CUDA从入门到精通（十）：性能剖析和Visual Profiler

入门后的进一步学习的内容，就是如何优化自己的代码。我们前面的例子没有考虑任何性能方面优化，是为了更好地学习基本知识点，而不是其他细节问题。从本节开始，我们要从性能出发考虑问题，不断优化代码，使执行速度提高是并行处理的唯一目的。

测试代码运行速度有很多方法，C语言里提供了类似于SystemTime()这样的API获得系统时间，然后计算两个事件之间的时长从而完成计时功能。在CUDA中，我们有专门测量设备运行时间的API，下面一一介绍。

 

翻开编程手册《CUDA_Toolkit_Reference_Manual》，随时准备查询不懂得API。我们在运行核函数前后，做如下操作：

cudaEvent_t start,stop;//事件对象cudaEventCreate(&start);//创建事件cudaEventCreate(&stop);//创建事件cudaEventRecord(start,stream);//记录开始myKernel<<<dimg,dimb,size_smem,stream>>>(parameter list);//执行核函数cudaEventRecord(stop,stream);//记录结束事件cudaEventSynchronize(stop);//事件同步，等待结束事件之前的设备操作均已完成float elapsedTime;cudaEventElapsedTime(&elapsedTime,start,stop);//计算两个事件之间时长（单位为ms）

 

 

核函数执行时间将被保存在变量elapsedTime中。通过这个值我们可以评估算法的性能。下面给一个例子，来看怎么使用计时功能。

前面的例子规模很小，只有5个元素，处理量太小不足以计时，下面将规模扩大为1024，此外将反复运行1000次计算总时间，这样估计不容易受随机扰动影响。我们通过这个例子对比线程并行和块并行的性能如何。代码如下：

#include "cuda_runtime.h"#include "device_launch_parameters.h"#include <stdio.h>cudaError_t addWithCuda(int *c, const int *a, const int *b, size_t size);__global__ void addKernel_blk(int *c, const int *a, const int *b){    int i = blockIdx.x;    c[i] = a[i]+ b[i];}__global__ void addKernel_thd(int *c, const int *a, const int *b){    int i = threadIdx.x;    c[i] = a[i]+ b[i];}int main(){    const int arraySize = 1024;    int a[arraySize] = {0};    int b[arraySize] = {0};for(int i = 0;i<arraySize;i++){a[i] = i;b[i] = arraySize-i;}    int c[arraySize] = {0};    // Add vectors in parallel.    cudaError_t cudaStatus;int num = 0;cudaDeviceProp prop;cudaStatus = cudaGetDeviceCount(&num);for(int i = 0;i<num;i++){cudaGetDeviceProperties(&prop,i);}cudaStatus = addWithCuda(c, a, b, arraySize);    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "addWithCuda failed!");        return 1;    }    // cudaThreadExit must be called before exiting in order for profiling and    // tracing tools such as Nsight and Visual Profiler to show complete traces.    cudaStatus = cudaThreadExit();    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaThreadExit failed!");        return 1;    }    for(int i = 0;i<arraySize;i++){if(c[i] != (a[i]+b[i])){printf("Error in %d\n",i);}}    return 0;}// Helper function for using CUDA to add vectors in parallel.cudaError_t addWithCuda(int *c, const int *a, const int *b, size_t size){    int *dev_a = 0;    int *dev_b = 0;    int *dev_c = 0;    cudaError_t cudaStatus;    // Choose which GPU to run on, change this on a multi-GPU system.    cudaStatus = cudaSetDevice(0);    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaSetDevice failed!  Do you have a CUDA-capable GPU installed?");        goto Error;    }    // Allocate GPU buffers for three vectors (two input, one output)    .    cudaStatus = cudaMalloc((void**)&dev_c, size * sizeof(int));    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMalloc failed!");        goto Error;    }    cudaStatus = cudaMalloc((void**)&dev_a, size * sizeof(int));    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMalloc failed!");        goto Error;    }    cudaStatus = cudaMalloc((void**)&dev_b, size * sizeof(int));    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMalloc failed!");        goto Error;    }    // Copy input vectors from host memory to GPU buffers.    cudaStatus = cudaMemcpy(dev_a, a, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMemcpy failed!");        goto Error;    }    cudaStatus = cudaMemcpy(dev_b, b, size * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMemcpy failed!");        goto Error;    }cudaEvent_t start,stop;cudaEventCreate(&start);cudaEventCreate(&stop);cudaEventRecord(start,0);for(int i = 0;i<1000;i++){//addKernel_blk<<<size,1>>>(dev_c, dev_a, dev_b);addKernel_thd<<<1,size>>>(dev_c, dev_a, dev_b);}cudaEventRecord(stop,0);cudaEventSynchronize(stop);float tm;cudaEventElapsedTime(&tm,start,stop);printf("GPU Elapsed time:%.6f ms.\n",tm);    // cudaThreadSynchronize waits for the kernel to finish, and returns    // any errors encountered during the launch.    cudaStatus = cudaThreadSynchronize();    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaThreadSynchronize returned error code %d after launching addKernel!\n", cudaStatus);        goto Error;    }    // Copy output vector from GPU buffer to host memory.    cudaStatus = cudaMemcpy(c, dev_c, size * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost);    if (cudaStatus != cudaSuccess) {        fprintf(stderr, "cudaMemcpy failed!");        goto Error;    }Error:    cudaFree(dev_c);    cudaFree(dev_a);    cudaFree(dev_b);        return cudaStatus;}

 

addKernel_blk是采用块并行实现的向量相加操作，而addKernel_thd是采用线程并行实现的向量相加操作。分别运行，得到的结果如下图所示：

线程并行：

块并行：

 

可见性能竟然相差近16倍！因此选择并行处理方法时，如果问题规模不是很大，那么采用线程并行是比较合适的，而大问题分多个线程块处理时，每个块内线程数不要太少，像本文中的只有1个线程，这是对硬件资源的极大浪费。一个理想的方案是，分N个线程块，每个线程块包含512个线程，将问题分解处理，效率往往比单一的线程并行处理或单一块并行处理高很多。这也是CUDA编程的精髓。

 

上面这种分析程序性能的方式比较粗糙，只知道大概运行时间长度，对于设备程序各部分代码执行时间没有一个深入的认识，这样我们就有个问题，如果对代码进行优化，那么优化哪一部分呢？是将线程数调节呢，还是改用共享内存？这个问题最好的解决方案就是利用Visual Profiler。下面内容摘自《CUDA_Profiler_Users_Guide》

“Visual Profiler是一个图形化的剖析工具，可以显示你的应用程序中CPU和GPU的活动情况，利用分析引擎帮助你寻找优化的机会。”

其实除了可视化的界面，NVIDIA提供了命令行方式的剖析命令：nvprof。对于初学者，使用图形化的方式比较容易上手，所以本节使用Visual Profiler。

 

打开Visual Profiler，可以从CUDA Toolkit安装菜单处找到。主界面如下：

我们点击File->New Session，弹出新建会话对话框，如下图所示：

其中File一栏填入我们需要进行剖析的应用程序exe文件，后面可以都不填（如果需要命令行参数，可以在第三行填入），直接Next，见下图：

第一行为应用程序执行超时时间设定，可不填；后面三个单选框都勾上，这样我们分别使能了剖析，使能了并发核函数剖析，然后运行分析器。

点Finish，开始运行我们的应用程序并进行剖析、分析性能。

上图中，CPU和GPU部分显示了硬件和执行内容信息，点某一项则将时间条对应的部分高亮，便于观察，同时右边详细信息会显示运行时间信息。从时间条上看出，cudaMalloc占用了很大一部分时间。下面分析器给出了一些性能提升的关键点，包括：低计算利用率（计算时间只占总时间的1.8%，也难怪，加法计算复杂度本来就很低呀！）；低内存拷贝/计算交叠率（一点都没有交叠，完全是拷贝——计算——拷贝）；低存储拷贝尺寸（输入数据量太小了，相当于你淘宝买了个日记本，运费比实物价格还高！）；低存储拷贝吞吐率（只有1.55GB/s）。这些对我们进一步优化程序是非常有帮助的。

 

我们点一下Details，就在Analysis窗口旁边。得到结果如下所示：

 

通过这个窗口可以看到每个核函数执行时间，以及线程格、线程块尺寸，占用寄存器个数，静态共享内存、动态共享内存大小等参数，以及内存拷贝函数的执行情况。这个提供了比前面cudaEvent函数测时间更精确的方式，直接看到每一步的执行时间，精确到ns。

在Details后面还有一个Console，点一下看看。

这个其实就是命令行窗口，显示运行输出。看到加入了Profiler信息后，总执行时间变长了（原来线程并行版本的程序运行时间只需4ms左右）。这也是“测不准定理”决定的，如果我们希望测量更细微的时间，那么总时间肯定是不准的；如果我们希望测量总时间，那么细微的时间就被忽略掉了。

 

后面Settings就是我们建立会话时的参数配置，不再详述。

 

通过本节，我们应该能对CUDA性能提升有了一些想法，好，下一节我们将讨论如何优化CUDA程序。