【AI赋能工作流】一个程序员的自白:我如何利用大语言模型将工作效率提升50%翻译 ChatGPT 会话 之 006 Cuda Program Finds Closest.
写在前面
- Cuda 编程要学很多东西吧
- 我想有个具体的问题要如何解决呢?
- 那就试试ai
Cuda Program Finds Closest.
2024年7月30日
https://chatgpt.com/share/1ead532d-3bd5-47c2-897c-2d77a3896427
Cuda Program Finds Closest.
🧑🦰User
1 | 编写一个简单的 CUDA 程序,该程序接受一个 32 位的命令行参数,并将其拆分为 8 个 4 位的独立命令。接着,对这些命令逐一调用 proc() 函数。 |
🤖 Assistant
下面是一段 CUDA 程序代码,它将一个 32 位的命令行参数拆分为 8 个 4 位的独立命令,并按照前面描述的方式进行处理。该程序会枚举所有可能的 32 位程序,并输出结果最接近 1729 的那个程序。
要运行此程序,你需要一台支持 CUDA 的 GPU 并安装好 CUDA 工具包。
1 |
|
本程序将执行以下步骤:
- 定义一个名为
proc
的函数,用来计算给定命令序列的结果。 - 启动 CUDA 内核,寻找一个能返回最接近 1729 的 32 位数值的程序。
- 输出最接近的命令及其对应的值。
请确保您的 CUDA 开发环境已经正确配置,这样才能顺利编译和运行程序。您可以使用 nvcc
进行编译:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program.cu |
And then run it:
1 | ./cuda_program |
🧑🦰User
1 | 这个程序会不会因为依赖数据分支而变得很慢? |
🤖 Assistant
没错,数据依赖的分支确实可能导致 CUDA 程序的线程分歧,从而降低执行效率。为了减少这种影响,我们可以通过减少分支的数量,并更好地利用并行计算来提升效率。以下是改进后的程序版本,它使用共享内存来跟踪最接近的数值及其对应的命令:
1 |
|
🧑🦰User
1 | 这样还是会产生分支。我们可以通过计算所有 4 种结果,然后从中选择来避免这种情况。 |
🤖 Assistant
没错,我们可以减少分支,通过计算所有可能的操作结果,并根据操作码来选择最终结果。以下是修改后的 CUDA 程序:
1 |
|
在这个版本中,proc
会计算所有可能的操作结果,然后使用操作码来选择正确的结果,从而减少了分支的发生。
要编译和运行程序,请使用以下命令:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program.cu |
这种方法应该能有效减少分支对性能的影响。
🧑🦰User
1 | nicholas@opal:/tmp$ nvcc -o a.out a.cua.cu(43): error: calling a constexpr **host** function("max") from a **global** function("findClosest") is not allowed. The experimental flag '--expt-relaxed-constexpr' can be used to allow this. |
🤖 Assistant
看来在设备代码中使用 std::numeric_limits<int>::max()
可能会引发问题。我们需要定义自己的最大值,并确保所有设备代码都符合 CUDA 的限制。
以下是修订后的程序版本:
1 |
|
改动如下:
- 将
MAX_INT
定义为2147483647
,以避免使用std::numeric_limits<int>::max()
。 - 用
MAX_INT
替换了代码中的std::numeric_limits<int>::max()
。
编译并运行程序的命令如下:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
这些改动应该能解决编译问题,同时保持原有逻辑不变。
🧑🦰User
1 | 使用 32 位浮点数进行计算 |
🤖 Assistant
好的,以下是修改后的 CUDA 程序版本,使用 32 位浮点数代替整数进行计算:
1 |
|
具体改动如下:
- 将所有整数类型更改为浮点数类型。
- 使用
static_cast<float>
将整数转换为浮点数。 - 将整数操作替换为浮点数操作。
- 使用
powf
进行指数运算。 - 使用
fabs
计算绝对值。 - 使用
__float_as_int
和atomicMin
来处理浮点数的原子操作。
编译和运行:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
这样就可以使用 32 位浮点数进行计算,并找到最接近目标值的命令。
🧑🦰User
1 | a.cu (23): error: namespace "std" has no member "powf" |
🤖 Assistant
为了解决这些问题,我们将采取以下措施:
- 使用 CUDA 提供的
powf
函数来进行浮点数幂运算。 - 用预定义的最大浮点数
MAX_FLOAT
替换std::numeric_limits<float>::max()
,以确保 CUDA 的兼容性。 - 修正浮点数的原子操作。
以下是修正后的程序代码:
1 |
|
解释:
- 使用
powf
进行幂运算:直接调用 CUDA 数学库中的powf
函数。 - **定义
MAX_FLOAT
**:设置预定义的最大浮点数值。 - 修正原子操作:通过正确使用
__float_as_int
和atomicMin
来确保浮点数的原子操作准确无误。
编译和运行:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
现在,这个程序能够正确使用 32 位浮点数进行计算,并找到最接近目标值的命令。
🧑🦰User
1 | 现在程序只输出 |
🤖 Assistant
问题可能出在共享和全局内存值的更新和检查上。我们需要改进内核中的同步和共享值的处理方式,确保原子操作正确更新最接近的值和命令。
以下是修正后的代码:
1 |
|
解释:
- 正确处理共享内存:确保同步操作和条件检查正确更新共享值。
- 修复原子操作:正确使用
__float_as_int
和atomicMin
处理浮点数的原子操作,以确保操作的准确性。 - 确保原子操作的正确性:通过原子操作正确更新全局最接近的值和命令。
编译和运行:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program.cu |
这样程序就能正确地使用 32 位浮点运算,找到最接近目标值的命令。
🧑🦰User
1 | 编写 `expand()` 函数,将 32 位整数转换为数学表达式,例如 `1098815 -> 数学表达式` |
🤖 Assistant
好的,以下是 expand()
函数,它可以将 32 位整数根据指定的 4 位命令序列转换为相应的数学表达式:
1 |
|
解释:
- 提取元素:函数从 32 位命令中提取各个元素(如 a,op 1,b,op 2,c,op 3,d)。
- 映射操作符:使用数组
ops
将操作码映射为相应的字符串表示。 - 构建表达式:利用提取的元素和操作符构建数学表达式字符串。
- 返回表达式:返回生成的表达式字符串。
示例用法:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | g++ -o expand expand.cpp |
这样就可以将整数 1098815
转换为相应的数学表达式并输出。
🧑🦰User
1 | 我们是否可以扩展到处理 64 位整数,并将解析格式改为 `((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))`? |
🤖 Assistant
当然可以!以下是扩展后的 expand
函数,能够处理 64 位整数,并将其解析为格式 ((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))
的数学表达式:
1 |
|
解释:
- 提取元素:函数从 64 位命令中提取 16 个独立的 4 位元素(如 a,op 1,b,op 2,c,op 3,d,op 4,e,op 5,f,op 6,g,op 7,h,op 8)。
- 映射操作符:使用数组
ops
将操作码映射为相应的字符串表示。 - 构建表达式:利用提取的元素和操作符构建格式为
((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))
的数学表达式字符串。 - 返回表达式:返回生成的表达式字符串。
示例用法:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | g++ -o expand expand.cpp |
这样就可以将示例 64 位整数 0x0123456789ABCDEF
转换为相应的数学表达式并输出。
🧑🦰User
1 | 我们还可以重写求解器,以适应这个新的格式 |
🤖 Assistant
当然,以下是重写后的 CUDA 求解器,它能够处理 64 位整数,并将其解析为格式 ((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))
的数学表达式:
Here’s the updated CUDA program:
1 |
|
In the function proc
, I’ve expanded it to handle 64-bit commands and parse them into the format ((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))
.
解释:
- 提取元素:函数从 64 位命令中提取 16 个独立的 4 位元素(如 a,op 1,b,op 2,c,op 3,d,op 4,e,op 5,f,op 6,g,op 7,h,op 8)。
- 映射操作符:使用数组
ops
将操作码映射为相应的字符串表示。 - 构建表达式:利用提取的元素和操作符构建格式为
((a OP b) OP (c OP d)) OP ((e OP f) OP (g OP h))
的数学表达式字符串。 - 返回表达式:返回生成的表达式字符串。
- CUDA 内核:修改为正确处理 64 位整数和浮点运算。
示例用法:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
这样程序就能将 64 位整数命令转换为相应的数学表达式,并找到最接近目标值的命令。
🧑🦰User
1 | 简化 `proc()` 函数,编写辅助函数 `do_op`,并给出新的 `proc` 函数 |
🤖 Assistant
好的,以下是简化后的 proc
函数,并添加了辅助函数 do_op
来处理操作:
1 | __device__ float do_op(float x, int op, float y) { |
解释:
do_op
函数:此函数接收两个浮点数和一个操作码,并返回执行该操作后的结果。- 简化后的
proc
函数:现在proc
函数使用do_op
来进行操作,使得代码更加简洁和易读。
通过这种方法,减少了代码的重复,使逻辑更加清晰。CUDA 内核和主机代码的其他部分保持不变。
🧑🦰User
1 | 通过数组实现无分支结构 |
🤖 Assistant
当然可以!我们可以通过数组查找来替代 switch-case 语句,实现无分支操作。下面是基于数组操作的更新版 proc
函数:
1 | __device__ float do_op (float x, int op, float y) { |
解释:
do_op
函数:使用数组来存储所有可能的操作结果,然后根据操作码返回相应结果,无需使用分支语句。- 简化后的
proc
函数:调用do_op
函数来执行所有操作,从而确保代码保持无分支的高效性。
这种实现方式确保了在无分支情况下进行计算,保证了 GPU 上的高效执行。其他 CUDA 内核和主机代码部分无需更改。
🧑🦰User
1 | a.cu (67): error: no instance of overloaded function "atomicExch" matches the argument list |
🧑🦰User
1 | 然而,这种操作是否仍然是原子操作?因为现在涉及到两个独立的操作,这样是否安全? |
🤖 Assistant
你说得对。使用两个独立的原子操作可能会导致竞态条件。我们需要确保 closestCommand
和 closestValue
的更新是原子的。CUDA 并不直接支持对 uint 64_t
或 float
的原子操作,但我们可以通过使用 atomicCAS
(原子比较并交换)来确保更新的原子性。
下面是使用 atomicCAS
修订后的内核版本:
1 |
|
解释:
uint 64_t
的原子交换:由于 CUDA 不直接支持对uint 64_t
进行原子操作,我们通过将指针转换为unsigned long long*
,并使用atomicExch
进行交换。- 确保原子性:通过使用
atomicCAS
,我们可以确保对closestCommand
和closestValue
的更新是原子操作,并且线程安全。
编译和执行:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | Nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
这种实现确保了最接近的命令和最接近的值的更新是原子的,并且在并发执行期间可以正确维护数据的完整性。
🧑🦰User
1 | 或者,你可以添加一个锁变量,先获取锁,再进行非原子交换,然后释放锁。如果锁已被占用,程序应自旋等待。 |
🤖 Assistant
当然可以!下面是 CUDA 中实现自旋锁机制的方法,以确保原子更新的正确性:
- 引入一个锁变量。
- 在执行非原子操作之前获取锁。
- 操作完成后释放锁。
以下是包含自旋锁的更新代码:
1 |
|
解释:
- 自旋锁:通过
lock
变量实现自旋锁机制。使用atomicCAS
来获取锁,使用atomicExch
来释放锁。 - 临界区:一旦获取锁,程序进入临界区,执行非原子操作以安全地更新
closestCommand
和closestValue
。
编译和执行:
使用以下命令编译并运行程序:
1 | Nvcc -o cuda_program cuda_program. Cu |
这样就可以确保最接近的命令和最接近的值在并发执行期间进行原子更新,并保持数据的完整性。