六 GPU 并行优化的几种典型策略

前言

　　如何对现有的程序进行并行优化，是 GPU 并行编程技术最为关注的实际问题。本文将提供几种优化的思路，为程序并行优化指明道路方向。

优化前准备

　　首先，要明确优化的目标 - 是要将程序提速 2 倍？还是 10 倍？100倍？也许你会不假思索的说当然是提升越高越好。

　　但这里存在一个优化成本的问题。在同样的技术水平硬件水平下，提升 2 倍也许只要一个下午的工作量，但提高 10 倍可能要考虑到更多的东西，也许是一周的工作量。提高 100 倍， 1000 倍需要的成本，时间就更多了。

　　然后，需要将这个问题进行分解。通常来说先对数据集进行分解，然后将任务进行分解。这里要从数据集这样的矩阵角度来分析数据，将输入集和输出集中各个格点的对应关系找出来，然后分派给各个块，各个线程。

策略一：识别代码中的瓶颈所在

　　分析程序效率的瓶颈所在一方面靠的是分析。这种方式对于代码结构比较简单的程序非常有用，但对于实际应用中的复杂项目，人脑分析往往会导致错误的结论 - 也许你费尽心思想出来了瓶颈，然后对它做了优化，之后却发现效率仅仅提升了 1%。

　　因此更有效的方法是使用分析工具来找出瓶颈，可以使用 CUDA Profiler 或者 Parallel Nsight。

　　使用 Parallel Nsight 分析并行程序的方法请参考我的这篇文章：(准备中...)

　　还有一点要特别说明的是，在 GPU 进行数据处理的时候，CPU 可以考虑做点别的事情，比如去服务器取数之类的，这样就将 CPU 并行和 GPU 并行结合起来了，程序效率自然会大大提高。

策略二：合理的利用内存

　　首先，要灵活的使用显卡中的各类内存结构，如共享内存，常量内存等。特别要注意共享内存的使用，它的速度可是接近一级缓存的。

　　此外，必要时对多个内核函数进行融合。因为这样可以避免启动新的内核函数时需要进行的数据传递问题，还可以重用前面的任务遗留下的一些有用的数据。不过，如果是对别人写的多个内核函数进行融合的话，一定要注意其中隐含的同步问题 - 上个内核函数的代码彻底执行完毕之后，下个内核函数才会开始执行。

　　然后，对于数据的访问应该采取合并访问的方式 - 尽量使用 cudaMalloc 函数。一次访问的数据应当大于 128 字节，这样才能充分地利用显卡的带宽。

策略三：传输过程的优化

　　前面的文章已经提到过很多次了，数据在内存和显存之间进行交换是非常费时的。

　　对于这样的问题，首先我们可以以锁页内存的方式使用主机端内存。所谓锁页内存，是指该区域内存和显卡的传递不需要 CPU 来干预，如果某区域不声明为锁页内存，那么在内存往显存中或者显存往内存中传递数据前，会发生一些开销不小的锁定操作(表示该区域内存正在和显存发生数据传递，CPU勿扰)。

　　使用方法是调用 cudaHostAlloc 函数。这个函数的功能不单单是声明锁页内存那么简单。通过设置函数的参数，该函数还能实现很多非常实用的功能，个人非常推荐。

　　然后，还需要重点推荐的是零复制内存。它是一种特殊的锁页内存，一种特殊的内存映射。它允许你将主机内存映射到 GPU 的内存空间。如果你的程序是计算密集型的，那么这个机制就会非常有用，它会自动将数据传输和计算重叠。具体用法请参考我的这 篇文章。

策略四：线程结构布局的优化

　　建立科学的计算网格，通过设定合适的维数，块数，以及块内线程数来尽量实现合并的内存访问，保证最大的内存带宽。

　　要学会灵活使用多维度的计算网格，而不是仅仅局限于一维。多维计算网格的使用请参考我的这篇文章。

　　尤其在单维度的块数受到限制的时候，多维网格就必须被考虑进来了。

策略五：从算法本身进行任务级的分解

　　将算法的步骤分解各个不相关的部分，步骤内采用GPU并行，这几个步骤则采用CPU并行。

策略六：灵活使用 CUDA C 的一些库还有 API

　　CUDA C 提供了很多实用的 API，且提供相当多的C++支持 (非全部)。能大大地提高开发效率。如原子操作函数等等，很方便。

　　CUDA 提供了许多实用的库：如 cuBlas cuSparse等，不在此一一介绍。尤其是 Thrust 库，简直就是 STL 的并行实现，拿来直接用非常方便。

小结

　　优化思路可以说是 CUDA 并行编程最为核心，也是最为关键所在。

　　本文仅仅是提供优化的总体策略和思路，至于具体的实现方法，请参考相关资料实现之。