在C#中的GPU加速——AleaGPU学习笔记(二)

注:在GPU编程中,我们一般说的设备端(Device)就是指GPU,而主机端(Host)则是指CPU

Parallel-For

Parallel-For用于对集合的每个元素或有序区间的每个索引执行相同的独立操作。如果这些操作没有写入其他操作访问的内存位置,则它们是独立的。与串行循环相比,对执行操作的顺序没有定义,并且操作可以并行运行。

void Gpu.For(int start, int end, Action<int> op);

前两个参数是指定循环范围的边界,第三个参数是一个Action,用来调用集合中的每一个数字,并将其作为参数。Gpu.For还需要一个GPU来运行,方便起见在Alea中提供了指定默认gpu的方法

var gpu = Gpu.Default;
var n = ...
gpu.For(0, n, i => 
{
    ...
});

Parallel-For工作原理如图所示,参数和结果构成一个闭包(closure)再传递给Parallel-For循环体。注意循环体中的操作必须彼此独立,它们不允许通过写入共享变量或共享数组元素进行通信。


Parallel-For使用原理

下面是一个计算两个数组元素和的示例

using Alea.Parallel;

var gpu = Gpu.Default;
var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
var result = new int[Length];

gpu.For(0, result.Length, i => result[i] = arg1[i] + arg2[i]);

利用action可以访问循环体外部定义的数据元素,并且支持直接写出结果到.NET数组。Alea GPU的内存管理是自动的,下面的章节会进一步解释。

笔者下载了Alea.Parallel的示例代码,加上自己改写的部分,做了做运行速度测试,功能是计算10000000次两数组元素和,代码如下

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using Alea;
using Alea.Parallel;

namespace DeviceQuery
{
    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Stopwatch sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            DelegateWithClosureCpu(); //CPU并行闭包委托
            sw.Stop();
            double time1 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;

            sw.Restart();
            DelegateWithClosureGpu();//GPU并行闭包委托
            sw.Stop();
            double time2 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;

            sw.Restart();
            ActionWithClosure();//GPU并行闭包Action
            sw.Stop();
            double time3 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;

            sw.Restart();
            ActionFactoryWithClosureGPU();//GPU并行闭包Func和CPU并行闭包Func
            sw.Stop();
            double time4 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;

            sw.Restart();
            ActionFactoryWithClosureCPU();//CPU并行闭包Func和CPU并行闭包Func
            sw.Stop();
            double time5 = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;

            Console.WriteLine(time1);
            Console.WriteLine(time2);
            Console.WriteLine(time3);
            Console.WriteLine(time4);
            Console.WriteLine(time5);


            Console.ReadKey();
        }

            private const int Length = 10000000;
            public static void DelegateWithClosureCpu()
            {
                var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
                var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
                var result = new int[Length];

                Parallel.For(0, result.Length, i => result[i] = arg1[i] + arg2[i]);

                var expected = arg1.Zip(arg2, (x, y) => x + y);
            }

            [GpuManaged]
            public static void DelegateWithClosureGpu()
            {
                var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
                var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
                var result = new int[Length];
            
                Gpu.Default.For(0, result.Length, i => result[i] = arg1[i] + arg2[i]);

                var expected = arg1.Zip(arg2, (x, y) => x + y);
            }
        [GpuManaged]
        public static void ActionWithClosure()
        {
            var gpu = Gpu.Default;
            var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var result = new int[Length];

            Action<int> op = i => result[i] = arg1[i] + arg2[i];

            gpu.For(0, arg1.Length, op);

            var expected = arg1.Zip(arg2, (x, y) => x + y);

        }

        [GpuManaged]
        public static void ActionFactoryWithClosureGPU()
        {
            var gpu = Gpu.Default;
            var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var result = new int[Length];
            var expected = new int[Length];

            Func<int[], Action<int>> opFactory = res => i => res[i] = arg1[i] + arg2[i];

            gpu.For(0, arg1.Length, opFactory(result));
        }

        [GpuManaged]
        public static void ActionFactoryWithClosureCPU()
        {
            var gpu = Gpu.Default;
            var arg1 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var arg2 = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
            var result = new int[Length];
            var expected = new int[Length];

            Func<int[], Action<int>> opFactory = res => i => res[i] = arg1[i] + arg2[i];

            Parallel.For(0, arg1.Length, opFactory(expected));
        }
    }
}

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