CUDA Samples: Julia

以下CUDA sample是分别用C++和CUDA实现的绘制Julia集曲线，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》一书的第四章，各个文件内容如下：

funset.cpp:

#include "funset.hpp"
#include <random>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
#include "common.hpp"
#include <opencv2/opencv.hpp>

int test_julia()
{
	const int width{ 512 }, height = width;
	const float scale{ 1.5f };
	cv::Mat mat1(height, width, CV_8UC4), mat2(height, width, CV_8UC4);

	float elapsed_time1{ 0.f }, elapsed_time2{ 0.f }; // milliseconds

	int ret = julia_cpu(mat1.data, width, height, scale, &elapsed_time1);
	if (ret != 0) PRINT_ERROR_INFO(julia_cpu);

	ret = julia_gpu(mat2.data, width, height, scale, &elapsed_time2);
	if (ret != 0) PRINT_ERROR_INFO(julia_gpu);

	for (int y = 0; y < height; ++y) {
		for (int x = 0; x < width; ++x) {
			cv::Vec4b val1 = mat1.at<cv::Vec4b>(y, x);
			cv::Vec4b val2 = mat2.at<cv::Vec4b>(y, x);

			for (int i = 0; i < 4; ++i) {
				if (val1[i] != val2[i]) {
					fprintf(stderr, "their values are different at (%d, %d), i: %d, val1: %d, val2: %d\n",
						x, y, i, val1[i], val2[i]);
					//return -1;
				}
			}
		}
	}

	const std::string save_image_name{ "E:/GitCode/CUDA_Test/julia.jpg" };
	cv::imwrite(save_image_name, mat2);

	fprintf(stderr, "cpu run time: %f ms, gpu run time: %f ms\n", elapsed_time1, elapsed_time2);

	return 0;
}

julia.cpp:

#include "funset.hpp"
#include "common.hpp"
#include <chrono>

struct Complex {
	float r, i;
	Complex(float a, float b) : r(a), i(b) {}
	float magnitude2() { return r * r + i * i; }
	Complex operator * (const Complex& a) { return Complex(r*a.r - i*a.i, i*a.r + r*a.i); }
	Complex operator + (const Complex& a) { return Complex(r + a.r, i + a.i); }
};

static int julia(int x, int y, int width, int height, float scale)
{
	float jx = scale * (float)(width / 2 - x) / (width / 2);
	float jy = scale * (float)(height / 2 - y) / (height / 2);

	Complex c(-0.8, 0.156);
	Complex a(jx, jy);

	for (int i = 0; i < 200; ++i) {
		a = a * a + c;
		if (a.magnitude2() > 1000)
			return 0;
	}

	return 1;
}

int julia_cpu(unsigned char* ptr, int width, int height, float scale, float* elapsed_time)
{
	auto start = std::chrono::steady_clock::now();

	for (int y = 0; y < height; ++y) {
		for (int x = 0; x < width; ++x) {
			int offset = x + y * width;

			int julia_value = julia(x, y, width, height, scale);
			ptr[offset * 4 + 0] = 255 * julia_value;
			ptr[offset * 4 + 1] = 0;
			ptr[offset * 4 + 2] = 0;
			ptr[offset * 4 + 3] = 255;
		}
	}

	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;
}

julia.cu:

#include "funset.hpp"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <memory>
#include <cuda_runtime.h> // For the CUDA runtime routines (prefixed with "cuda_")
#include <device_launch_parameters.h>
#include "common.hpp"

struct Complex {
	float r, i;
	__device__ Complex(float a, float b) : r(a), i(b)  {}
	__device__ float magnitude2(void) { return r * r + i * i; }
	__device__ Complex operator*(const Complex& a) { return Complex(r*a.r - i*a.i, i*a.r + r*a.i); }
	__device__ Complex operator+(const Complex& a) { return Complex(r + a.r, i + a.i); }
};

/* __device__: 函数类型限定符,表明被修饰的函数在设备上执行，只能从设备上调用，
但只能在其它__device__函数或者__global__函数中调用；__device__函数不支持递归；
__device__函数的函数体内不能声明静态变量；__device__函数的参数数目是不可变化的;
不能对__device__函数取指针 */
__device__ static int julia_(int x, int y, int width, int height, float scale)
{
	float jx = scale * (float)(width / 2 - x) / (width / 2);
	float jy = scale * (float)(height / 2 - y) / (height / 2);

	Complex c(-0.8, 0.156);
	Complex a(jx, jy);

	int i = 0;
	for (i = 0; i<200; i++) {
		a = a * a + c;

		if (a.magnitude2() > 1000)
			return 0;
	}

	return 1;
}

/* __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 julia(unsigned char* ptr, int width, int height, float scale)
{
	/* 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 */
	//map from blockIdx to pixel position
	int x = blockIdx.x;
	int y = blockIdx.y;
	int offset = x + y * gridDim.x;

	// now calculate the value at that position
	int juliaValue = julia_(x, y, width, height, scale);

	ptr[offset * 4 + 0] = 255 * juliaValue;
	ptr[offset * 4 + 1] = 0;
	ptr[offset * 4 + 2] = 0;
	ptr[offset * 4 + 3] = 255;
}

int julia_gpu(unsigned char* ptr, int width, int height, float scale, float* elapsed_time)
{
	/* 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);

	const size_t length{ width * height * 4 * sizeof(unsigned char)};
	unsigned char* dev{ nullptr };
	// cudaMalloc: 在设备端分配内存
	cudaMalloc(&dev, length);

	dim3 grids(width, height);
	/* <<< >>>: 为CUDA引入的运算符,指定线程网格和线程块维度等,传递执行参
	数给CUDA编译器和运行时系统,用于说明内核函数中的线程数量,以及线程是如何
	组织的;尖括号中这些参数并不是传递给设备代码的参数,而是告诉运行时如何
	启动设备代码,传递给设备代码本身的参数是放在圆括号中传递的,就像标准的函
	数调用一样;不同计算能力的设备对线程的总数和组织方式有不同的约束;必须
	先为kernel中用到的数组或变量分配好足够的空间,再调用kernel函数,否则在
	GPU计算时会发生错误,例如越界等;
	使用运行时API时,需要在调用的内核函数名与参数列表直接以<<<Dg,Db,Ns,S>>>
	的形式设置执行配置,其中：Dg是一个dim3型变量,用于设置grid的维度和各个
	维度上的尺寸.设置好Dg后,grid中将有Dg.x*Dg.y个block,Dg.z必须为1;Db是
	一个dim3型变量,用于设置block的维度和各个维度上的尺寸.设置好Db后,每个
	block中将有Db.x*Db.y*Db.z个thread;Ns是一个size_t型变量,指定各块为此调
	用动态分配的共享存储器大小,这些动态分配的存储器可供声明为外部数组
	(extern __shared__)的其他任何变量使用;Ns是一个可选参数,默认值为0;S为
	cudaStream_t类型,用于设置与内核函数关联的流.S是一个可选参数,默认值0. */
	julia << <grids, 1 >> >(dev, width, height, scale);

	/* cudaMemcpy: 在主机端和设备端拷贝数据,此函数第四个参数仅能是下面之一:
	(1). cudaMemcpyHostToHost: 拷贝数据从主机端到主机端
	(2). cudaMemcpyHostToDevice: 拷贝数据从主机端到设备端
	(3). cudaMemcpyDeviceToHost: 拷贝数据从设备端到主机端
	(4). cudaMemcpyDeviceToDevice: 拷贝数据从设备端到设备端
	(5). cudaMemcpyDefault: 从指针值自动推断拷贝数据方向,需要支持
	统一虚拟寻址(CUDA6.0及以上版本)
	cudaMemcpy函数对于主机是同步的 */
	cudaMemcpy(ptr, dev, length, cudaMemcpyDeviceToHost);

	// cudaFree: 释放设备上由cudaMalloc函数分配的内存
	cudaFree(dev);

	// 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;
}

生成的图像如下：

执行结果如下：有结果可知，对于C++和CUDA实现的Julia，有个别像素点值并不是完全一致的。

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