CUDA Samples: Streams' usage

以下CUDA sample是分别用C++和CUDA实现的流的使用code，并对其中使用到的CUDA函数进行了解说，code参考了《GPU高性能编程CUDA实战》一书的第十章，各个文件内容如下：

funset.cpp:

#include "funset.hpp"
#include <random>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
#include <algorithm>
#include "common.hpp"
#include <opencv2/opencv.hpp>int test_streams()
{const int length{ 1024 * 1024 * 20};std::unique_ptr<int[]> A(new int[length]);std::unique_ptr<int[]> B(new int[length]);std::unique_ptr<int[]> C1(new int[length]);std::unique_ptr<int[]> C2(new int[length]);generator_random_number<int>(A.get(), length, -100, 100);generator_random_number<int>(B.get(), length, -100, 100);std::for_each(C1.get(), C1.get() + length, [](int& n) {n = 0; });std::for_each(C2.get(), C2.get() + length, [](int& n) {n = 0; });float elapsed_time1{ 0.f }, elapsed_time2{ 0.f }; // millisecondsint ret = streams_cpu(A.get(), B.get(), C1.get(), length, &elapsed_time1);if (ret != 0) PRINT_ERROR_INFO(streams_cpu);ret = streams_gpu(A.get(), B.get(), C2.get(), length, &elapsed_time2);if (ret != 0) PRINT_ERROR_INFO(streams_gpu);for (int i = 0; i < length; ++i) {if (C1[i] != C2[i]) {fprintf(stderr, "their values are different at: %d, val1: %d, val2: %d\n",i, C1[i], C2[i]);return -1;}}fprintf(stderr, "test streams' usage: cpu run time: %f ms, gpu run time: %f ms\n", elapsed_time1, elapsed_time2);return 0;
}

streams.cpp:

#include "funset.hpp"
#include <chrono>int streams_cpu(const int* a, const int* b, int* c, int length, float* elapsed_time)
{auto start = std::chrono::steady_clock::now();const int N{ length / 20 };for (int x = 0; x < 20; ++x) {const int* pa = a + x * N;const int* pb = b + x * N;int* pc = c + x * N;for (int idx = 0; idx < N; ++idx) {int idx1 = (idx + 1) % 256;int idx2 = (idx + 2) % 256;float as = (pa[idx] + pa[idx1] + pa[idx2]) / 3.0f;float bs = (pb[idx] + pb[idx1] + pb[idx2]) / 3.0f;pc[idx] = (as + bs) / 2;}}auto end = std::chrono::steady_clock::now();auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(end - start);*elapsed_time = duration.count() * 1.0e-6;return 0;
}

streams.cu:

#include "funset.hpp"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <memory>
#include <vector>
#include <cuda_runtime.h> // For the CUDA runtime routines (prefixed with "cuda_")
#include <device_launch_parameters.h>
#include "common.hpp"/* __global__: 函数类型限定符;在设备上运行;在主机端调用,计算能力3.2及以上可以在
设备端调用;声明的函数的返回值必须是void类型;对此类型函数的调用是异步的,即在
设备完全完成它的运行之前就返回了;对此类型函数的调用必须指定执行配置,即用于在
设备上执行函数时的grid和block的维度,以及相关的流(即插入<<<   >>>运算符);
a kernel,表示此函数为内核函数(运行在GPU上的CUDA并行计算函数称为kernel(内核函
数),内核函数必须通过__global__函数类型限定符定义); */
__global__ static void stream_kernel(int* a, int* b, int* c, int length)
{/* gridDim: 内置变量,用于描述线程网格的维度,对于所有线程块来说,这个变量是一个常数,用来保存线程格每一维的大小,即每个线程格中线程块的数量.一个grid最多只有二维,为dim3类型；blockDim: 内置变量,用于说明每个block的维度与尺寸.为dim3类型,包含了block在三个维度上的尺寸信息;对于所有线程块来说,这个变量是一个常数,保存的是线程块中每一维的线程数量;blockIdx: 内置变量,变量中包含的值就是当前执行设备代码的线程块的索引;用于说明当前thread所在的block在整个grid中的位置,blockIdx.x取值范围是[0,gridDim.x-1],blockIdx.y取值范围是[0, gridDim.y-1].为uint3类型,包含了一个block在grid中各个维度上的索引信息;threadIdx: 内置变量,变量中包含的值就是当前执行设备代码的线程索引;用于说明当前thread在block中的位置;如果线程是一维的可获取threadIdx.x,如果是二维的还可获取threadIdx.y,如果是三维的还可获取threadIdx.z;为uint3类型,包含了一个thread在block中各个维度的索引信息 */int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;if (idx < length) {int idx1 = (idx + 1) % 256;int idx2 = (idx + 2) % 256;float as = (a[idx] + a[idx1] + a[idx2]) / 3.0f;float bs = (b[idx] + b[idx1] + b[idx2]) / 3.0f;c[idx] = (as + bs) / 2;}
}int streams_gpu_1(const int* a, const int* b, int* c, int length, float* elapsed_time)
{// cudaDeviceProp: cuda设备属性结构体cudaDeviceProp prop;// cudaGetDeviceProperties: 获取GPU设备相关信息cudaGetDeviceProperties(&prop, 0);/* cudaDeviceProp::deviceOverlap: GPU是否支持设备重叠(Device Overlap)功能,支持设备重叠功能的GPU能够在执行一个CUDA C核函数的同时，还能在设备与主机之间执行复制等操作 */if (!prop.deviceOverlap) {printf("Device will not handle overlaps, so no speed up from streams\n");return -1;}/* cudaEvent_t: CUDA event types,结构体类型, CUDA事件,用于测量GPU在某个任务上花费的时间,CUDA中的事件本质上是一个GPU时间戳,由于CUDA事件是在GPU上实现的,因此它们不适于对同时包含设备代码和主机代码的混合代码计时 */cudaEvent_t start, stop;// cudaEventCreate: 创建一个事件对象,异步启动cudaEventCreate(&start);cudaEventCreate(&stop);// cudaEventRecord: 记录一个事件,异步启动,start记录起始时间cudaEventRecord(start, 0);/* cudaStream_t: cuda 流，结构体类型, CUDA流表示一个GPU操作队列，并且该队列中的操作将以指定的顺序执行。可以将每个流视为GPU上的一个任务，并且这些任务可以并行执行。 */cudaStream_t stream;// cudaStreamCreate: 初始化流，创建一个新的异步流cudaStreamCreate(&stream);int *host_a{ nullptr }, *host_b{ nullptr }, *host_c{ nullptr };int *dev_a{ nullptr }, *dev_b{ nullptr }, *dev_c{ nullptr };const int N{ length / 20 };// cudaMalloc: 在设备端分配内存cudaMalloc(&dev_a, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_b, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_c, N * sizeof(int));/* cudaHostAlloc: 分配主机内存(固定内存)。C库函数malloc将分配标准的，可分页的(Pagable)主机内存，而cudaHostAlloc将分配页锁定的主机内存。页锁定内存也称为固定内存(Pinned Memory)或者不可分页内存，它有一个重要的属性：操作系统将不会对这块内存分页并交换到磁盘上，从而确保了该内存始终驻留在物理内存中。因此，操作系统能够安全地使某个应用程序访问该内存的物理地址，因为这块内存将不会被破坏或者重新定位。由于GPU知道内存的物理地址，因此可以通过"直接内存访问(Direct Memory Access, DMA)"技术来在GPU和主机之间复制数据。固定内存是一把双刃剑。当使用固定内存时，你将失去虚拟内存的所有功能。建议：仅对cudaMemcpy调用中的源内存或者目标内存，才使用页锁定内存，并且在不再需要使用它们时立即释放。 */// 分配由流使用的页锁定内存cudaHostAlloc(&host_a, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);cudaHostAlloc(&host_b, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);cudaHostAlloc(&host_c, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);//for (int i = 0; i < length; ++i) {//  host_a[i] = a[i];//    host_b[i] = b[i];//}memcpy(host_a, a, length * sizeof(int));memcpy(host_b, b, length * sizeof(int));for (int i = 0; i < length; i += N) {/* cudaMemcpyAsync: 在GPU与主机之间复制数据。cudaMemcpy的行为类似于C库函数memcpy。尤其是，这个函数将以同步方式执行，这意味着，当函数返回时，复制操作就已经完成，并且在输出缓冲区中包含了复制进去的内容。异步函数的行为与同步函数相反，在调用cudaMemcpyAsync时，只是放置了一个请求，表示在流中执行一次内存复制操作，这个流是通过参数stream来指定的。当函数返回时，我们无法确保复制操作是否已经启动，更无法保证它们是否已经结束。我们能够得到的保证是，复制操作肯定会当下一个被放入流中的操作之前执行。任何传递给cudaMemcpyAsync的主机内存指针都必须已经通过cudaHostAlloc分配好内存。也就是，你只能以异步方式对页锁定内存进行复制操作 */// 将锁定内存以异步方式复制到设备上cudaMemcpyAsync(dev_a, host_a + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream);cudaMemcpyAsync(dev_b, host_b + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream);stream_kernel << <N / 256, 256, 0, stream >> >(dev_a, dev_b, dev_c, N);cudaMemcpyAsync(host_c + i, dev_c, N * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost, stream);}/* cudaStreamSynchronize: 等待传入流中的操作完成，主机在继续执行之前，要等待GPU执行完成 */cudaStreamSynchronize(stream);//for (int i = 0; i < length; ++i)// c[i] = host_c[i];memcpy(c, host_c, length * sizeof(int));// cudaFreeHost: 释放设备上由cudaHostAlloc函数分配的内存cudaFreeHost(host_a);cudaFreeHost(host_b);cudaFreeHost(host_c);// cudaFree: 释放设备上由cudaMalloc函数分配的内存cudaFree(dev_a);cudaFree(dev_b);cudaFree(dev_c);// cudaStreamDestroy: 销毁流cudaStreamDestroy(stream);// cudaEventRecord: 记录一个事件,异步启动,stop记录结束时间cudaEventRecord(stop, 0);// cudaEventSynchronize: 事件同步,等待一个事件完成,异步启动cudaEventSynchronize(stop);// cudaEventElapseTime: 计算两个事件之间经历的时间,单位为毫秒,异步启动cudaEventElapsedTime(elapsed_time, start, stop);// cudaEventDestroy: 销毁事件对象,异步启动cudaEventDestroy(start);cudaEventDestroy(stop);return 0;
}int streams_gpu_2(const int* a, const int* b, int* c, int length, float* elapsed_time)
{cudaDeviceProp prop;cudaGetDeviceProperties(&prop, 0);if (!prop.deviceOverlap) {printf("Device will not handle overlaps, so no speed up from streams\n");return -1;}cudaEvent_t start, stop;cudaEventCreate(&start);cudaEventCreate(&stop);cudaEventRecord(start, 0);cudaStream_t stream0, stream1;cudaStreamCreate(&stream0);cudaStreamCreate(&stream1);int *host_a{ nullptr }, *host_b{ nullptr }, *host_c{ nullptr };int *dev_a0{ nullptr }, *dev_b0{ nullptr }, *dev_c0{ nullptr };int *dev_a1{ nullptr }, *dev_b1{ nullptr }, *dev_c1{ nullptr };const int N{ length / 20 };cudaMalloc(&dev_a0, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_b0, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_c0, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_a1, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_b1, N * sizeof(int));cudaMalloc(&dev_c1, N * sizeof(int));cudaHostAlloc(&host_a, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);cudaHostAlloc(&host_b, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);cudaHostAlloc(&host_c, length * sizeof(int), cudaHostAllocDefault);memcpy(host_a, a, length * sizeof(int));memcpy(host_b, b, length * sizeof(int));for (int i = 0; i < length; i += N * 2) {//cudaMemcpyAsync(dev_a0, host_a + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream0);//cudaMemcpyAsync(dev_b0, host_b + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream0);//stream_kernel << <N / 256, 256, 0, stream0 >> >(dev_a0, dev_b0, dev_c0, N);//cudaMemcpyAsync(host_c + i, dev_c0, N * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost, stream0);//cudaMemcpyAsync(dev_a1, host_a + i + N, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream1);//cudaMemcpyAsync(dev_b1, host_b + i + N, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream1);//stream_kernel << <N / 256, 256, 0, stream1 >> >(dev_a1, dev_b1, dev_c1, N);//cudaMemcpyAsync(host_c + i + N, dev_c1, N * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost, stream1);// 推荐采用宽度优先方式cudaMemcpyAsync(dev_a0, host_a + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream0);cudaMemcpyAsync(dev_a1, host_a + i + N, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream1);cudaMemcpyAsync(dev_b0, host_b + i, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream0);cudaMemcpyAsync(dev_b1, host_b + i + N, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice, stream1);stream_kernel << <N / 256, 256, 0, stream0 >> >(dev_a0, dev_b0, dev_c0, N);stream_kernel << <N / 256, 256, 0, stream1 >> >(dev_a1, dev_b1, dev_c1, N);cudaMemcpyAsync(host_c + i, dev_c0, N * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost, stream0);cudaMemcpyAsync(host_c + i + N, dev_c1, N * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost, stream1);}cudaStreamSynchronize(stream0);cudaStreamSynchronize(stream1);memcpy(c, host_c, length * sizeof(int));cudaFreeHost(host_a);cudaFreeHost(host_b);cudaFreeHost(host_c);cudaFree(dev_a0);cudaFree(dev_b0);cudaFree(dev_c0);cudaFree(dev_a1);cudaFree(dev_b1);cudaFree(dev_c1);cudaStreamDestroy(stream0);cudaStreamDestroy(stream1);cudaEventRecord(stop, 0);cudaEventSynchronize(stop);cudaEventElapsedTime(elapsed_time, start, stop);cudaEventDestroy(start);cudaEventDestroy(stop);return 0;
}int streams_gpu(const int* a, const int* b, int* c, int length, float* elapsed_time)
{int ret{ 0 };//ret = streams_gpu_1(a, b, c, length, elapsed_time); // 使用单个流ret = streams_gpu_2(a, b, c, length, elapsed_time); // 使用多个流return ret;
}

执行结果如下：可见使用C++和CUDA实现的结果是完全一致的：

GitHub：https://github.com/fengbingchun/CUDA_Test

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