CUDA SHARED MEMORY

灰太狼 2022-04-14 06:54 234阅读 0赞

在global Memory部分，数据对齐和连续是很重要的话题，当使用L1的时候，对齐问题可以忽略，但是非连续的获取内存依然会降低性能。依赖于算法本质，某些情况下，非连续访问是不可避免的。使用shared memory是另一种提高性能的方式。

GPU上的memory有两种：

*  On-board memory
 *  On-chip memory

global memory就是一块很大的on-board memory，并且有很高的latency。而shared memory正好相反，是一块很小，低延迟的on-chip memory，比global memory拥有高得多的带宽。我们可以把他当做可编程的cache，其主要作用有：

\- An intra-block thread communication channel 线程间交流通道   \- A program-managed cache for global memory data可编程cache   · Scratch pad memory for transforming data to improve global memory access patterns

shared memory（SMEM）是GPU的重要组成之一。物理上，每个SM包含一个当前正在执行的block中所有thread共享的低延迟的内存池。SMEM使得同一个block中的thread能够相互合作，重用on-chip数据，并且能够显著减少kernel需要的global memory带宽。由于APP可以直接显式的操作SMEM的内容，所以又被称为可编程缓存。

由于shared memory和L1要比L2和global memory更接近SM，shared memory的延迟比global memory低20到30倍，带宽大约高10倍。  
![在这里插入图片描述][281419565498787.png]  
当一个block开始执行时，GPU会分配其一定数量的shared memory，这个shared memory的地址空间会由block中的所有thread 共享。shared memory是划分给SM中驻留的所有block的，也是GPU的稀缺资源。所以，使用越多的shared memory，能够并行的active就越少。

关于Program-Managed Cache：在C语言编程里，循环（loop transformation）一般都使用cache来优化。在循环遍历的时候使用重新排列的迭代顺序可以很好利用cache局部性。在算法层面上，我们需要手动调节循环来达到令人满意的空间局部性，同时还要考虑cache size。cache对于程序员来说是透明的，编译器会处理所有的数据移动，我们没有能力控制cache的行为。shared memory则是一个可编程可操作的cache，程序员可以完全控制其行为。

## Shared Memory Allocation ##

我们可以动态或者静态的分配shared Memory，其声明即可以在kernel内部也可以作为全局变量。

其标识符为：\_\_ shared\_\_。

下面这句话静态的声明了一个2D的浮点型数组：

\_\_ shared \_\_ float tile\[size\_y\]\[size\_x\];

如果在kernel中声明的话，其作用域就是kernel内，否则是对所有kernel有效。如果shared Memory的大小在编译器未知的话，可以使用extern关键字修饰，例如下面声明一个未知大小的1D数组：

extern **shared** int tile\[\];

由于其大小在编译器未知，我们需要在每个kernel调用时，动态的分配其shared memory，也就是最开始提及的第三个参数：

kernel<<<grid, block, isize \* sizeof(int)>>>(…)

应该注意到，只有1D数组才能这样动态使用。

## Shared Memory Banks and Access Mode ##

之前博文对latency和bandwidth有了充足的研究，而shared memory能够用来隐藏由于latency和bandwidth对性能的影响。下面将解释shared memory的组织方式，以便研究其对性能的影响。

## Memory Banks ##

为了获得高带宽，shared Memory被分成32（对应warp中的thread）个相等大小的内存块，他们可以被同时访问。不同的CC版本，shared memory以不同的模式映射到不同的块（稍后详解）。如果warp访问shared Memory，对于每个bank只访问不多于一个内存地址，那么只需要一次内存传输就可以了，否则需要多次传输，因此会降低内存带宽的使用。

## Bank Conflict ##

当多个地址请求落在同一个bank中就会发生bank conflict，从而导致请求多次执行。硬件会把这类请求分散到尽可能多的没有conflict的那些传输操作 里面，降低有效带宽的因素是被分散到的传输操作个数。

warp有三种典型的获取shared memory的模式：

*  Parallel access：多个地址分散在多个bank。
 *  Serial access：多个地址落在同一个bank。
 *  Broadcast access：一个地址读操作落在一个bank。  
    Parallel access是最通常的模式，这个模式一般暗示，一些（也可能是全部）地址请求能够被一次传输解决。理想情况是，获取无conflict的shared memory的时，每个地址都在落在不同的bank中。

Serial access是最坏的模式，如果warp中的32个thread都访问了同一个bank中的不同位置，那就是32次单独的请求，而不是同时访问了。

Broadcast access也是只执行一次传输，然后传输结果会广播给所有发出请求的thread。这样的话就会导致带宽利用率低。

下图是最优情况的访问图示：

![在这里插入图片描述][281420044398208.png]  
下图一种随机访问，同样没有conflict：

![在这里插入图片描述][281420054868022.png]  
下图则是某些thread访问到同一个bank的情况，这种情况有两种行为：

*  Conflict-free broadcast access if threads access the same address within a bank
 *  Bank conflict access if threads access different addresses within a bank  
    ![在这里插入图片描述][281420065174607.png]

## Synchronization ##

因为shared Memory可以被同一个block中的不同的thread同时访问，当同一个地址的值被多个thread修改就导致了inter-thread conflict，所以我们需要同步操作。CUDA提供了两类block内部的同步操作，即：

· Barriers

· Memory fences

对于barrier，所有thread会等待其他thread到达barrier point；对于Memory fence，所有thread会阻塞到所有修改Memory的操作对其他thread可见，下面解释下CUDA需要同步的主要原因：weakly-ordered。

## Weakly-Ordered Memory Model ##

现代内存架构有非常宽松的内存模式，也就是意味着，Memory的获取不必按照程序中的顺序来执行。CUDA采用了一种叫做weakly-ordered Memory model来获取更激进的编译器优化。

GPU thread写数据到不同的Memory的顺序（比如shared Memory，global Memory，page-locked host memory或者另一个device上的Memory）同样没必要跟程序里面顺序呢相同。一个thread的读操作的顺序对其他thread可见时也可能与实际上执行写操作的thread顺序不一致。

为了显式的强制程序以一个确切的顺序运行，就需要用到fence和barrier。他们也是唯一能保证kernel对Memory有正确的行为的操作。

## Explicit Barrier ##

同步操作在我们之前的文章中也提到过不少，比如下面这个：

void \_\_syncthreads();

\_\_syncthreads就是作为一个barrier point起作用，block中的thread必须等待所有thread都到达这个point后才能继续下一步。这也保证了所有在这个point之前获取global Memory和shared Memory的操作对同一个block中所有thread可见。\_\_syncthreads被用来协作同一个block中的thread。当一些thread获取Memory相同的地址时，就会导致潜在的问题（读后写，写后读，写后写）从而引起未定义行为状态，此时就可以使用\_\_syncthreads来避免这种情况。  
使用\_\_syncthreads要相当小心，只有在所有thread都会到达这个point时才可以调用这个同步，显而易见，如果同一个block中的某些thread永远都到达该点，那么程序将一直等下去，下面代码就是一种错误的使用方式：

if (threadID % 2 == 0) {
        __syncthreads();
        } else {
            __syncthreads();
    }

### Memory Fence ###

这种方式保证了任何在fence之前的Memory写操作对fence之后thread都可见，也就是，fence之前写完了，fence之后其它thread就都知道这块Memory写后的值了。fence的设置范围比较广，分为：block，grid和system。

可以通过下面的API来设置fence：

void \_\_threadfence\_block();

看名字就知道，这个函数是对应的block范围，也就是保证同一个block中thread在fence之前写完的值对block中其它的thread可见，不同于barrier，该function不需要所有的thread都执行。

下面是grid范围的API，作用同理block范围，把上面的block换成grid就是了：

void \_\_threadfence();

下面是system的，其范围针对整个系统，包括device和host：

void \_\_threadfence\_system();

转自：[https://www.cnblogs.com/1024incn/p/4605502.html][https_www.cnblogs.com_1024incn_p_4605502.html]

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[https_www.cnblogs.com_1024incn_p_4605502.html]: https://www.cnblogs.com/1024incn/p/4605502.html