【cuda编程】CUDA的运行方式以及grid、block结构关系

1. CUDA基础知识

1.1 程序基本运行顺序

一般来说，一个cpu+gpu的程序运行如下所示：

1.2 grid与block

从GPU至线程的关系依次为：显卡（GPU）->网格（grid）->线程块（block）->线程（thread） 。从网格开始最大为3维，当然也可以1维了。

• 网格(grid)：一个内核函数(kernel)就是一个网格，里面所有线程都在这个网格范围内，里面的线程共享全局内存空间
• 线程块(block)：一个网格可以包含很多个block，block之间可以通过“同步”和“共享内存”进行协作，block之间的区分通过“blockIdx”
• 线程(thread)：一个线程块可以包含很多个thread，thread之间区分通过threadIdx，当然如果block不一样，threadIdx肯定需要继续区分
• blockIdx/threadIdx:是dim3类型变量（整型），是索引线程的关键，对某个线程的索引：blockIdx.x/y/z,threadIdx.x/y/z
• gridDim/blockDim:也是dim3类型变量，是检查线程维数的关键，对某个线程所属的网格维数、线程块维数进行检测：gridDim.x/y/z,blockDim.x/y/z

1.3 dim类型定义

//定义参考
dim3 dd;//dd.x,dd.y,dd.z 默认为1
dim3 dd(2,3);//dd.x==2,dd.y==3,dd.z==1

//一般定义如下
dim3 grid(2,3);//就是定义一个网格，里面包含2*3*1个block
dim3 block(4,5);//就是定义一个线程块，里面包含4*5*1个thread

2. CUDA的第一个程序

下面程序是一个简单的GPU调用程序，注意一下几点：

• BASE_CUDA_CHECK：为CUDA操作的验证，加上之后可以很方便的知道自己的程序在哪一行出错了。
• helloFromGPU：为在GPU中执行的程序。

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

#define BASE_CUDA_CHECK(condition) { GPUAssert((condition), __FILE__, __LINE__); }

inline void GPUAssert(cudaError_t code, const char *file, int line, bool abort = true) {
    if (code != cudaSuccess) {
        fprintf(stderr, "GPUassert: %s %s %d\n", cudaGetErrorString(code), file, line);
        if (abort) {
            exit(code);
        }
    }
}

__global__ void helloFromGPU()
{
    printf("Hello World from GPU!\n");
}

int main(int argc, char **argv)
{
	//CPU端的打印输出
    std::cout<<"Hello World from CPU!"<<std::endl;
 	// CUDA调用
    helloFromGPU<<<1, 10>>>();
    //CPU端的打印输出
    std::cout<<"Hello World from CPU!"<<std::endl;
    BASE_CUDA_CHECK(cudaDeviceReset());
    return 0;
}

从输出可以看出，进入GPU后，CPU并不会等待GPU结束，而是CPU程序继续往下执行。

3. CUDA线程的组织结构——grid与block关系

CUDA使用多级索引的方式访问线程。

• 定位Block：第一级索引是(grid.xIdx, grid.yIdy)，通过它我们就能找到了这个线程块的位置。
• 定位thread：第二级索引(block.xIdx, block.yIdx, block.zIdx)来定位到指定的线程。

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，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，对于图中结构（水平方向为x轴），定义的grid和block如下所示

dim3 grid(3, 2);
dim3 block(5, 3);
kernel_fun<<< grid, block >>>(prams...);

定义图解如下：

CUDA中每一个线程都有一个唯一的标识ID—ThreadIdx，这个ID随着Grid和Block的划分方式的不同而变化。下面的程序是认识grid和block很好的程序，可以自己尝试改变参数调节。

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

#define BASE_CUDA_CHECK(condition) { GPUAssert((condition), __FILE__, __LINE__); }

inline void GPUAssert(cudaError_t code, const char *file, int line, bool abort = true) {
    if (code != cudaSuccess) {
        fprintf(stderr, "GPUassert: %s %s %d\n", cudaGetErrorString(code), file, line);
        if (abort) {
            exit(code);
        }
    }
}

__global__ void checkIndex(void)
{
    printf("threadIdx:(%d, %d, %d)\n", threadIdx.x, threadIdx.y, threadIdx.z);
    printf("blockIdx:(%d, %d, %d)\n", blockIdx.x, blockIdx.y, blockIdx.z);
    printf("blockDim:(%d, %d, %d)\n", blockDim.x, blockDim.y, blockDim.z);
    printf("gridDim:(%d, %d, %d)\n", gridDim.x, gridDim.y, gridDim.z);
}
 
int main(int argc, char **argv)
{
    int nElem = 6;//定义总计算量
    dim3 block(3);// 定义grid和block
    dim3 grid((nElem + block.x - 1) / block.x);// 定义grid和block
    printf("grid.x %d grid.y %d grid.z %d\n", grid.x, grid.y, grid.z);// CPU端检测维度
    printf("block.x %d block.y %d block.z %d\n", block.x, block.y, block.z);
    checkIndex<<<grid, block>>>();// GPU端检测维度
    BASE_CUDA_CHECK(cudaDeviceReset());// 恢复GPU
    return 0;
}

输出如下，因为GPU之间是并行执行的，所以它们的输出顺序也是不固定的。