CUDA之指针篇

CUDA教程

第一章 指针篇
第二章 cuda原理篇
第三章

随着人工智能的发展与人才的内卷，很多企业已将深度学习算法的C++部署能力作为基本技能之一。面对诸多arm相关且资源有限的设备，往往想更好的提速，满足更高时效性，必将更多类似矩阵相关运算交给CUDA处理。同时，面对市场诸多教程与诸多博客岑子不起的教程或高昂教程费用，使读者(特别是小白)容易迷糊，无法快速入手CUDA编程，实现工程化。
因此，我将结合我的工程实战经验，我将在本专栏实现CUDA系列教程，帮助读者(或小白)实现CUDA工程化，掌握CUDA编程能力。学习我的教程专栏，你将绝对能实现CUDA工程化，完全从环境安装到CUDA核函数编程，从核函数到使用相关内存优化，从内存优化到深度学习算子开发(如：nms)，从算子优化到模型(以yolo系列为基准)部署。最重要的是，我的教程将简单明了直切主题，CUDA理论与实战实例应用，并附相关代码，可直接上手实战。我的想法是掌握必要CUDA相关理论，去除非必须繁杂理论，实现CUDA算法应用开发，待进一步提高，将进一步理解更高深理论。

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前言

CUDA依赖指针，本篇需掌握相关指针内容，为CUDA编程提供依据。

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一、指针与cuda编程的关系

cuda将使用stream方式控制计算，基本使用指针的方式进行数据拷贝或者开辟内存等，为此学习cuda编码需了解指针相关基础。

具体代码展示示例如下：

cuda个人编写示例：  
 CUDA_CHECK(cudaMallocHost((void**)&img_buffer_host, max_image_size * 3));
  // prepare input data in device memory
 CUDA_CHECK(cudaMalloc((void**)&img_buffer_device, max_image_size * 3));

cuda源码示例：
extern __host__ cudaError_t CUDARTAPI cudaMallocHost(void **ptr, size_t size);
inline __device__  cudaError_t CUDARTAPI cudaMalloc(void **p, size_t s) 
{ 
  return cudaErrorUnknown;
}

以上代码为内存分配示例，可看出使用了指针，因此我们调用cuda相关函数需要大量涉及指针相关方法。

二、指针定义

指针定义：指针是一个值为内存地址的变量或者数据对象。指针变量的值是地址。

如：*p表示定义指针，实际p是指针，指针变量名为p，那么我们可以通过 p = &a，将a的地址赋值给p，因为指针存存的是地址，从而我们可以通过对p进行操作，对a进行修改等操作。

三、指针运算符*与&

*运算符

*运算符，叫间接运算符或叫解引用运算符，找出存储在地址的值。*运算符后面跟着一个指针名或者地址时，*给出存储在指针所指向地址的值。

如：*ptr表示指针ptr对应地址的值，与val=*ptr是等量的，而ptr=&val是等量的，&val表示变量val的地址。

&运算符

&运算符，叫做地址运算符。后跟变量名时，&给出该变量的地址。

如：变量val，&val表示变量val的地址，若定义*p的指针，可将指针指向变量使用p=&val。

四、指针示例

此部分将给出指针几个列子，我将根据这些列子说明指针实际用法与表示含义，以下列子均经过验证，可使用的方法。

在进行指针示例演示代码之前，我将在此贴出公用代码，此代码或许下面某些示例需要使用。

void Print_Pointers(int* ptr,int N) {
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        std::cout << "order:\t" << i << "\tptr_value:\t" << *ptr << "\tphysical address:" << ptr << std::endl;
        ptr++;
    }
}

指针赋值方法探索

指针赋值共探索2种方法，其一在创建指针时候赋值，其二在创建指针完成后赋值，以下代码将指针指向数组，arr数组变量名表示地址，因此可直接赋值；指针p赋值也需要指向变量a的地址，因此需使用&符号获取变量a的地址，然后将地址赋给指针p。

代码如下：

void pointer_1() {
    /*  探索指针赋值方法 */
    const int N = 6;
    int arr[N];
    for (int i = 0; i < N; i++) arr[i] = i + 1; //数组赋值
    //指针第一种赋值方法
    int* ptr=nullptr ; 
    ptr = arr;
    //指针第二种赋值方法
    int *ptr2 = arr;
    
    std::cout << "output ptr1 " << std::endl;
    Print_Pointers(ptr, N);
    std::cout << "\n\noutput ptr2 " << std::endl;
    Print_Pointers(ptr2,N);

    //单独变量赋值
    int a = 20;
    int* p = &a;  
    std::cout << "\n\noutput p value: \t" <<*p<<"\tphysical address:\t"<<p<< std::endl;

}

结果显示：

指针基础-数组读取

指针的初始化、解引用操作以及自增，看一个有趣的语句“int *ptr = arr;”,该语句用数组名初始化指针。在这里数组名代表的是数组第一个元素的地址，之后在循环内程序会递增指针以指向数组的后面几个元素。

代码如下：

void pointer_1() {
    const int N = 6;
    int arr[N];
    for (int i = 0; i < N; i++) arr[i] = i + 1; //数组赋值
    int* ptr = arr; //构建指针
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        std::cout << "ptr_value_" <<i<< ":\t" << *ptr << std::endl;;
        ptr++;  
    } 
}

结果显示：

指针指向地址的值的探索

此部分探索地址指针指向的值变化：

1.通过指针更改值，将指针赋值为num的地址，通过更改p的指针来更改指针指向num地址的值p=*p+20,该物理地址的值更改，而num存的值的物理地址为p,因此也更改了num的值；

2.通过变量更改值，将num=30，更改num的值，而指针p保存指向num的地址，地址不变情况，通过*p查看地址的值，因此为num更改的值30。

代码如下：

void pointer_3() {
    int num = 4;
    int* p = #
    cout << "*p:\t" <<*p<<"\t p address:\t"<<p<<"\tnum value:\t"<<num<<"\tnum address:\t"<<num << endl;

    *p = *p + 20; //通过指针更改地址的值
    cout << "*p:\t" << *p << "\t p address:\t" << p << "\tnum value:\t" << num << "\tnum address:\t" << num << endl;
    num = 30; //更改变量值
    cout << "*p:\t" << *p << "\t p address:\t" << p << "\tnum value:\t" << num << "\tnum address:\t" << num << endl;


}

结果显示：

指向指针的指针

定义：指向指针的指针是一种多级间接寻址的形式，或者说是一个指针链。 指针的指针就是将指针的地址存放在另一个指针里面。

通俗解释：一个指针包含一个变量的地址。当我们定义一个指向指针的指针时，第一个指针包含了第二个指针的地址，第二个指针指向包含实际值的物理位置。

一个指向指针的指针变量必须如下声明，即在变量名前放置两个星号。

指针使用初步探索

探索指针的指针 值与地址之间的关系：

1.指针的指针赋值，结果中看指针的指针p2与p3打印值*p2/*p3与地址p2/p3输出一致 ，则赋值方法与指针赋值差不多，但需要&符号赋值。

2.指针的指针p2说明，前提p1指针指向地址000000E9AC0FF914，并保存地址，本身p1指针有自己地址，为此p2指针指向p1指针的地址，*p2表示p1的值也为num的地址。

3.指针p2的**p2与*p2说明，p2是指针p1的值，而p1的值是num的地址，在前加表示取p1值(num)的值为num值4。

实际理解与单指针*p1一样，只需记住此时p1的值为num的地址，而本身p1存在自身地址保存值(num地址)。

void pointer_4() {
    int num = 4;
    int* p1 = #
    //指针的指针第一种赋值方法
    int** p2=&p1 ;
    //指针的指针第二种赋值方法
    int** p3;
    p3 = &p1;

    cout << "num value:\t" << num << "\t num address:\t" << &num << endl;
    cout << "p1 value:\t" << *p1 << "\t p1 address:\t" << p1 << endl;
    cout << "p2 value:\t" << *p2 << "\t p2 address:\t" << p2 << endl;
    cout << "p3 value:\t" << *p3 << "\t p3 address:\t" << p3 << endl;

    cout << "p2 value:\t" << **p2 << "\t p2 address:\t" << *p2  << endl; 
}

结果显示：

指针的指针的图文解释

假设变量num的值为4，定义指针*p1与指针的指针**p2，p1指向num，p2指向p1，其示意图如下：

解释如下：

1.p2与p1本质是指针，因此需指向地址，从图中可看出p2的值value3指向address2,p1的值value2指向address1。

2.p2、p1与num本身有自己的地址，分别为address3、address2与address1。

3.定义的**p2与*p定义完后，p2与p1分别为地址address3与address2，即p2=address3,p1=address2。

4.使用*获得p2与p1指向指针的地址的值，从图可看出p1的值value指向地址address1，且地址address1的值为value1=4，则 *p1=4;

同理，p2的值value3指向地址address2，且address2的值为value2=address1，则*p2=address1。

5.如何通过p2获得num的值呢？从4可看出p2=address1，而address1的值为value1=4，则需再次使用(*p2)的方式再次获得address1的值即可，

则**p2=value1=4。

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