一个最简单的示例与简单性能分析

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1 Hello OpenCL 

    这里编写一个最简单的示例程序，演示OpenCl的基本使用方法：

    1.首先可以从Nvdia或者Amd或者Intel或者所有OpenCl成员的开发者网站上下载一份他们实现的OpenCL的SDK。虽然不同公司支持了不同版本的OpenCL和扩展ext，但是在相同版本上对于标准的OpenCL接口，每个SDK实现的结果都是一样的，如果你只是用标准的OpenCL规范，那么采用哪个SDK无所谓，当然有些公司把OpenCL SDK捆绑在更大的SDK里，如NVDIA放在他们的CUDA开发包里，这时我们要做的只是把其中cl文件夹下的h 以及 OpenCL.lib OpenCL.dll文件拿出来就行。

 

   下面进入代码的部分，本例中实现两个一维数组的相加（这是最容易理解的可并行计算问题），代码主要这几个部分：

 

   2.获取机器中所有已实现的OpenCL平台：

   //get platform numbers
   err = clGetPlatformIDs(0, 0, &num);
 

 //get all platforms
  vector<cl_platform_id> platforms(num);
  err = clGetPlatformIDs(num, &platforms[0], &num);

 

  首先要知道OpenCL平台platform是什么意思。我们知道不同OpenCL组织里不同厂商的不同硬件都纷纷支持OpenCL标准，而每个支持者都会独自去实现OpenCl的具体实现，这样如果你的机器中有很多个不同“OpenCl厂商”的硬件（通常实现在驱动中），那么你的机器中就会出现几套对OpenCL的不同实现，如你装了intel cpu，可能就一套intel的实现，装了NVDIA的显卡，可能还有一套Nvidia的实现，还有值得注意的是，就算你可能没有装AMD的显卡，但是你装了AMD的opencl开发包，你机器中也可能存在一套AMD的实现。这里的每套实现都是一个platform，可以说不同厂商拿到的SDK可能是一样的，但是查询到的机器里的platform则可能是不一样的，sdk是代码层，platform是在驱动里的实现层，opencl在不同厂商的代码层一样，但是在一个机器里会存在不同的实现层（原凉我这么啰嗦，但是这个问题我开始纠结了很久）。

 不同厂商给了相同的代码SDK，但是在驱动层，不同厂商的实现是完全不一样的，也就是paltform是不一样的，例如NVIDIA的的platform只支持N自己的显卡作为计算设备（可能他们认为cpu作为计算设备是在是鸡肋），但是AMD的platform则不仅支持AMD自己的设备，还支持Intel的CPU。

所以你要在程序开始查询机器所有支持的platform，再根据情况选择一个合适的paltform。（通常你要选择包含compute device的能力最强的那个platform，例如你发现客户机装的是N卡，而机器上有N的platform那么就选它了）

通过clGetPlatformInfo 这个函数还可以进一步的得到该平台的更多信息（名字、cl版本、实现者等等）

 

  3.查询device信息（在程序中这一步是可以不做的，但是可以用来判断platform的计算能力）

  //get device num

 err=clGetDeviceIDs(platforms[0],CL_DEVICE_TYPE_ALL,0,0,&num);
  vector<cl_device_id> did(num);

 //get all device
  err=clGetDeviceIDs(platforms[0],CL_DEVICE_TYPE_ALL,num,&did[0],&num);

  //get device info

 clGetDeviceInfo（...）

 以上代码可以获取某个platform下的所有支持的device（这里和下面都特指compute device，因为在pc下host device一定是你的CPU了）

 这些有助于你判断用哪个platform的计算能力更强

 

 4.选定一个platform，创建context（设备上下文）

 //set property with certain platform

 cl_context_properties prop[] = { CL_CONTEXT_PLATFORM, reinterpret_cast<cl_context_properties>(platforms[0]), 0 };

 cl_context context = clCreateContextFromType(prop, CL_DEVICE_TYPE_ALL, NULL, NULL, &err);

 上面代码首先使用你选定的那个paltform设置context属性，然后利用这个属性创建context。context被成功创建好之后，你的CL工作环境就等于被搭建出来了，CL_DEVICE_TYPE_ALL意味着你把这个platform下所有支持的设备都连接进入这个context作为compute device。

 

 5.为每个device创建commandQueue。command queue是像每个device发送指令的信使。

   cqueue[i] = clCreateCommandQueue(context, did[0], 0, 0);

 

6.下面进入真正在device run code的阶段：kernal函数的准备

    首先准备你的kernal code，如果有过shader编程经验的人可能会比较熟悉，这里面你需要把在每个compute item上run的那个函数写成一段二进制字符串，通常我们实现方法是写成单独的一个文件（扩展名随意），然后在程序中使用的时候二进制读入这个文件。

   例如本例的数组相加的kernal code：

 __kernel void adder(__global const float* a, __global const float* b, __global float* result)
{
 int idx = get_global_id(0);
 result[idx] = a[idx]) +b[idx];
}

具体的限定符和函数我们后面会分析，但是这段代码的大意是获取当前compute item的索引idx，然后两个数组idx上的成员相加后存储在一个buf上。这段代码会尽可能并行的在device上跑。

 

把上面那个文件命名为kernal1.cl

 

然后在程序中读入它到字符串中（通常你可以为这个步骤写一个工具函数）

ifstream in(_T("kernal11.cl"), std::ios_base::binary);
 if(!in.good()) {
  return 0;
 }

 // get file length
 in.seekg(0, std::ios_base::end);
 size_t length = in.tellg();
 in.seekg(0, std::ios_base::beg);

 // read program source
 std::vector<char> data(length + 1);
 in.read(&data[0], length);
 data[length] = 0;

 // create and build program 
 const char* source = &data[0];

 

这样我们的kernal code就装进char* source里面了。

 

7.从kernal code 到program

 program在cl中代表了程序中所用到的所有kernal函数及其使用的函数，是device上代码的抽象表示，我们需要把上面的char* source转化成program：

 

cl_program program = clCreateProgramWithSource(context, 1, &source, 0, 0);

clBuildProgram(program, 0, 0, 0, 0, 0)

 

如上两句代码分别先从字符串的source创建一个program，在build它（我们说过OpenCl是一个动态编译的架构）

 

8 .  拿到kernal 函数

kernal是CL中对执行在一个最小粒度的compute item上的代码及参数的抽象（你可以理解成为cpu上的main函数）。

我们需要首先从前面build好的program里抽取我们要run的那个kernal函数。

cl_kernel adder = clCreateKernel(program, "adder", 0);

9. 准备kernal函数的参数

kernal函数需要三个参数，分别是输入的两个数组mem，和一个输出的数组mem，这些mem都要一一创建准备好。

首先是输入的两个mem

std::vector<float> a(DATA_SIZE), b(DATA_SIZE)
 for(int i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
  a[i] = i;
  b[i] = i;

 }

a个b是我们要运算的两个输入数组（注意他们是在CPU上的，或者说分配与你的主板内存）

cl计算的变量要位于device的存储上（例如显卡的显存），这样才能快起来，所以首先要把内存搬家，把这部分输入数据从host mem拷贝到device的mem上，代码如下：

cl_mem cl_a = clCreateBuffer(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(cl_float) * DATA_SIZE, &a[0], NULL);
 cl_mem cl_b = clCreateBuffer(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(cl_float) * DATA_SIZE, &b[0], NULL);

上面代码的含义是使用host mem的指针来创建device的只读mem。

最后还要在device上分配保存结果的mem

cl_mem cl_res = clCreateBuffer(context, CL_MEM_WRITE_ONLY, sizeof(cl_float) * DATA_SIZE, NULL, NULL);

这是直接在device上分配的。

 

最后设置好kernal的参数

 clSetKernelArg(adder, 0, sizeof(cl_mem), &cl_a);
 clSetKernelArg(adder, 1, sizeof(cl_mem), &cl_b);
 clSetKernelArg(adder, 2, sizeof(cl_mem), &cl_res);

10.执行kernal函数

err = clEnqueueNDRangeKernel(cqueue[0], adder, 1, 0, &work_size, 0, 0, 0, 0);

 

注意cl的kernal函数的执行是异步的，这也是为了能让cpu可以与gpu同时做事（但是异步就涉及到设备间的同步、状态查询等，这是非常复杂的一部分，后面再说）

所以上面这个函数会立即返回，clEnqueueNDRangeKernel的意思是往某个device的commoand queue里面推入一个kernal函数让其执行，device会按某个顺序执行它的command queue里面的指令，所以这个语句调用后，kernal是否真的立即执行还要取决于它的queue里面是否还有其他的指令。

 

11.将结果拷回CPU

  上面执行后的结果是直接写在device的存储上，通常要在代码中继续使用，我们就需要把这个结果再拷回到CPU的内存上，使用下面的代码：

std::vector<float> res(DATA_SIZE)

 err = clEnqueueReadBuffer(cqueue[0], cl_res, CL_TRUE, 0, sizeof(float) * DATA_SIZE, &res[0], 0, 0, 0);

clEnqueueReadBuffer的含义是往command queue里面推出一个条指令，是回拷mem，这里面的CL_TRUE是标志着这个指令的执行的同步的，就会阻塞cpu，所以这行代码返回就标志着该device上直到这个指令之前的所有指令都已经执行完了。

 上面为止就可以到带在res里我们使用cl在device上执行kernla函数的结果了，可以与纯CPU的执行结果对比一遍，结果应该是一致的。

 

12.打扫战场

//release
 clReleaseKernel(adder);
 clReleaseProgram(program);
 clReleaseMemObject(cl_a);
 clReleaseMemObject(cl_b);
 clReleaseMemObject(cl_res);

 for(size_t i=0;i<num;i++){
  clReleaseCommandQueue(cqueue[i]);
 }
 clReleaseContext(context);

 

2.性能分析

 上面的是一个非常简单的CL入门程序。借助这个程序，我后来又做了很多性能分析，想知道究竟使用CL执行运算和平常的CPu上运算有什么区别，性能会有怎样的不同。

我修改了不同版本的kernal函数，使kernal的运算复杂度不断提升，并在不同platform下和单纯在CPU上执行这些运算，得到的统计数据如下：

注意：

0.1、2、3的复杂度分别使用的简单扩大数组长度、求幂操作、增加求幂操作的指数

1.以下的数据皆为毫秒

2.第一列为传统的CPU运算，后两列为使用Amd 和Nvidia两个平台的运算

3.由于测试机未安装AMD显卡，所以AMD平台使用的device其实是一个CPU，所以1、2、3列代表的情况可以看做纯CPU，使用openCL架构用CPU做计算设备、使用OpenCL架构用GPU做设备

4.由于OpenCL架构多涉及到一个host和device间内存拷贝的操作，2、3列中的+号两端分别代表拷贝内存所用的时间和实际运算时间。

 

运算复杂度	CPU计算 （intel E6600 Duo core）	AMD platform +CPU device （intel E6600 Duo core）	Nvidia platform+Nvidia （Geforce GT440）
1	78	63+60	63+120
2	1600	63+500	63+130
3	9600	63+1300	63+130

 

 

从上表我们“以偏盖全”的得到一些结论：

1.纯CPU的计算会随着计算复杂度的增加而显著上涨，纯GPU的CL架构的计算在与此同时计算耗时基本平稳，虽然在第一个运算，GPU的时间还会高于CPU，但是到第三个运算时GPU的时间依然没有明显增长，而CPU已经长到GPU时间的70多倍。

2.不同平台的CL实现在内存拷贝上所化时间基本一致，这部分时间跟计算复杂度无官，只跟内存大小有关。在我们的例子中他们都是63ms

3.从1.2列的对比看出，就算是同样使用CPU做为计算，在CL架构下性能也会得到较大提升，虽然实质上1和2列都是最终在CPU上计算，但是CL的架构可能封转了更高一层，利用了CPU内的一些高级指令或者利用了CPU的更多的并行计算能力。

4.OpenCL是真正兼容各种硬件的，不同于CUDA，这对于产业化产品的开发意义重大，在主流的机器上，你总能找到一个可用的opencl platform，而它都会比CPU计算提示性能。

 

   从这个简单的性能分析可以看出，使用OpenCL架构的异构计算可以大幅度提高传统在CPU上的计算性能，而且这种提高可能会随着计算量的复杂度升高而增长，所以那些所谓“百倍”、“千倍”的增长在某些计算领域是有可能的，同时尽量使用GPU做device是可以最大提升性能的；

  同时我们要注意到异构计算通常涉及到大量的内存拷贝时间，这取决于你内存与显存间的带宽，这部分时间是不可忽视的，如果一个计算工作，它在CPU上运行的时间都比内存在异构设备间拷贝的时间短，那么将他做OpenCL的加速是没有任何意义的，也就是说我们要注意计算的复杂度，复杂度过小的计算使用异构计算反而会增加计算时间，GPU运算都存在一个跟计算复杂度无关的“起步时间”（例如本例在180ms左右，当计算在CPU上执行小于180ms时放在GPU上是无意义的。）