）。

head -c 102 pi10m.txt

结果应如下所示。

3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078164062862089986280348253421170679

下一个命令会输出最后 100 位小数。

tail -c 100 pi10m.txt

结果应如下所示。

610515549257985759204553246894468742702504639790565326553194060999469787333810631719481735348955897

8. 清理集群

别忘了关闭 Compute Engine 实例，否则它会继续运行并产生费用。

如果您位于虚拟机上（已通过 SSH 连接），请先运行 exit 命令以退出。

exit

然后，运行以下 gcloud compute instances delete 命令以删除实例和关联的磁盘。系统会要求您确认是否要删除资源。

gcloud compute instances delete pi-codelab

9. 接下来做什么？

恭喜，您已完成此 Compute Engine Codelab，并计算了圆周率的 1, 000 万位数字！

我们于 2022 年使用同一基础架构计算了圆周率的 100 万亿位。请阅读通知，了解我们的做法。您可以在我们的 pi.delivery 演示网站上查看完整的结果。

请访问 Google Cloud 博客，及时了解有关计算和高性能计算的最新资讯！

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Compute Engine 具有丰富的功能。您可能需要深入了解以下内容：

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