如何在 CUDA 上对 struct 应用原子操作？

Posted 2023-02-16

【中文标题】如何在 CUDA 上对 struct 应用原子操作？

【英文标题】：How do I apply atomic operation for struct on CUDA?

【发布时间】：2020-10-16 22:13:07

【问题描述】：

让struct定义如下：

typedef struct S  
    float x;
    float y;
 T;

而操作struct_add定义如下：

__device__ T struct_add(T a1, T a2) 
    T result;
    result.x = a1.x + a2.x;
    result.y = a1.y + a2.y;

如果我想以原子方式应用struct_add，我该如何在 CUDA 中实现呢？例如a、b、c需要用struct_add求和，结果需要存放在d中。 （其中a、b、c和d的类型为T）

听说不推荐通过 while 循环进行“锁定和访问控制”。有什么合适的方法来实现吗？

【参考方案1】：

CUDA 没有提供涵盖任意结构原子更新的通用原子方法。一些可能性：

因为您特别想更新两个相邻的 32 位项目，您可以使用通用的 64 位原子操作，它是here 描述的变体。

另一种选择是您已经提到的，基本上是实现critical section。

最后，另一种可能的方法可能是parallel reduction，尽管这并不完全类似于原子使用

根据上面的建议 1，这里是对代码 from this answer 的修改，它可能表明您可以如何使用 64 位原子：

$ cat t56.cu
#include <stdio.h>
#define DSIZE 512
#define nTPB 256

#define cudaCheckErrors(msg) \
    do  \
        cudaError_t __err = cudaGetLastError(); \
        if (__err != cudaSuccess)  \
            fprintf(stderr, "Fatal error: %s (%s at %s:%d)\n", \
                msg, cudaGetErrorString(__err), \
                __FILE__, __LINE__); \
            fprintf(stderr, "*** FAILED - ABORTING\n"); \
            exit(1); \
         \
     while (0)

typedef union 
  float floats[2];
  unsigned long long int ulong;    // for atomic update
 my_atomics;

__device__ my_atomics test;

__device__ unsigned long long int my_atomicAdd_2floats(unsigned long long int* address, float val0, float val1)

    my_atomics loctest;
    unsigned long long old = *address;
    do 
      loctest.ulong = old;
      my_atomics loc;
      loc.floats[0] = val0 + loctest.floats[0];
      loc.floats[1] = val1 + loctest.floats[1];
      old = atomicCAS(address, loctest.ulong,  loc.ulong);
    while (old != loctest.ulong);
    return old;



__global__ void min_test(const float* data)


    int idx = (blockDim.x * blockIdx.x) + threadIdx.x;
    if (idx < DSIZE)
      my_atomicAdd_2floats(&(test.ulong), data[idx], (float)idx);


int main() 

  float *d_data, *h_data;
  my_atomics my_init;
  my_init.floats[0] = 0.0f;
  my_init.floats[1] = 0.0f;

  h_data = (float *)malloc(DSIZE * sizeof(float));
  if (h_data == 0) printf("malloc fail\n"); return 1;
  cudaMalloc((void **)&d_data, DSIZE * sizeof(float));
  cudaCheckErrors("cm1 fail");
  for (int i = 0; i < DSIZE; i++) h_data[i] = 1.0f;
  cudaMemcpy(d_data, h_data, DSIZE*sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
  cudaCheckErrors("cmcp1 fail");
  cudaMemcpyToSymbol(test, &(my_init.ulong), sizeof(unsigned long long int));
  cudaCheckErrors("cmcp2 fail");
  min_test<<<(DSIZE+nTPB-1)/nTPB, nTPB>>>(d_data);
  cudaDeviceSynchronize();
  cudaCheckErrors("kernel fail");

  cudaMemcpyFromSymbol(&(my_init.ulong), test, sizeof(unsigned long long int));
  cudaCheckErrors("cmcp3 fail");

  printf("device float0 result = %f\n", my_init.floats[0]);
  printf("device float1 result = %f\n", my_init.floats[1]);

  float host_val0 = 0.0f;
  float host_val1 = 0.0f;
  for (int i=0; i<DSIZE; i++) 
          host_val0 += h_data[i];
          host_val1 += (float)(i);
  printf("host float0 result = %f\n", host_val0);
  printf("host float1 result = %f\n", host_val1);
  return 0;

$ nvcc -arch=sm_35 -o t56 t56.cu -Wno-deprecated-gpu-targets
$ cuda-memcheck ./t56
========= CUDA-MEMCHECK
device float0 result = 512.000000
device float1 result = 130816.000000
host float0 result = 512.000000
host float1 result = 130816.000000
========= ERROR SUMMARY: 0 errors
$

我不保证上述代码没有缺陷。我建议在使用前仔细测试。

【讨论】：

如果结构中有浮点数[4]，如何扩展？

不能，因为 4 个浮点数总共是 128 位，而 CUDA 硬件原子机制目前停止在 64 位。对于较大的结构更新，其他 2 个建议之一可能是您想要考虑的：并行缩减方案（可能是最好的）或关键部分。或者重新设计您的算法，使其不需要 4 次同时原子更新。

如果你在做atomicAdd，我不清楚为什么你需要一个“耦合”的原子操作，比如这里讨论的。在我看来，对于您的 floats[4] 案例，您可以执行 4 次单独的 float atomicAdd 操作。