C++和CUDA混合编程

最近心血来潮,想用CUDA实现加速光流计算,简单研究了一下CUDA编程,自然地想到了CPP和CUDA的混合编程。
一般来说,CPP可通过g++、clang、MSVC等编译器编译,CUDA则使用NVIDIA的nvcc编译。
CUDA编程其实很大程度兼容C++,所以其实可以直接使用nvcc作为CPP文件的编译器。
下面举一个简单的例子来说明。

kernel.cu

#include <cuda_runtime.h>
#include <iostream>

__global__ void addKernel(int* c, const int* a, const int* b, int size) {
    int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (i < size) {
        c[i] = a[i] + b[i];
    }
}

void addWithCuda(int* c, const int* a, const int* b, int size) {
    int* dev_a = nullptr;
    int* dev_b = nullptr;
    int* dev_c = nullptr;

    cudaMalloc((void**)&dev_a, size * sizeof(int));
    cudaMalloc((void**)&dev_b, size * sizeof(int));
    cudaMalloc((void**)&dev_c, size * sizeof(int));

    cudaMemcpy(dev_a, a, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(dev_b, b, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);

    addKernel<<<1, size>>>(dev_c, dev_a, dev_b, size);

    cudaMemcpy(c, dev_c, size * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost);

    cudaFree(dev_a);
    cudaFree(dev_b);
    cudaFree(dev_c);
}
#include <iostream>

void addWithCuda(int *c, const int *a, const int *b, int size);

int main()
{
    const int size = 5;
    int a[size] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int b[size] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int c[size] = {0};

    addWithCuda(c, a, b, size);

    std::cout << "Result: ";
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        std::cout << c[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

或者在同一个CUDA文件中编写两种代码:

#include <cuda_runtime.h>
#include <iostream>

__global__ void addKernel(int* c, const int* a, const int* b, int size) {
    int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (i < size) {
        c[i] = a[i] + b[i];
    }
}

void addWithCuda(int* c, const int* a, const int* b, int size) {
    int* dev_a = nullptr;
    int* dev_b = nullptr;
    int* dev_c = nullptr;

    cudaMalloc((void**)&dev_a, size * sizeof(int));
    cudaMalloc((void**)&dev_b, size * sizeof(int));
    cudaMalloc((void**)&dev_c, size * sizeof(int));

    cudaMemcpy(dev_a, a, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(dev_b, b, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);

    addKernel<<<1, size>>>(dev_c, dev_a, dev_b, size);

    cudaMemcpy(c, dev_c, size * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost);

    cudaFree(dev_a);
    cudaFree(dev_b);
    cudaFree(dev_c);
}

int main()
{
    const int size = 5;
    int a[size] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int b[size] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int c[size] = {0};

    addWithCuda(c, a, b, size);

    std::cout << "Result: ";
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        std::cout << c[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

如果是前者,需要编译main.cppkernel.cu,那么编译指令是:

nvcc main.cpp kernel.cu -o main.exe -lcudart -L"C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v12.4\lib\x64"

后者直接编译kernel.cu

nvcc kernel.cu -o main.exe -lcudart -L"C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v12.4\lib\x64"

最后都会生成可执行文件kernel.exe
实测nvcc应该可以支持C++ 17的标准,需要版本大于9.0。

### CUDAC++混合编程简介 CUDA是一种并行计算平台编程模型,允许开发者利用NVIDIA GPU的强大性能来加速应用程序。当涉及到复杂的科学计算或机器学习任务时,通常会结合C++的灵活性以及CUDA的高性能特性来进行开发。 以下是关于如何进行CUDAC++混合编程的一些核心概念技术要点: #### 1. 基本结构 在CUDAC++混合编程中,程序可以分为两部分:主机代码(Host Code)设备代码(Device Code)。主机代码运行于CPU上,而设备代码则运行于GPU上[^1]。 - 主机代码负责初始化数据、分配内存以及调用设备函数。 - 设备代码实现具体的并行算法逻辑。 ```cpp #include <cuda_runtime.h> #include <iostream> __global__ void addKernel(int *c, const int *a, const int *b, int size) { int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; if (i < size) c[i] = a[i] + b[i]; } void runOnGpu(const std::vector<int>& h_a, const std::vector<int>& h_b, std::vector<int>& h_c) { int size = h_a.size(); int bytes = sizeof(int) * size; // Allocate device memory int* d_a, *d_b, *d_c; cudaMalloc((void**)&d_a, bytes); cudaMalloc((void**)&d_b, bytes); cudaMalloc((void**)&d_c, bytes); // Copy data from host to device cudaMemcpy(d_a, h_a.data(), bytes, cudaMemcpyHostToDevice); cudaMemcpy(d_b, h_b.data(), bytes, cudaMemcpyHostToDevice); // Launch kernel int threadsPerBlock = 256; int blocksPerGrid = (size + threadsPerBlock - 1) / threadsPerBlock; addKernel<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(d_c, d_a, d_b, size); // Copy result back to host cudaMemcpy(h_c.data(), d_c, bytes, cudaMemcpyDeviceToHost); // Free device memory cudaFree(d_a); cudaFree(d_b); cudaFree(d_c); } ``` 上述代码展示了如何定义一个简单的核函数`addKernel`,并通过CUDA API管理内存传输执行流程。 --- #### 2. 数据传递机制 为了使主机设备之间的通信更加高效,需注意以下几个方面: - **显存分配**:使用`cudaMalloc`为设备端变量分配空间。 - **数据复制**:通过`cudaMemcpy`完成主机到设备的数据拷贝操作。 - **同步控制**:可以通过`cudaDeviceSynchronize()`确保所有线程都已完成当前工作后再继续后续处理。 这些步骤对于优化整体性能至关重要[^3]。 --- #### 3. 并行化策略设计 编写高效的CUDA程序依赖合理的并行化方案设计。例如,在矩阵乘法运算中可以选择不同的分块方式以减少全局存储器访问次数从而提升效率[^2]。 --- #### 4. 工具链支持 构建包含CUDA扩展名`.cu`文件的应用项目需要特定编译工具链的支持。常用的有NVCC(NVIDIA Cuda Compiler),它能够解析标准C/C++源码同时也理解专属于GPU架构下的指令集语法。 --- #### 5. 调试技巧 由于异构环境增加了复杂度,因此掌握有效的调试方法尤为重要。推荐采用Nsight系列工具或者Visual Studio集成插件辅助定位潜在错误点。 --- ### 总结 综上所述,成功实施CUDA-C++联合解决方案不仅要求扎实的基础理论功底还需要不断实践积累经验教训才能达到理想效果。
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