nvidia CUDA 高级编程NVSHMEM 直方图——复制式方法
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NVSHMEM 直方图——复制式方法
PE:处理单元(process entity)
直方图简介
我们来了解一个与之前的问题有些相似但却稍显复杂的问题:构造直方图。也就是说,给定一个具有 𝑁 个整数的数组,和 𝑀 个取值范围,计算数组中有多少元素属于 𝑀 个范围中的某一个。不失一般性,我们将指定整数是 [0,𝐾−1] 区间内的正数,范围或桶是均匀的线性间隔(为了简单起见, 𝐾 可以被 𝑀 整除),从而第一个桶可以覆盖 [0,𝐾/𝑀−1] 区间内的数,第二个可以覆盖 [𝐾/𝑀,2𝐾/𝑀−1] 区间内的数,以此类推。
在我们开始为多个 GPU 重构代码之前,我们将从使用单 GPU 的代码示例入手。解决这个问题最简单的方法还是使用原子操作。我们将对数组进行循环,计算数组中的每个元素应落入哪个桶;给定一个整数 𝑛 ,其所属的直方图数组的索引为 (𝑛𝑀)/𝐾 。然后,以原子操作增加该桶的计数器。检查代码,然后运行代码,看看会得到什么样的输出。您可按需随意调整参数(但要避免数字过大,注意 32 位整数溢出)。
#include <iostream>
#include <cstdlib>
inline void CUDA_CHECK (cudaError_t err)
if (err != cudaSuccess)
fprintf(stderr, "CUDA error: %s\\n", cudaGetErrorString(err));
exit(-1);
#define NUM_BUCKETS 16
#define MAX_VALUE 1048576
#define NUM_INPUTS 65536
__global__ void histogram_kernel(const int* input, int* histogram, int N)
int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
if (idx < N)
int value = input[idx];
int histogram_index = (value * NUM_BUCKETS) / MAX_VALUE;
atomicAdd(&histogram[histogram_index], 1);
int main(int argc, char** argv)
const int N = NUM_INPUTS;
// 在主机上构建直方图输入数据
int* input = (int*) malloc(N * sizeof(int));
// 输入数据范围从 0 至 MAX_VALUE - 1 不等
for (int i = 0; i < N; ++i)
input[i] = rand() % MAX_VALUE;
// 复制到设备
int* d_input;
CUDA_CHECK(cudaMalloc((void**) &d_input, N * sizeof(int)));
CUDA_CHECK(cudaMemcpy(d_input, input, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice));
// 分配直方图数组
int* histogram = (int*) malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
memset(histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int));
int* d_histogram;
CUDA_CHECK(cudaMalloc((void**) &d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));
CUDA_CHECK(cudaMemset(d_histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));
// 执行直方图
int threads_per_block = 256;
int blocks = (NUM_INPUTS + threads_per_block - 1) / threads_per_block;
histogram_kernel<<<blocks, threads_per_block>>>(d_input, d_histogram, N);
CUDA_CHECK(cudaDeviceSynchronize());
// 将数据复制回主机,并检查一些值
CUDA_CHECK(cudaMemcpy(histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost));
std::cout << "Histogram counters:" << std::endl << std::endl;
int num_buckets_to_print = 4;
for (int i = 0; i < NUM_BUCKETS; i += NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print)
std::cout << "Bucket [" << i * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) << ", " << (i + 1) * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) - 1 << "]: " << histogram[i];
std::cout << std::endl;
if (i < NUM_BUCKETS - NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print - 1)
std::cout << "..." << std::endl;
free(input);
free(histogram);
CUDA_CHECK(cudaFree(d_input));
CUDA_CHECK(cudaFree(d_histogram));
return 0;
编译运行指令如下:
nvcc -x cu -arch=sm_70 -o histogram histogram.cpp
./histogram
运行结果如下:
Histogram counters:
Bucket [0, 65535]: 4083
...
Bucket [262144, 327679]: 4107
...
Bucket [524288, 589823]: 4015
...
Bucket [786432, 851967]: 4045
复制式方法的 NVSHMEM 实现
在多个 GPU 上分配工作量的一种方法与我们在 𝜋 估算器上使用的方法相同:给定 𝑁 个整数,我们即可把它们均匀地分配到所有 GPU 上,然后可以对所有 PE 进行归约。我们将此称为**“复制式”方法**,因为在所有 GPU 上都存在完整的直方图副本。我们将第一步,即增加每个直方图桶内的计数值,命名为“列表”步骤;将合并所有 PE 上的结果的第二步命名为“结合”步骤,并分别计算时间(以便与下一个方法进行比较)。
我们将使用归约 API nvshmem_int_sum_reduce()
来归约直方图的所有桶:
nvshmem_int_sum_reduce(team, destination, source, nelems);
如果 destination == source
,那么这就变成了就地归约,是 NVSHMEM 中的合理做法;这样做的好处在于,与创建临时目标缓冲区相比,其代码更加干净,所以我们建议在此练习中这样做。
练习
代码如下(file name:histogram_step1.cpp)
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <chrono>
#include <nvshmem.h>
#include <nvshmemx.h>
inline void CUDA_CHECK (cudaError_t err)
if (err != cudaSuccess)
fprintf(stderr, "CUDA error: %s\\n", cudaGetErrorString(err));
exit(-1);
#define NUM_BUCKETS 16
#define MAX_VALUE 1048576
#define NUM_INPUTS 65536
__global__ void histogram_kernel(const int* input, int* histogram, int N)
int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
if (idx < N)
int value = input[idx];
int histogram_index = ((size_t) value * NUM_BUCKETS) / MAX_VALUE;
atomicAdd(&histogram[histogram_index], 1);
int main(int argc, char** argv)
// 初始化 NVSHMEM
nvshmem_init();
// 获取 NVSHMEM 处理元素 ID 和 PE 数量
int my_pe = nvshmem_my_pe();
int n_pes = nvshmem_n_pes();
// 每个 PE(任意)选择与其 ID 对应的 GPU
int device = my_pe;
CUDA_CHECK(cudaSetDevice(device));
// 每台设备处理 1 / n_pes 的部分工作。
const int N = NUM_INPUTS / n_pes;
// 在主机上构建直方图输入数据
int* input = (int*) malloc(N * sizeof(int));
// 为每个 PE 初始化一个不同的随机数种子。
srand(my_pe);
// 输入数据范围从 0 至 MAX_VALUE - 1 不等
for (int i = 0; i < N; ++i)
input[i] = rand() % MAX_VALUE;
// 复制到设备
int* d_input;
d_input = (int*) nvshmem_malloc(N * sizeof(int));
CUDA_CHECK(cudaMemcpy(d_input, input, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice));
// 分配直方图数组
int* histogram = (int*) malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
memset(histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int));
int* d_histogram;
d_histogram = (int*) nvshmem_malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
CUDA_CHECK(cudaMemset(d_histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));
// 为合理准确的计时执行一次同步
nvshmem_barrier_all();
using namespace std::chrono;
high_resolution_clock::time_point tabulation_start = high_resolution_clock::now();
// 执行直方图
int threads_per_block = 256;
int blocks = (NUM_INPUTS / n_pes + threads_per_block - 1) / threads_per_block;
histogram_kernel<<<blocks, threads_per_block>>>(d_input, d_histogram, N);
CUDA_CHECK(cudaDeviceSynchronize());
nvshmem_barrier_all();
high_resolution_clock::time_point tabulation_end = high_resolution_clock::now();
high_resolution_clock::time_point combination_start = high_resolution_clock::now();
// 在所有 PE 上执行归约
nvshmem_int_sum_reduce(NVSHMEM_TEAM_WORLD, d_histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS);
high_resolution_clock::time_point combination_end = high_resolution_clock::now();
// 打印 PE 0 上的结果
if (my_pe == 0)
duration<double> tabulation_time = duration_cast<duration<double>>(tabulation_end - tabulation_start);
std::cout << "Tabulation time = " << tabulation_time.count() * 1000 << " ms" << std::endl << std::endl;
duration<double> combination_time = duration_cast<duration<double>>(combination_end - combination_start);
std::cout << "Combination time = " << combination_time.count() * 1000 << " ms" << std::endl << std::endl;
// 将数据复制回主机
CUDA_CHECK(cudaMemcpy(histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost));
std::cout << "Histogram counters:" << std::endl << std::endl;
int num_buckets_to_print = 4;
for (int i = 0; i < NUM_BUCKETS; i += NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print)
std::cout << "Bucket [" << i * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) << ", " << (i + 1) * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) - 1 << "]: " << histogram[i];
std::cout << std::endl;
if (i < NUM_BUCKETS - NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print - 1)
std::cout << "..." << std::endl;
free(input);
free(histogram);
nvshmem_free(d_input);
nvshmem_free(d_histogram);
// 最终确定 nvshmem
nvshmem_finalize();
return 0;
编译和运行命令:
nvcc -x cu -arch=sm_70 -rdc=true -I $NVSHMEM_HOME/include -L $NVSHMEM_HOME/lib -lnvshmem -lcuda -o histogram_step1 exercises/histogram_step1.cpp
nvshmrun -np $NUM_DEVICES ./histogram_step1
运行结果如下:
Tabulation time = 0.033777 ms
Combination time = 0.042937 ms
Histogram counters:
Bucket [0, 65535]: 4135
...
Bucket [262144, 327679]: 4028
...
Bucket [524288, 589823]: 4088
...
Bucket [786432, 851967]: 4100
以上是关于nvidia CUDA 高级编程NVSHMEM 直方图——复制式方法的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
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