我与计算机视觉-[CUDA]-[CPU多线程下CUDA的多流]

首先问题出在cpu下的多线程，当你想要在多个线程下调用同一个cuda核函数的时候，你会发现效率很低，那么经过验证，的确，不管你有多少个线程，cuda总是将线程中的核函数放入默认流中进行队列方式的处理，相当于单线程，但是这个问题在cuda7后已经得到了解决，下面对这个问题进行一些测试。

这里使用了以下链接中的内容：

https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/14091897.html

https://developer.nvidia.com/blog/gpu-pro-tip-cuda-7-streams-simplify-concurrency/

CUDA 7 Stream流简化并发性异构计算是指高效地使用系统中的所有处理器，包括 CPU 和 GPU 。为此，应用程序必须在多个处理器上并发执行函数。 CUDA 应用程序通过在 streams 中执行异步命令来管理并发性，这些命令是按顺序执行的。不同的流可以并发地执行它们的命令，也可以彼此无序地执行它们的命令。在不指定流的情况下执行异步 CUDA 命令时，运行时使用默认流。在 CUDA 7 之前，默认流是一个特殊流，它隐式地与设备上的所有其他流同步。CUDA 7 引入了大量强大的新功能 ，包括一个新的选项，可以为每个主机线程使用独立的默认流，这避免了传统默认流的序列化。本文将展示如何在 CUDA 程序中简化实现内核和数据副本之间的并发。

指定流是可选的；可以调用 CUDA 命令而不指定流（或通过将 stream 参数设置为零）。下面两行代码都在默认流上启动内核。

  kernel<<< blocks, threads, bytes >>>();    // default stream

  kernel<<< blocks, threads, bytes, 0 >>>(); // stream 0

在并发性对性能不重要的情况下，默认流很有用。在 CUDA 7 之前，每个设备都有一个用于所有主机线程的默认流，这会导致隐式同步。正如 CUDA C 编程指南中的“隐式同步”一节所述，如果主机线程向它们之间的默认流发出任何 CUDA 命令，来自不同流的两个命令就不能并发运行。

CUDA 7 引入了一个新选项， 每线程默认流 ，它有两个效果。首先，它为每个主机线程提供自己的默认流。这意味着不同主机线程向默认流发出的命令可以并发运行。其次，这些默认流是常规流。这意味着默认流中的命令可以与非默认流中的命令同时运行。

要在 nvcc7 及更高版本中启用每线程默认流，可以在包含 CUDA 头（ cuda.h 或 cuda_runtime.h ）之前，使用 nvcc 命令行选项 CUDA 或 #define 编译 CUDA_API_PER_THREAD_DEFAULT_STREAM 预处理器宏。需要注意的是：当代码由 nvcc 编译时，不能使用 #define CUDA_API_PER_THREAD_DEFAULT_STREAM 在. cu 文件中启用此行为，因为 nvcc 在翻译单元的顶部隐式包含了 cuda_runtime.h 。

具体方法是，右键项目属性中的CUDA C/C++（前提是你创建的是CUDA程序，不然没有这个选项）选项中的Command Line中添加--default-stream per-thread就可以。

 

下面介绍测试方法：

1.以管理员身份打开Nsight Monitor
2.点击visual studio菜单中的Nsight，选择Start Perfoemance Analysis

3.勾选system和cuda选项

4.点击lanuch运行
5.待运行完毕后，系统自动输出运行结果，点击timeline查看stream的使用情况

 第一个例子是使用for循环测试多流，代码如下： 

#include "cuda_runtime.h"
#include "device_launch_parameters.h"
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 


const int N = 1 << 20;

__global__ void kernel(float *x, int n)
{
	int tid = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
	for (int i = tid; i < n; i += blockDim.x * gridDim.x) {
		x[i] = sqrt(pow(3.14159, i));
	}
}

int main()
{
	const int num_streams = 8;
	cudaStream_t streams[num_streams];
	float *data[num_streams];
	for (int i = 0; i < num_streams; i++) {
		cudaStreamCreate(&streams[i]);
		cudaMalloc(&data[i], N * sizeof(float));
		// launch one worker kernel per stream
		kernel << <1, 64, 0, streams[i] >> > (data[i], N);
		// launch a dummy kernel on the default stream
		kernel << <1, 1 >> > (0, 0);
	}
	cudaDeviceReset();
	return 0;
}

 在不使用--default-stream per-thread编译命令时运行结果如下图：

可以看到核函数并没有并发运行。 

 添加后：

第二个例子使用多线程，代码如下：

const int N = 1 << 20;

__global__ void kernel(float *x, int n)
{
	int tid = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
	for (int i = tid; i < n; i += blockDim.x * gridDim.x) {
		x[i] = sqrt(pow(3.14159, i));
	}
}

void launch_kernel(cudaStream_t stream)
{
	float *data;
	cudaMalloc(&data, N * sizeof(float));
	kernel << <1, 64,0, stream >> > (data, N);
	//cudaStreamSynchronize(0);
	return;
}

int main()
{
	const int num_threads = 8;
	std::thread threads[num_threads];
	cudaStream_t streams[num_threads];
	for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
		cudaStreamCreate(&streams[i]);
		threads[i] = std::thread(launch_kernel, streams[i]);
	}

	for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
		threads[i].join();
	}

	cudaDeviceReset();

	return 0;
}

 同样在不使用编译命令时运行结果如下图：

使用后如下图：

 

 提示：
在为并发进行编程时，还需要记住以下几点。
1.对于每线程的默认流，每个线程中的默认流的行为与常规流相同，只要同步和并发就可以了。对于传统的默认流，这是不正确的。
2.--default-stream 选项是按编译单元应用的，确保将其应用于所有需要它的 nvcc 命令行。
3.cudaDeviceSynchronize() 继续同步设备上的所有内容，甚至使用新的每线程默认流选项。如果只想同步单个流，请使用 cudaStreamSynchronize(cudaStream_t stream) ，如的第二个示例所示。
4.从 CUDA 7 开始，还可以使用句柄 cudaStreamPerThread 显式地访问每线程的默认流，也可以使用句柄 cudaStreamLegacy 访问旧的默认流。请注意， cudaStreamLegacy 仍然隐式地与每个线程的默认流同步，如果碰巧在一个程序中混合使用它们。
5.可以通过将 cudaStreamCreate() 标志传递给 cudaStreamCreate() 来创建不与传统默认流同步的 非阻塞流 。