GPU编程自学6 —— 函数与变量类型限定符

2022-10-03 13:27:45

深度学习的兴起，使得多线程以及GPU编程逐渐成为算法工程师无法规避的问题。这里主要记录自己的GPU自学历程。

六、函数与变量类型限定符

在之前的小节中，我们已经遇到了 __global__ 和 __shared__这两种类型限定符。前者属于函数类型限定符，后者则属于变量类型限定符。接下来，我们来来了解一下这两类限定符。

6.1 函数类型限定符

函数类型限定符用来标识函数运行在主机还是设备上，函数由主机还是设备调用。

__global__

__global__修饰的函数为 核函数。
运行在设备上；
可以由主机调用；
可以由计算能力大于3.2的设备调用；
必须有void返回类型；
调用时必须制定运行参数(<<< >>>)
该函数的调用时异步的，即可以不必等候该函数全部完成，便可以在CPU上继续工作；

__device__

运行在设备上；
只能由设备调用；
编译器会内联所有认为合适的__device__修饰的函数；

__host__

运行在主机上；
只能由主机调用；
效果等同于函数不加任何限定符；
不能与__global__共同使用，但可以和__device__联合使用；

__noinline__

声明不允许内联

__forceinline__

强制编译器内联该函数

6.2 变量类型限定符

变量类型限定符用来标识变量在设备上的内存位置。

__device__ (单独使用时)

位于 global memory space
生命周期为整个应用期间(即与application同生死)
可以被grid内的所有threads读取
可以在主机中由以下函数读取
- cudaGetSymbolAddress()
- cudaGetSymbolSize()
- cudaMemcpyToSymbol()
- cudaMemcpyFromSymbol()

__constant__

可以和 __device__ 联合使用
位于 constant memory space
生命周期为整个应用期间
可以被grid内的所有threads读取
可以在主机中由以下函数读取
- cudaGetSymbolAddress()
- cudaGetSymbolSize()
- cudaMemcpyToSymbol()
- cudaMemcpyFromSymbol()

__shared__

可以和 __device__ 联合使用
位于一个Block的shared memory space
生命周期为整个Block
只能被同一block内的threads读写

__managed__

可以和 __device__ 联合使用
可以被主机和设备引用，主机或者设备函数可以获取其地址或者读写其值
生命周期为整个应用期间

__restrict__

该关键字用来对指针进行限制性说明，目的是为了减少指针别名带来的问题。

C99标准中引入了restricted指针，用以缓解C语言中指针二义性的问题。缓解指针二义性问题可用于编译器的代码优化。下面是一个指针二义性的例子：

void foo(const float* a,
         const float* b,
         float* c)
{
    c[0] = a[0] * b[0];
    c[1] = a[0] * b[0];
    c[2] = a[0] * b[0] * a[1];
    c[3] = a[0] * a[1];
    c[4] = a[0] * b[0];
    c[5] = b[0];
    ...
}

在C语言中，指针a, b, 和c可能有二义性(别名)，因而对数组c的写入可能会更改数组a和b的元素的值。这就意味着，为了保证程序的正确性，编译器不能把a[0]和b[0]装载入寄存器，对它们做乘法，然后把结果写入c[0]和c[1]，这是因为有这种可能a[0]和c[0]是同一个地址。故而编译器无法对相同的表达式进行优化。

通过把a, b, c声明为restricted指针，程序员可以断言这些指针实际上没有二义性（这里，所有的指针参数都要被设为restrict）

void foo(const float*  __restrict__a,
         const float*  __restrict__ b,
               float* __restrict__ c)

在增加了restrict关键字以后，编译器可以根据需要对代码进行优化：

void foo(const float* __restrict__ a,
         const float* __restrict__ b,
         float* __restrict__ c)
{
    float t0 = a[0];
    float t1 = b[0];
    float t2 = t0 * t2;
    float t3 = a[1];
    c[0] = t2;
    c[1] = t2;
    c[4] = t2;
    c[2] = t2 * t3;
    c[3] = t0 * t3;
    c[5] = t1;
    ...
}

这样便可以减少访存次数和计算量，而代价是增加寄存器的使用量。考虑到额外的寄存器使用可能会降低occupancy，因此这种优化也可能会带来负面效果。

参考资料

“CUDA Toolkit Documentation B.C ”http://docs.nvidia.com/cuda/cuda-c-programming-guide/index.html#c-language-extensions

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