CUDA 编程基础

1. GPU与CPU并行计算框架

GPU并不是一个独立运行的计算平台，而需要与CPU协同工作，可以看成是CPU的协处理器，因此当我们在说GPU并行计算时，其实是指的基于CPU+GPU的异构计算架构。在异构计算架构中，GPU与CPU通过PCIe总线连接在一起来协同工作，CPU所在位置称为为主机端（host），而GPU所在位置称为设备端（device），如下图所示。
GPU包括更多的运算核心，其特别适合数据并行的计算密集型任务，如大型矩阵运算，而CPU的运算核心较少，但是其可以实现复杂的逻辑运算，因此其适合控制密集型任务。另外，CPU上的线程是重量级的，上下文切换开销大，但是GPU由于存在很多核心，其线程是轻量级的。因此，基于CPU+GPU的异构计算平台可以优势互补，CPU负责处理逻辑复杂的串行程序，而GPU重点处理数据密集型的并行计算程序，从而发挥最大功效。

CUDA是NVIDIA公司所开发的GPU编程模型，它提供了GPU编程的简易接口，基于CUDA编程可以构建基于GPU计算的应用程序。CUDA提供了对其它编程语言的支持，如C/C++，Python，Fortran等语言。
CUDA编译器：nvcc
CUDA调试器：nvcc-gdb
CUDA性能分析：nsight

2. CUDA编程模型

host指代CPU及其内存，包含host程序。
device指代GPU及其内存，包含device程序。
host与device之间可以进行通信，这样它们之间可以进行数据拷贝。

经典CUDA程序的执行流程如下：

1. 分配host内存，并进行数据初始化；
2. 分配device内存，并从host将数据拷贝到device上；
3. 调用CUDA的核函数在device上完成指定的运算；
4. 将device上的运算结果拷贝到host上；
5. 释放device和host上分配的内存。

·kernel在device上执行时实际上是启动很多线程，一个kernel所启动的所有线程称为一个网格grid，同一个网格上的线程共享相同的全局内存空间，grid是线程结构的第一层次，而网格又可以分为很多线程块block，一个线程块里面包含很多线程，这是第二个层次。
核函数声明：
·核函数用__global__符号声明

__global__ 返回值类型 核函数名(形参列表){
	...
}

核函数调用：

·在调用时需要用<<>>来指定kernel要执行的线程数量，grid是网格块数，block是每块的线程数。grid和block都是定义为dim3类型的变量，dim3可以看成是包含三个无符号整数（x，y，z）成员的结构体变量，在定义时，xyz的缺省值初始化为1。 因此grid和block可以灵活地定义为1-dim，2-dim以及3-dim结构。

dim3 grid(3, 2);//一个grid包含6个block
dim3 block(5, 3);//每个block包含15个线程
核函数名<<<grid,block>>>(实参列表)

线程ID：
·在CUDA中，每一个线程都要执行核函数，并且每个线程会分配一个唯一的线程号thread ID，这个ID值可以通过核函数的内置变量threadIdx来获得。
因此一个线程需要两个内置的坐标变量（blockIdx，threadIdx）来唯一标识，它们都是dim3类型变量，其中blockIdx指明线程所在grid中的位置，而threaIdx指明线程所在block中的位置。
如上图中Thread(1,1)标识如下：

threadIdx.x = 1
threadIdx.y = 1
blockIdx.x = 1
blockIdx.y = 1

一个线程块上的线程是放在同一个流式多处理器（SM)上的，现代GPUs的线程块可支持的线程数可达1024个。
要知道一个线程在blcok中的全局ID，此时就必须还要知道block的组织结构，这是通过线程的内置变量blockDim来获得，它获取线程块各个维度的大小。另外线程还有内置变量gridDim，用于获得网格块各个维度的大小。
·grid的内置变量：x,y,z,gridDim
·block的内置变量：x,y,z,blockDim

host和device函数区分：
由于GPU实际上是异构模型，区别host和device上的函数，主要的三个函数类型限定词如下：

__global__：在device上执行，从host中调用（一些特定的GPU也可以从device上调用），返回类型必须是void，不支持可变参数参数，不能成为类成员函数。注意用__global__定义的kernel是异步的，这意味着host不会等待kernel执行完就执行下一步。
__device__：在device上执行，单仅可以从device中调用，不可以和__global__同时用。
__host__：在host上执行，仅可以从host上调用，一般省略不写，不可以和__global__同时用，但可和__device__，此时函数会在device和host都编译。

内存模型
CUDA的内存模型：每个线程有自己的私有本地内存（Local Memory），而每个线程块有包含共享内存（Shared Memory）,可以被线程块中所有线程共享，其生命周期与线程块一致。此外，所有的线程都可以访问全局内存（Global Memory）。还可以访问一些只读内存块：常量内存（Constant Memory）和纹理内存（Texture Memory）。内存结构涉及到程序优化，这里不深入探讨。硬件基础

GPU硬件的一个核心组件是SM，前面已经说过，SM是英文名是 Streaming Multiprocessor，翻译过来就是流式多处理器。SM的核心组件包括CUDA核心，共享内存，寄存器等，SM可以并发地执行数百个线程，并发能力就取决于SM所拥有的资源数。当一个kernel被执行时，它的gird中的线程块被分配到SM上，一个线程块只能在一个SM上被调度。SM一般可以调度多个线程块，这要看SM本身的能力。那么有可能一个kernel的各个线程块被分配多个SM，所以grid只是逻辑层，而SM才是执行的物理层。SM采用的是SIMT (Single-Instruction, Multiple-Thread，单指令多线程)架构，基本的执行单元是线程束（warps)，线程束包含32个线程，这些线程同时执行相同的指令，但是每个线程都包含自己的指令地址计数器和寄存器状态，也有自己独立的执行路径。所以尽管线程束中的线程同时从同一程序地址执行，但是可能具有不同的行为，比如遇到了分支结构，一些线程可能进入这个分支，但是另外一些有可能不执行，它们只能死等，因为GPU规定线程束中所有线程在同一周期执行相同的指令，线程束分化会导致性能下降。当线程块被划分到某个SM上时，它将进一步划分为多个线程束，因为这才是SM的基本执行单元，但是一个SM同时并发的线程束数是有限的。这是因为资源限制，SM要为每个线程块分配共享内存，而也要为每个线程束中的线程分配独立的寄存器。所以SM的配置会影响其所支持的线程块和线程束并发数量。总之，就是网格和线程块只是逻辑划分，一个kernel的所有线程其实在物理层是不一定同时并发的。所以kernel的grid和block的配置不同，性能会出现差异，这点是要特别注意的。还有，由于SM的基本执行单元是包含32个线程的线程束，所以block大小一般要设置为32的倍数。

在进行CUDA编程前，可以先检查一下自己的GPU的硬件配置，这样才可以有的放矢，可以通过下面的程序获得GPU的配置属性：

#include 
using namespace std;
 
__global__ void helloFromGPU ()
{
        printf("Hello, world! from GPU!\n");
}
 
int main()
{
        cudaDeviceReset();
        int dev = 0;
        cudaDeviceProp devProp;
        cudaGetDeviceProperties(&devProp, dev);
        std::cout << "使用GPU device " << dev << ": " << devProp.name << std::endl;
        std::cout << "SM的数量：" << devProp.multiProcessorCount << std::endl;
        std::cout << "每个线程块的共享内存大小：" << devProp.sharedMemPerBlock / 1024.0 << " KB" << std::endl;
        std::cout << "每个线程块的最大线程数：" << devProp.maxThreadsPerBlock << std::endl;
        std::cout << "每个EM的最大线程数：" << devProp.maxThreadsPerMultiProcessor << std::endl;
        std::cout << "每个SM的最大线程束数：" << devProp.maxThreadsPerMultiProcessor / 32 << std::endl;
        return 0;
}

    	// 输出如下
    	使用GPU device 0: NVIDIA GeForce GTX 1650
		SM的数量：16
		每个线程块的共享内存大小：48 KB
		每个线程块的最大线程数：1024
		每个EM的最大线程数：1024
		每个SM的最大线程束数：32

3 CUDA程序

kernel的这种线程组织结构天然适合vector,matrix等运算

1-dim结构实现两个向量的加法，每个线程负责处理每个位置的两个元素相加，代码如下所示。线程块大小为(256,1,1)，然后将长度n的向量均分为不同的线程块来执行加法运算。

CUDA实现向量并行加法：

#include 
#include 

#include "aux.h"

typedef float FLOAT;

/* host, add */
void vec_add_host(FLOAT *x, FLOAT *y, FLOAT *z, int N);

/* device function */
__global__ void vec_add(FLOAT *x, FLOAT *y, FLOAT *z, int N)
{
    /* 1D block */
    int idx = get_tid();

    if (idx < N) z[idx] = z[idx] + y[idx] + x[idx];
}

void vec_add_host(FLOAT *x, FLOAT *y, FLOAT *z, int N)
{
    int i;

    for (i = 0; i < N; i++) z[i] = z[i] + y[i] + x[i];
}

int main()
{
    int N = 20000000;
    int nbytes = N * sizeof(FLOAT);

    /* 1D block */
    int bs = 256;

    /* 2D grid */
    int s = ceil(sqrt((N + bs - 1.) / bs));
    dim3 grid = dim3(s, s);

    FLOAT *dx = NULL, *hx = NULL;
    FLOAT *dy = NULL, *hy = NULL;
    FLOAT *dz = NULL, *hz = NULL;

    int itr = 30;
    int i;
    double th, td;

    /* allocate GPU mem */
    cudaMalloc((void **)&dx, nbytes);
    cudaMalloc((void **)&dy, nbytes);
    cudaMalloc((void **)&dz, nbytes);

    if (dx == NULL || dy == NULL || dz == NULL) {
        printf("couldn't allocate GPU memory\n");
        return -1;
    }

    printf("allocated %.2f MB on GPU\n", nbytes / (1024.f * 1024.f));

    /* alllocate CPU mem */
    hx = (FLOAT *) malloc(nbytes);
    hy = (FLOAT *) malloc(nbytes);
    hz = (FLOAT *) malloc(nbytes);

    if (hx == NULL || hy == NULL || hz == NULL) {
        printf("couldn't allocate CPU memory\n");
        return -2;
    }
    printf("allocated %.2f MB on CPU\n", nbytes / (1024.f * 1024.f));

    /* init */
    for (i = 0; i < N; i++) {
        hx[i] = 1;
        hy[i] = 1;
        hz[i] = 1;
    }

    /* copy data to GPU */
    cudaMemcpy(dx, hx, nbytes, cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(dy, hy, nbytes, cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(dz, hz, nbytes, cudaMemcpyHostToDevice);

    /* call GPU */
    cudaDeviceSynchronize();
    td = get_time();
    
    for (i = 0; i < itr; i++) vec_add<<<grid, bs>>>(dx, dy, dz, N);

    cudaDeviceSynchronize();
    td = get_time() - td;

    /* CPU */
    th = get_time();
    for (i = 0; i < itr; i++) vec_add_host(hx, hy, hz, N);
    th = get_time() - th;

    printf("GPU time: %e, CPU time: %e, speedup: %g\n", td, th, th / td);

    cudaFree(dx);
    cudaFree(dy);
    cudaFree(dz);

    free(hx);
    free(hy);
    free(hz);

    return 0;
}

参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1vJ411D73S/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=b2549fdee562c700f2b1f3f49065201b