CUDA学习之二：shared_memory使用，矩阵相乘

CUDA中使用shared_memory可以加速运算，在矩阵乘法中是一个体现。

矩阵C = A * B，正常运算时我们运用 C[i,j] = A[i,:] * B[:,j] 可以计算出结果。但是在CPU上完成这个运算我们需要大量的时间，设A[m,n]，B[n,k]，那么C矩阵为m*k，总体，我们需要做m*n*k次乘法运算，m*(b-1)*k次加法运算，并且是串行执行，总体的复杂度为O(m*n*k) 。

矩阵类：

class Matrix
{
public:
    int cols;   // x
    int rows;   // y
    float *data;  //数据，一位数组
}

CPU上的程序,一个三层循环

for(int i =0;i< C.rows;i++)
    {
        for(int j =0;j< C.cols;j++)
        {
            float *a = A.data;
            float *b = B.data;
            for(int k=0;k<A.cols;k++)
                C.data[i*C.cols+j]+=a[i*A.cols+k] * b[k*B.cols+j];
        }
    }
}

我们想到用GPU加速，在CUDA上实现，我们这么写kernel：

__global__ void matrixMulKernel(const Matrix A, const Matrix B, Matrix C)
{  
    // Each thread computes one element of C  
    // by accumulating results into Cvalue  
    float Cvalue = 0;  
    int row = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;  
    int col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;  
    for (int e = 0; e < A.cols; ++e)  
    Cvalue += A.data[row * A.cols + e]* B.data[e * B.cols + col];  
    C.data[row * C.cols + col] = Cvalue;  
}  

此时，计算过程是并行的，但是访问A，B矩阵时，不能同时访问，因此主要的时间花在内存读取，每个线程读取A的一行，B的一列，计算C的对应值；所以这样需要从global memory中读n次A，m次B。时间复杂度是O(m+n)次内存访问，以及k次乘法运算。

实际上还有一种办法，可以用shared memory，这里我们把A，B矩阵按照blocksize划分为子矩阵subA[blocksize][blocksize]、subB[blocksize][blocksize]。并将子矩阵设置为__shared__。 thread block内所有threads共用（可读可写）shared memory。如此一来，A只从global memory读了n/block_size次，B只读了m/block_size次；时间复杂度是O(m/block_size+n/block_size)次内存访问，以及k次乘法运算。进一步减少的时间复杂度。代码如下：

__global__ void matrixMulKernel(const float *A, const float *B, float *C,int Aw ,int Bw)
{
    const int bs = CUDA_LG::block_size;
    int tx = threadIdx.x;
    int ty = threadIdx.y;
    int bx = blockIdx.x;
    int by = blockIdx.y;

    int aBlockFisrt = by * bs * Aw ; 
    int aBlockStep  = bs ; 
    int aBlockLast  = by * bs * Aw  + Aw - 1 ; 
    int bBlockFisrt = bx * bs ;
    int bBlockStep  = bs * Bw ;
    
    float subC=0;

    for(int a = aBlockFisrt,int b = bBlockFisrt; a <= aBlockLast ;a+=aBlockStep,b+=bBlockStep )
    {
        //定义两个shared memory的子矩阵
        __shared__ float  subA[bs][bs];
        __shared__ float  subB[bs][bs];

        subA[ty][tx] = A[a + ty * Aw + tx];
        subB[ty][tx] = B[b + ty * Bw + tx];

        __syncthreads(); 

        for(int i = 0;i<bs;i++)
        {
            subC += subA[ty][i] * subB[i][tx];
        }    

        __syncthreads();
    }
    C[ by*bs*Bw + bx*bs + ty * Bw +tx] = subC;

}

参考sample_6.5_SimplematrixMul程序。里面注释详细

参考Rachel zhang的博客CUDA学习系列之二：http://blog.csdn.net/abcjennifer/article/details/42528569