C/C++教程

cuda并行程序设计复习(直方图、卷积、扫描、前缀和)

本文主要是介绍cuda并行程序设计复习(直方图、卷积、扫描、前缀和),对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

第五章 线程执行效率与SIMD

  1. warp线程时单指令多数据执行(SIMD);warp中的线程执行相同的命令。在任何时间
  2. 控制发散:当warp中的线程通过不同的控制决策而采取的不同控制路径时,就会发生,采取不同的控制路径的线程会最终为串行执行,当分支或者循环的条件为线程索引时就可能出现,发生在block中(each block is divided into 32-thread warps
  3. 产生的影响取决于数据,对于数据量较大的程序影响较小,对于大型数据而言边界检查所带来的控制发散影响微不足道,并且内核有大量的控制流并不意味着就会有大量的控制发散

第七章 直方图计算

  1. 直方图: 从大型数据集中国提取出显著特征和模式的方法

    例如:图像中的对象识别的特征提取 信用卡的交易欺诈检测,天体运动关联

    基本直方图

  2. 分段分区导致内存访问底下,相邻的吸纳晨光不会访问相邻的内存位置,访问不会合并,DRAM带宽利用率低

    交错分区,所有的线程处理一个连续的元素部分,他们都移动到下一个部分并重复,内存访问合并

  3. data race

    多个线程对同一块数据进行操作,读取顺序的原因会出现读取的数据经过修改,而丢失一部分操作内容,一共四种类型 使用原子操作可以解决

  4. cuda原子操作 atom add sub inc dec min max exch CAS

    int atomicAdd(int * address, int val); unsigned int unsigned long long int flaot 四种操作类型

  5. 基本直方图代码

    __global__ void hist(uchar *b,long size,int *histo)
    {
      int i = threadIdx.x+blockIdx.x+blockDim.x;
      int stride = blockDim.x*gridDim.x;
      
     while(i<size){
         int  pos = b[i]-'a';
          if(pos>=0 &&pos <=26){
            atomicAdd(&histo[pos/4],1];
          }
          i+=stride;
      }
    }
    
  6. 直方图私有化

    创建私有的直方图,会增加副本的空间开销,将所有副本汇总至总和的开销,但是在访问私有化直方图与汇总时,出现竞争的串行情况会减少,性能提升至少10倍

  7. 直方图私有化代码

    __global void hist_p(uchar*b,long siez,uchar *histo){
      __shared__ int private[7];
      if(theadIdx.x<7)
        private[theadIdx.x] = 0;
      __synctheads();
      
      int i = threadIdx.x + blockIdx.x*blockDim.x;
      int stride = blockDim.x*gridDim.x;
      while(i < size){
        int pos = b[i]-'a';
        if(pos>=0 && pos<=26){
        atomicAdd(&private[pos/4],1);
        }
        i+=stride;
      }
      __syncthreads();
      
      if(threadIdx.x < 7)
        atomicAdd(&histo[threadIdx.x],privat[threadIdx.x]);
    }
    
  8. 运算是关联可交换的,直方图的大小应该受限于共享内存,如果太大则可以使用部分直方图私有化的方式,通过范围测试来访问全局内存

八 模板运算 卷积

  1. 卷积 :一种数组运算,其中的每一个输出元素都是相邻输入元素的加权和,加权的方式通常由卷积核决定,卷积核在运算时不变

  2. 一维卷积代码

    __global__ void con_1(flaot *N,float *M,float *P,int Mwid,int wid){
      int i = threadIdx.x + blockIdx.x*blockDim.x;
      
      int start = i - Mwid/2;
      float pValue = 0;
      for(int j=0;j<Mwid;j++){
        if(start+j>=0 && start+j<wid)
          pVaLue += N[start+j] * M[j]
      }
      P[i] = pValue;
    }
    
  3. 二维卷积代码

    __gloabl__ con_2(uchar *in,uchar* m,uchar *out,int mwid,int w,int h){
      int col = theadIdx.x+blockIdx.x*blockDim.x;
      int row = theadIdx.y+blockIdx.y*blockDim.y;
      
      if(col <w &&row <h){
        int pvalue = 0;
        
        int startc = col - mwid/2;
        int startr = row - mwid/2;
        
        for(int i=0;i<mwid;i++)
          for(int j=0;j<miwd;j++){
              int ci = i+startr;
              int cj = j+startc;
              if(ci>-1 && ci<h && cj>-1 &&cj<w){
                pvalue += in[ci*w + cj] * m[i*mwid+j]
              }
          }
          
          out[row *w +col] =(uchar) pvalue;
      }
     
    
  4. tile卷积 一维不参与输出

    __global__ con1_s(flot* N,float* M,float*P){
      __shared__ float Ns[O_TILE_WID+Mwid-1]
      
      int o_idx = O_TILE_WID*blockIdx.x+threadIdx.x;
      int i_idx = o_idx - Mwid/2;
      if(i_idx>=0 && i_idx<Arraywid){
        Ns[threadIdx.x] = N[i_idx];
      }
      __syncthreads();
      float pvalue = 0;
      if(threadIdx.x < O_TILE_WID){
        for(int j=0;j<Mwid;j++){
          pvalue +=M[j]*Ns[threadIdx.x + j]
        }
        P[o_idx] = pvalue;
        __syncthreads();
      }
    
    }
    
  5. const __restrict__受限的常量存储,自动适配合适的存储

  6. 二维con受限内存

    __global__ void con_2(float* P.float* N,int height,int wid,
    int channels,const float __restrict__ *M){
      __shared__ float Ns[O_TILE_WID + Mwid-1][O_TILE_WID + Mwid-1]
      int ty = threadIdx.y;
      int tx = threadIdx.x;
      
      int o_col = blockIdx.x*O_TILE_WID + tx;
      int o_row = blockIdx.y*O_TILE_WID + ty;
      int i_col = o_col - Mwid/2;
      int i_row = o_row - Mwid /2;
      if(i_col >=0 && i_col<wid &&i_row >=0 && i_row<height){
        Ns[ty][tx] = N[i_row * pitch +i_col]
      }else  Ns[ty][tx]=0.0f;
      __syncthreads();
      
      float pvalue = 0;
      if(ty<O_TILE_WID && tx <O_TILE_WID){
      
      for(int i=0;i<Mwid;i++)
        for(int j=0;j<Mwid;j++){
          pvalue += M[i][j] * Ns[ty+i][tx+j]
        }
       if(o_col<wid & o_row<heigth)  P[o_row * wid+o_col]=pvalue;
        __syncthreads();
      }
      
    }
    
  7. 计算效率

    • 对于一维卷积而言,原始的操作需要加载O_TILE_WID*MWID个元素的全局内存访问,而使用啦共享内存后则为 O_TILE_WID+MWID-1个访问次数 带宽减少量为两者之比 忽略出边界的元素
      • O_TILE_WID*MWID / O_TILE_WID+MWID-1
    • 对于二维卷积而言,原始操作带宽较少量为
      • (O_TILE_WID) 2 ^2 2 *MWID 2 ^2 2 / (O_TILE_WID+MWID-1) 2 ^2 2

第九章 并行归约

  1. 划分与汇总:要求数据集处理的元素没有顺序,关联和交换,可以将数据划分为更小的块,让每一个线程处理一个块,通过归约树将所有分块的结果进行总结求和,类似mapreduce

  2. 规约计算:求和 求最值 阶乘

    规约算法的复杂度一般为O(N),N个数值有N次归约操作

  3. 归约树算法对于N-1个操作 只需要log(N)次,类似 二分

    对于N个输入值 操作N-1次,归约log(N)次。总的并行度为(N-1)/ log(N)

    速度上与顺序算法相当,但是资源的使用较大

  4. 归约求和 每线程处理两个元素到share 内存 每个块处理两个dim的大小

    __shared__ float Ns[blockDim.x*2]
    int t = threadIdx.x
    int start = blockDim.x*2*blockIdx.x
    Ns[t] = input[start+t]
    Ns[blockDim.x+t]= input[start+t+blockDim.x]
    
    for(int stride = 1;stride<blockDim.x;stride *=2){
      __syncthreads(); //在下一步之前需要确保每个元素已经加好
      if(t % stride ==0)
        Ns[2*t] += Ns[2*t+stride];
    }
    
  5. 改进的归约

    for(int s=blockDim.x;s>0;s=/2){
      __syncthreads();
      if(t < s ){
        p[t]+=p[s+t] 
      }
    }
    

第十章 前缀和计算

  1. 扫描经常用于并行工作分配和资源分配,基数排序,快速排序,求解递归,

  2. 高效的串行算法 O(N)

    y[0] = x[0]for i to max_i:  y[i] = y[i-1] +x[i]
    
     普通的并行 y0 = x0; y1 = x0+x1;...
    
  3. 更有效的前缀和,每个线程加相邻的两个位置的数

    __global__ void scan(float* X,float*Y,int inputsize){  __shared__ float XY[SECTIONSIZE]  int i = blockIdx.x*blockDim.x +threadIdx.x;  if(i < inputsize)    XY[threadIdx.x] = X[i];  __syncthreads();  for(int s=1;s<=threadIdx.x,s*=2){     __syncthreads();    float temp = XY[threadIdx.x-s];    __syncthreads();    XY[threadIdx.x] +=temp;  }   __syncthreads();  if(i<inputsize) Y[i] =XY[threadIdx.x];}
    
  4. 工作效率

    Total Adds : n*log(n) -(n-1) => *O(nlog(n))

  5. 基于平衡树的前缀和

    __global__ void presum(float* go,float* gi,int n){    extern __shared__ float tmp[];    int tid = threadIdx.x;    int offset = 1;        temp[2*tid] = gi[2*tid];    temp[2*tid+1] = gi[2*tid+1]        for(int i = n/2;i>0;i/=2){      __synctheads();      if(tid<i){      int a = offset*(2*tid +1)-1;      int b = offset*(2*tid +2)-1      temp[b] +=temp[a]       }      offset *=2;    }    if(tid==0) temp[n-1] = 0;        for(int i = 1;i<n;i*=2){      offset /=2;      __synctheads();      if(tid < i){          int a = offset*(tid*2+1)-1;          int b = offset*(tid*2+2)-1;                    float t = tmp[a];          tmp[a] = tmp[b];          tmp[b] += t;      }    }  __syncthreads();  go[2*tid] =tmp[tid*2];  go[2*tid+1] = tmp[tid*2+1];}
    
  6. 运行效率

    一共**log(n)**次迭代,total Adds n-1 => O(N)

    计算归约log(n)-1次迭代 total add n-2 - (log(n)-1) =>O(n)

    两者一共不超过 2(N-1) 实际2(n-1)-logn

十一 bank conflict

  1. bank是共享内存上存储单元的划分方式,GPU共享内存是基于这种bank存储体切换的架构

  2. 1.x warp=32 bank=16 2.x warp=bank=32 3.x bank可以自定义

    每个bank每个周期只能指向一次操作,也就是说每个bank的带宽为每周期 32bit。

  3. 什么时候发生?

    同一个warp里的不同线程访问同一个bank的不同位置

  4. 什么时候不会发生?

    广播:当一个warp中的所有线程都访问同一个地址的共享内存时,这是最好的

    多播:一个warp中多个线程访问同一个地址的共享内存时,次优

    即使同一个warp中的线程随机访问不同的bank,只要没有访问同一个bank的不同位置就不会发生bank conflict

  5. 数据并行原则

    • 有效利用并行性
    • 尽可能合并内存访问
    • 使用share memory
    • 开发其他内存 例如:texture constant
    • 减少bank冲突

纹理内存

  1. 纹理内存并不是在硬件中对应一块专门的存储器

  2. 纹理内存功能:地址映射,数据滤波,缓存等功能

  3. 纹理参照系:提供数据与纹理内存的绑定 CUDA Array可以实现对内存,绑定到纹理的线性内存和数组中的元素被称为像元(texels)

  4. texture<Type,Dim,ReadMode>texRef ReadMode读取类型,是否需要归一化 默认为否cudaReadModeElementType,是为cudaReadModeNormalizedFloat

    struct cudaChannelFormatDesc{ int x,y,z,w;enum cudaChannelFormatKind f;}

    cudaChannelFormatKind 指成员类型 cudaChannelFormatKindFloat 浮点型 ~Signed 有符号整型 ~Unsigned 无符号整型

    cudaMalloc3DArray() 可以分配1,2,3维的数组,cudaMallocArray() 一般用于二维数据分配,cudaFreeArray() 释放内存,cudaMemcpyToArray()

  5. 纹理拾取:纹理拾取函数采用纹理坐标对纹理存储器进行访问。

    • 线性内存用texfetch1D函数访问,采用的纹理坐标是整型
    • 对与一维、二维和三维CUDA数组绑定的纹理访问: 分别使用tex1D()、tex2D()和tex3D()函数访问,并且使用浮点型纹理坐标。‘
ds_M[ty][tx] = M[G_tx * WIDTH+G_ty + m*TILE]
ds_N[ty][tx] = N[G_ty+m*TILE) * WIDTH+G_tx]

value += ds_M[ty][k] * ds_N[k][tx]
__syncthreads();

P[G_tx*WIDTH+G_ty] = pavlue;
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