• 【CUDA并行编程之四】矩阵相乘



    前面介绍了基本的Cuda编程的相关知识,那么这一篇在此基础之上来看看GPU在处理数据计算上的高效能,我们拿矩阵相乘来作为例子。


    1.CPU上执行矩阵相乘以及性能。

    在CPU上进行矩阵相乘运算的代码:

    mat_mul.cc:

    1. //a[i]*b[i] + c[i] = d[i]  
    2. #include<iostream>  
    3. #include<vector>  
    4. #include<map>  
    5. #include<fstream>  
    6. #include"wtime.h"   
    7.   
    8. using namespace std;  
    9.   
    10. const int N = 320;  
    11.   
    12. //矩阵有两种表达的方法用二维矩阵或者用一维矩阵表示  
    13. int a[N+1][N+1],b[N+1][N+1],c[N+1][N+1],d[N+1][N+1];  
    14. int aa[(N+1)*(N+1)],bb[(N+1)*(N+1)],cc[(N+1)*(N+1)],dd[(N+1)*(N+1)];  
    15.   
    16. void init()  
    17. {  
    18.     for(int i=0;i<N;i++)  
    19.         for(int j=0;j<N;j++)  
    20.         {  
    21.             a[i][j] = 1;  
    22.             b[i][j] = 2;  
    23.             c[i][j] = 3;  
    24.         }  
    25. }  
    26.   
    27. void init1()  
    28. {  
    29.     for(int i=0;i<N;i++)  
    30.         for(int j=0;j<N;j++)  
    31.         {  
    32.             aa[i*N+j] = 1;  
    33.             bb[i*N+j] = 2;  
    34.             cc[i*N+j] = 3;  
    35.         }  
    36. }  
    37.   
    38. void mul()  
    39. {  
    40.     for(int i=0;i<N;i++)   
    41.       for(int j=0;j<N;j++)  
    42.       {  
    43.         for(int k=0;k<N;k++)  
    44.         {  
    45.             d[i][j] += a[i][k] * b[k][j];  
    46.         }  
    47.         d[i][j] += c[i][j];  
    48.       }  
    49. }  
    50.   
    51. void mul1()  
    52. {  
    53.     for(int i=0;i<N;i++)   
    54.       for(int j=0;j<N;j++)  
    55.       {  
    56.         for(int k=0;k<N;k++)  
    57.         {  
    58.             dd[i*N+j] += aa[i*N+k] * bb[k*N+j];  
    59.         }  
    60.         dd[N*i+j] += cc[N*i+j];  
    61.       }  
    62. }  
    63.   
    64. void print()  
    65. {  
    66.     ofstream fout;  
    67.     fout.open("result.txt");  
    68.     if(!fout)  
    69.     {  
    70.         perror("can not open the file");  
    71.     }  
    72.     for(int i=0;i<N;i++)  
    73.     {  
    74.       for(int j=0;j<N;j++)  
    75.       {  
    76.           fout<<d[i][j]<<" ";  
    77.       }  
    78.       fout<<endl;  
    79.     }  
    80.     fout.close();  
    81. }  
    82.   
    83. int main()  
    84. {  
    85.     init1();      
    86.       
    87.     double t = wtime();  
    88.     mul1();  
    89.     t = wtime()-t;  
    90.     printf("computation timing = %10.10f sec ",t);  
    91.       
    92.     //print();  
    93.   
    94.     return 0;  
    95. }  
    wtime.h:

    1. #ifndef _WTIME_  
    2. #define _WTIME_  
    3.   
    4. double wtime();  
    5.   
    6. #endif  


    wtime.cc:

    1. #include <stdio.h>  
    2. #include <sys/time.h>  
    3. #include <iostream>  
    4. #include <cstdlib>  
    5.   
    6. double wtime(void)  
    7. {  
    8.     double now_time;  
    9.     struct timeval etstart;  
    10.     struct timezone tzp;  
    11.   
    12.     if(gettimeofday(&etstart,&tzp)==-1)  
    13.     {  
    14.         perror("Error:calling gettimeofday() not successfully. ");  
    15.     }  
    16.   
    17.     now_time = ( (double)etstart.tv_sec ) + ((double)etstart.tv_usec) / 1000000.0;  
    18.   
    19.     return now_time;  
    20. }  
    21.   
    22. #if 0  
    23. int main()  
    24. {  
    25.     double time;  
    26.     time = wtime();  
    27.   
    28.     printf("time of day = %10.4f ",time);  
    29.   
    30.     return 0;  
    31. }  
    32. #endif  

    makefile:

    1. target:  
    2.     g++ mat_mul.cc wtime.cc  
    3.     ./a.out  

    结果:



    2.GPU上执行矩阵相乘以及性能。

    代码:

    cuda_mat_mul_v1.cu:

    1. //matrix multiplication with global memory   
    2. #include<iostream>  
    3. #include<fstream>  
    4. #include "wtime.h"  
    5.   
    6. using namespace std;  
    7.   
    8.   
    9. const int BLOCK_SIZE = 16;  
    10. const int GRID_SIZE = 20;  
    11.   
    12. //D = A * B + C;  
    13. __global__ void mat_mul(int *da,int *db,int *dc,int *dd,int N)  
    14. {  
    15.     int row = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;  
    16.     int col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;  
    17.   
    18.     int sum = 0;  
    19.     for(int i=0;i<N;i++)  
    20.     {  
    21.         sum += da[row*N + i] * db[row*i+col];  
    22.     }  
    23.     dd[row*N + col] = sum + dc[row*N + col];  
    24. }  
    25.   
    26. int main()  
    27. {  
    28.     int N = BLOCK_SIZE * GRID_SIZE;  
    29.     int *ha,*hb,*hc,*hd;  
    30.     int *da,*db,*dc,*dd;  
    31.     double time;  
    32.     ha = new int[N*N];  
    33.     hb = new int[N*N];  
    34.     hc = new int[N*N];  
    35.     hd = new int[N*N];  
    36.     cudaError_t err;  
    37.   
    38.     //initialize  
    39.     for(int i=0;i<N;i++)  
    40.         for(int j=0;j<N;j++)  
    41.         {  
    42.             ha[i*N+j] = 1;  
    43.             hb[i*N+j] = 2;  
    44.             hc[i*N+j] = 3;  
    45.         }  
    46.   
    47.     //malloc</strong>  
    48.     cudaMalloc(&da,N*N*sizeof(int));  
    49.     cudaMalloc(&db,N*N*sizeof(int));  
    50.     cudaMalloc(&dc,N*N*sizeof(int));  
    51.     err = cudaMalloc(&dd,N*N*sizeof(int));  
    52.     printf("Cuda Malloc C : %s ",cudaGetErrorString(err));  
    53.   
    54.     //host to device  
    55.     cudaMemcpy(da,ha,N*N*sizeof(int),cudaMemcpyHostToDevice);  
    56.     cudaMemcpy(db,hb,N*N*sizeof(int),cudaMemcpyHostToDevice);  
    57.     cudaMemcpy(dc,hc,N*N*sizeof(int),cudaMemcpyHostToDevice);  
    58.     cudaMemcpy(dd,hd,N*N*sizeof(int),cudaMemcpyHostToDevice);  
    59.   
    60.     dim3 threadBlock(BLOCK_SIZE,BLOCK_SIZE);  
    61.     dim3 grid(GRID_SIZE,GRID_SIZE);  
    62.     //kernel  
    63.     time = wtime();  
    64.     mat_mul<<<grid,threadBlock>>>(da,db,dc,dd,N);  
    65.     printf("Computation time is %10.10f ",wtime()-time);  
    66.   
    67.     //device to host  
    68.     cudaMemcpy(hd,dd,N*N*sizeof(int),cudaMemcpyDeviceToHost);  
    69.   
    70.     //print result to file  
    71.     ofstream fout;  
    72.     fout.open("result_v1.txt");  
    73.     if(!fout)    
    74.     {  
    75.         cerr<<"open the file error"<<endl;  
    76.         exit(-1);  
    77.     }  
    78.     for(int i=0;i<N;i++)   
    79.     {  
    80.         for(int j=0;j<N;j++)  
    81.         {  
    82.             fout<<hd[i*N+j]<<" ";  
    83.         }  
    84.         fout<<endl;  
    85.     }  
    86.       
    87.     delete []ha;delete []hb;delete []hc;delete []hd;  
    88.     cudaFree(da);cudaFree(db);cudaFree(dc);cudaFree(dd);  
    89.   
    90.     return 0;  
    91. }  
    cuda_wtime.cu:

    1. #include <stdio.h>  
    2. #include <sys/time.h>  
    3. #include <iostream>  
    4. #include <cstdlib>  
    5.   
    6. double wtime(void)  
    7. {  
    8.     double now_time;  
    9.     struct timeval etstart;  
    10.     struct timezone tzp;  
    11.   
    12.     if(gettimeofday(&etstart,&tzp)==-1)  
    13.     {  
    14.         perror("Error:calling gettimeofday() not successfully. ");  
    15.     }  
    16.   
    17.     now_time = ( (double)etstart.tv_sec ) + ((double)etstart.tv_usec) / 1000000.0;  
    18.   
    19.     return now_time;  
    20. }  
    21.   
    22. #if 0  
    23. int main()  
    24. {  
    25.     double time;  
    26.     time = wtime();  
    27.   
    28.     printf("time of day = %10.4f ",time);  
    29.   
    30.     return 0;  
    31. }  
    32. #endif  
    wtime.h:
    1. #ifndef _WTIME_  
    2. #define _WTIME_  
    3.   
    4. double wtime();  
    5.   
    6. #endif  


    cuda_wtime.cu:

    1. #include <stdio.h>  
    2. #include <sys/time.h>  
    3. #include <iostream>  
    4. #include <cstdlib>  
    5.   
    6. double wtime(void)  
    7. {  
    8.     double now_time;  
    9.     struct timeval etstart;  
    10.     struct timezone tzp;  
    11.   
    12.     if(gettimeofday(&etstart,&tzp)==-1)  
    13.     {  
    14.         perror("Error:calling gettimeofday() not successfully. ");  
    15.     }  
    16.   
    17.     now_time = ( (double)etstart.tv_sec ) + ((double)etstart.tv_usec) / 1000000.0;  
    18.   
    19.     return now_time;  
    20. }  
    21.   
    22. #if 0  
    23. int main()  
    24. {  
    25.     double time;  
    26.     time = wtime();  
    27.   
    28.     printf("time of day = %10.4f ",time);  
    29.   
    30.     return 0;  
    31. }  
    32. #endif  

    makefile:

    1. cu:  
    2.     nvcc cuda_mat_mul_v1.cu cuda_wtime.cu  
    3.     ./a.out  

    结果:



    3.计算性能对比:

    矩阵大小
    1600*1600
    1200*1200
    800*800
    320*320
    串行时间/s
    30.9
    11.49865
    2.597987
    0.162311
    并行时间
    grid=100/block=16
    grid=75/block=16
    grid=50/block=16
    grid=20/block=16
    kernel执行时间/s
    0.0000319
    0.0000309944
    0.0000309944
    0.0000231266
    并行计算总时间(分配内存加+数据拷贝+计算)/s
    0.70796
    0.439213
    0.310214
    0.237676

    可见,在矩阵规模大的时候非常明显的体现出了GPU强大的计算能力。


    注明出处:http://blog.csdn.net/lavorange/article/details/41896591


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