在 Compute Engine 中計算 Pi

1. 簡介

感謝您開啟本程式碼研究室！準備好在 Compute Engine 上處理一些數字了嗎？

在本程式碼研究室中，我們將逐步說明如何啟動新的虛擬機器，並執行計算 pi 的程式。

您將建立 Compute Engine 執行個體，然後下載、編譯及執行程式來計算圓周率。您可以透過主控台或指令列建立 Compute Engine 執行個體。本實驗室將逐步說明如何使用指令列工具。

ComputeEngine_128px.png

Compute Engine 提供各種形狀的虛擬機器，例如不同數量的核心、記憶體大小和儲存空間。如有需要，您可以使用超過 100 個核心和數百 GB 記憶體的機器，但在此範例中，我們將啟動預先定義的 2 個 vCPU、8 GB 記憶體虛擬機器。

在本程式碼研究室中，我們將使用 N2 系列機器。這是適用於大多數標準和雲端原生工作負載的一般用途機器系列 VM。N2 系列的每執行緒效能較高，且具備一般用途機器系列的所有彈性。

現在就開始吧！

2. 設定和需求

自修實驗室環境設定

  1. 登入 Google Cloud 控制台，然後建立新專案或重複使用現有專案。如果沒有 Gmail 或 Google Workspace 帳戶，請先建立帳戶。

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  • 專案名稱是這個專案參與者的顯示名稱。這是 Google API 未使用的字元字串。你隨時可以更新該位置資訊。
  • 專案 ID 在所有 Google Cloud 專案中都是不重複的，而且設定後即無法變更。Cloud 控制台會自動產生不重複的字串，通常您不需要在意這個字串。在大多數程式碼研究室中，您需要參照專案 ID (通常會標示為 PROJECT_ID)。如果您不喜歡產生的 ID，可以產生另一個隨機 ID。你也可以嘗試自訂名稱，看看是否可用。完成這個步驟後就無法變更，且專案期間都會維持這個設定。
  • 請注意，部分 API 會使用第三個值，也就是「專案編號」。如要進一步瞭解這三種值，請參閱說明文件。
  1. 接著，您需要在 Cloud 控制台中啟用帳單，才能使用 Cloud 資源/API。完成本程式碼研究室的費用應該不高，甚至完全免費。如要關閉資源，避免產生本教學課程以外的費用，您可以刪除自己建立的資源，或刪除整個專案。Google Cloud 新使用者可參加價值$300 美元的免費試用計畫。

Google Cloud Shell

雖然可以透過筆電遠端操作 Google Cloud 和 Compute Engine，但在本程式碼研究室中，我們將使用 Google Cloud Shell，這是可在雲端執行的指令列環境。

這部以 Debian 為基礎的虛擬機器，搭載各種您需要的開發工具，並提供永久的 5GB 主目錄，而且可在 Google Cloud 運作，大幅提升網路效能並強化驗證功能。也就是說，您只需要瀏覽器 (Chromebook 也可以) 就能完成本程式碼研究室。

  1. 如要從 Cloud 控制台啟用 Cloud Shell，只要按一下「啟用 Cloud Shell」 b125d9eb26a46cc5.png 即可 (佈建並連線至環境的作業需要一些時間才能完成)。

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連至 Cloud Shell 後，您應該會看到驗證已完成，專案也已設為獲派的專案 ID PROJECT_ID。

gcloud auth list

指令輸出

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

gcloud config list project

指令輸出

[core]
project = <PROJECT_ID>

如果專案未設定，請發出下列指令：

gcloud config set project <PROJECT_ID>

在尋找「PROJECT_ID」嗎？請檢查您在設定步驟中使用的 ID，或在 Cloud 控制台資訊主頁中尋找：

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Cloud Shell 也會預設設定部分環境變數，這些變數在您執行後續指令時可能很有用。

echo $GOOGLE_CLOUD_PROJECT

指令輸出

<PROJECT_ID>
  1. 最後，設定預設可用區和專案。
gcloud config set compute/zone us-central1-f

你可以選擇各種不同區域。詳情請參閱「地區和區域」。

3. 建立 Compute Engine 執行個體

首先，我們將使用 gcloud 指令列工具建立虛擬機器。您也可以使用 Console，但命令列更容易重複使用和說明。

首先，請建立名為 pi-codelab 的 n2-standard-2 執行個體，並將作業系統設為 Debian 11。我們也會使用平衡型永久磁碟 (PD) 做為開機磁碟區。平衡型永久磁碟是以固態硬碟 (SSD) 備份，效能與成本兼具。如果你未在「設定和需求條件」部分選取預設區域，系統會詢問要使用哪個區域。

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

指令結果應如下所示：

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

請注意，每次建立新的 VM 時，INTERNAL_IP 和 EXTERNAL_IP 欄位都會變更。

如要進一步瞭解 gcloud compute instances create 指令，請參閱參考頁面。

4. 透過 SSH 登入執行個體

如要透過指令列以 SSH 連線至執行個體，請執行下列指令。

gcloud compute ssh pi-codelab

大功告成！現在您已進入虛擬機器。執行 hostname 指令即可確認目前的主機。

hostname

這項指令會顯示目前殼層環境的主機名稱。

pi-codelab

5. 安裝依附元件

現在我們要安裝編譯程式所需的依附元件，以計算圓周率。

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

這個程序需要幾分鐘才能完成。現在，請檢查您是否擁有可正常運作的 C++ 編譯器。

c++ --version

如果編譯器已正確安裝，這個指令會輸出編譯器的版本資訊。

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. 編譯程式

現在來編譯 C++ 程式，計算圓周率。即使您先前未曾使用 C++ 開發，這項作業也比想像中簡單。上一個步驟已安裝所有必要條件，因此我們只需要擷取並編譯原始碼。

首先，請擷取並儲存原始碼。這個步驟會從 GitHub 下載來源檔案，並以 pi.cc 的名稱儲存至目前目錄。

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

接著，執行 C++ 編譯器來編譯儲存的原始碼。

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

如果編譯成功，編譯器不會輸出任何內容。請確認您擁有可執行檔：

ls pi

如果程式存在，這項 ls 指令應會輸出程式的檔案名稱。

pi

7. 計算 Pi

pi 程式會採用一個引數，也就是要計算的位數。舉例來說，讓我們計算圓周率的前 100 位小數。

./pi 100

程式會在不到一秒內完成，並輸出類似下列內容：

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

最後一行是圓周率的前 100 位小數。恭喜，您剛才讓電腦為您計算數學！

程式可計算更多位數 (目前上限為 1,000 億位數)。現在來計算 1 千萬位數，並測量所需時間。由於圓周率的 1 千萬位數太長，無法在指令列控制台中查看，因此我們會將輸出內容重新導向至檔案。

time ./pi 10000000 > pi10m.txt

程式會輸出類似下列內容：

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

這次不會包含數字，因為這些數字已儲存在 pi10m.txt 檔案中。最後三行說明程式的執行時間和 CPU 使用量。

  • 實際時間：從開始到結束的實際時間，也就是說，在上述範例中，計算 1 千萬位數的圓周率花了 9.7 秒。
  • 使用者：使用的 CPU 時間量，大於「實際」時間，因為機器有兩個 CPU 核心，每個核心都會計入總數。
  • sys：作業系統執行程式處理系統工作 (例如網路和 I/O) 所需的時間。這次大約花了 0.4 秒，這主要是將結果寫入磁碟的時間。

我們可以查看 pi10m.txt，看看前 100 位和後 100 位數字。

先檢查前幾位數。這個指令會輸出前 100 個十進位數 (以及前 3 個和十進位數)。

head -c 102 pi10m.txt

結果應如下所示。

3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078164062862089986280348253421170679

下一個指令會輸出最後 100 個十進位數。

tail -c 100 pi10m.txt

結果應如下所示。

610515549257985759204553246894468742702504639790565326553194060999469787333810631719481735348955897

8. 清除叢集

別忘了關閉 Compute Engine 執行個體，否則執行個體會持續運作並產生費用。

如果您位於 VM 上 (透過 SSH 連線)，請先執行 exit 指令登出。

exit

然後執行下列 gcloud compute instances delete 指令，刪除執行個體和相關聯的磁碟。系統會要求您確認是否要刪除資源。

gcloud compute instances delete pi-codelab

9. 接下來要做什麼？

恭喜！您已完成本 Compute Engine 程式碼研究室，並計算出圓周率的 1 千萬位數！

我們在 2022 年使用相同的基礎架構，計算出圓周率的 100 兆個位數。請參閱公告，瞭解我們如何達成這項目標。如要查看完整結果，請前往 pi.delivery 示範網站。

歡迎前往 Google Cloud 網誌，隨時掌握 Compute 和 高效能運算的最新消息！

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