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CUDA编程之内存

news 来源：原创 2025/8/14 20:29:21

        CUDA的内存类型有全局内存、共享内存、常量内存、纹理内存、本地内存、寄存器等。我们需要分别了解它们的特点和使用场景。在CUDA编程中，合理利用各种内存类型对性能优化至关重要。

1. ‌全局内存（Global Memory）‌

  • ‌特点‌：设备中最大、最慢的内存，所有线程均可访问，需通过合并访问优化带宽。
  • ‌使用方法‌：
    • 分配与传输： 
      float *d_data;
cudaMalloc(&d_data, size); // 分配
cudaMemcpy(d_data, h_data, size, cudaMemcpyHostToDevice); // 数据传输
    • 核函数访问： 
      __global__ void kernel(float *data) {int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;data[idx] *= 2; // 合并访问（连续线程访问连续地址）
}

2. ‌共享内存（Shared Memory）‌

  • ‌特点‌：块内线程共享，速度快，需避免Bank Conflict。
  • ‌使用方法‌：
    • 静态声明： 
      __global__ void reduce0(float *g_in,float *g_out)
{//每个线程从全局内存中加载一个对应位置元素到共享内存__shared__ float s_data[256]; //共享内存大小等于线程块的大小int tid = threadIdx.x;	//共享内存中的索引，即在线程块中的编号int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; //全局内存中的索引s_data[tid] = g_in[i];__syncthreads();	//同步等待共享内存加载完毕//归约操作优化（避免Bank Conflict）//在共享内存做相邻配对归约，线程和数据序号一一对应for(int s = 1; s < blockDim.x; s *= 2) {if(tid % (2 * s) == 0) {s_data[tid] += s_data[tid + s];}__syncthreads();}//把结果写回全局内存if (tid == 0) g_out[blockIdx.x] = s_data[0];
}__global__ void reduce1(float *g_in,float *g_out)
{//每个线程从全局内存中加载一个对应位置元素到共享内存__shared__ float s_data[256];//共享内存大小等于线程块的大小int tid = threadIdx.x;	//共享内存中的索引，即在线程块中的编号int i = blockIdx.x*blockDim.x + threadIdx.x;//全局内存中的索引s_data[tid] = g_in[i];__syncthreads();	//同步等待共享内存加载完毕//归约操作优化（避免Bank Conflict）//在共享内存做相邻配对归约，线程和数据序号间隔对应for(int s = 1; s < blockDim.x; s *= 2) {int index = 2 * s * tid;if (index < blockDim.x) {s_data[index] += s_data[index + s];}__syncthreads();}//把结果写回全局内存if (tid == 0) g_out[blockIdx.x] = s_data[0];
}__global__ void reduce2(float *g_in,float *g_out)
{//每个线程从全局内存中加载一个对应位置元素到共享内存__shared__ float s_data[256];//共享内存大小等于线程块的大小int tid = threadIdx.x;	//共享内存中的索引，即在线程块中的编号int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;//全局内存中的索引s_data[tid] = g_in[i];__syncthreads();	//同步等待共享内存加载完毕//归约操作优化（避免Bank Conflict）//在共享内存做交错配对归约for(int s = (blockDim.x >> 1); s > 0; s >>= 1) {if (tid < s) {s_data[tid] += s_data[tid + s];}__syncthreads();}//把结果写回全局内存if (tid == 0) g_out[blockIdx.x] = s_data[0];
}
    • 动态声明： 
      extern __shared__ float sdata[]; // 核函数调用时指定大小：<<<grid, block, smem_size>>>

3. ‌常量内存（Constant Memory）‌

  • ‌特点‌：只读，适合频繁访问的常量数据，具有缓存优化。
  • ‌使用方法‌：
    • 声明与数据拷贝： 
      __constant__ float const_data[1024];
cudaMemcpyToSymbol(const_data, h_data, sizeof(float)*1024);
    • 核函数中直接访问： 
      __global__ void kernel() {float value = const_data[threadIdx.x];
}

4. ‌纹理内存（Texture Memory）‌

  • ‌特点‌：适合具有空间局部性的访问，如图像处理。

  • 纹理内存的寻址模式：
    寻址模式有几种：cudaAddressModeWrap、cudaAddressModeClamp、cudaAddressModeBorder、cudaAddressModeMirror
    cudaAddressModeWrap：循环模式，超出范围的坐标会循环到另一侧。比如，当x坐标超过宽度时，会回到起始位置，类似取模操作。
    cudaAddressModeClamp：防止数据外溢，越界坐标取边界值。
    cudaAddressModeBorder：严格限制数据范围，越界坐标返回零值‌。
    cudaAddressModeMirror：对称信号处理，越界坐标镜像对称。

  • ‌使用方法‌：
    • 创建纹理对象： 
      texture<float, 1, cudaReadModeElementType> tex_ref;
cudaArray *cuArray;
cudaMallocArray(&cuArray, &tex_ref.channelDesc, size);
cudaMemcpyToArray(cuArray, 0, 0, h_data, size, cudaMemcpyHostToDevice);
cudaBindTextureToArray(tex_ref, cuArray);
    • 核函数采样： 
      __global__ void kernel() {float value = tex1Dfetch(tex_ref, threadIdx.x);
}

硬件插值功能实现代码：
核函数：

//定义纹理内存变量
texture<float, cudaTextureType2D, cudaReadModeElementType>  tex_src;__global__ void resize_img_ker(int row, int col, float x_a, float y_a, uchar *out)
{int x = threadIdx.x + blockDim.x * blockIdx.x;  //colint y = threadIdx.y + blockDim.y * blockIdx.y;  //rowif (x < col && y < row){float xx = x*x_a;float yy = y*y_a;//这里的xx和yy都是浮点数，tex2D函数返回的数值已经过硬件插值了，所以不需要开发者再进行插值啦~out[y*col+x] = (uchar)tex2D(tex_src, xx, yy);}
}

主体函数：

void resize_img_cuda(Mat src, Mat &dst, float row_m, float col_m)
{const int row = (int)(src.rows*row_m);const int col = (int)(src.cols*col_m);const int srcimg_size = src.rows*src.cols*sizeof(float);const int dstimg_size = row*col;const float x_a = 1.0 / col_m;const float y_a = 1.0 / row_m;uchar *dst_cuda;cudaMalloc((void**)&dst_cuda, dstimg_size);Mat src_tmp;src.convertTo(src_tmp, CV_32F);  //注意这里要把图像转换为float浮点型，否则线性插值模式无法使用cudaChannelFormatDesc channelDesc = cudaCreateChannelDesc<float>();//声明数据类型cudaArray *cuArray_src;  //定义CUDA数组cudaMallocArray(&cuArray_src, &channelDesc, src_tmp.cols, src_tmp.rows);  //分配大小为col*row的CUDA数组tex_src.addressMode[0] = cudaAddressModeWrap;//寻址方式tex_src.addressMode[1] = cudaAddressModeWrap;//寻址方式 如果是三维数组则设置texRef.addressMode[2]tex_src.normalized = false;//是否对纹理坐标归一化tex_src.filterMode = cudaFilterModeLinear;//硬件插值方式：最邻近插值--cudaFilterModePoint 双线性插值--cudaFilterModeLinearcudaBindTextureToArray(&tex_src, cuArray_src, &channelDesc);  //把CUDA数组绑定到纹理内存cudaMemcpyToArray(cuArray_src, 0, 0, src_tmp.data, srcimg_size, cudaMemcpyHostToDevice);   //把源图像数据拷贝到CUDA数组dim3 Block_resize(16, 16);dim3 Grid_resize((col + 15) / 16, (row + 15) / 16);//调用核函数resize_img_ker << <Grid_resize, Block_resize >> > (row, col, x_a, y_a, dst_cuda);dst = Mat::zeros(row, col, CV_8UC1);cudaMemcpy(dst.data, dst_cuda, dstimg_size, cudaMemcpyDeviceToHost);cudaFree(dst_cuda);cudaFreeArray(cuArray_src);cudaUnbindTexture(tex_src);
}

5. ‌本地内存（Local Memory）‌

  • ‌特点‌：线程私有，速度慢，由编译器自动分配（如大数组或寄存器不足时）。
  • ‌优化‌：减少使用，优先使用寄存器或共享内存。 
    __global__ void kernel() {float local_var; // 寄存器分配// float large_array[100]; // 可能溢出到本地内存
}

6. ‌寄存器（Registers）‌

  • ‌特点‌：最快的内存，但数量有限。优化方法包括减少变量或循环展开。 
    __global__ void kernel() {int tid = threadIdx.x; // 使用寄存器// 循环展开减少寄存器压力float sum = data + data + data + data;
}

7. ‌固定内存（Pinned Memory）‌

  • ‌特点‌：主机内存，加速主机与设备间传输。
  • ‌使用方法‌： 
    float *h_pinned;
cudaHostAlloc(&h_pinned, size, cudaHostAllocDefault); // 分配固定内存
cudaMemcpy(d_data, h_pinned, size, cudaMemcpyHostToDevice); // 快速传输

八、总结‌

‌内存类型‌‌作用域‌‌生命周期‌‌速度‌‌使用场景‌‌注意事项‌
‌全局内存‌所有线程手动释放最慢大数据传输，跨线程块通信需合并访问（连续地址访问）
‌共享内存‌线程块内线程块执行期间快线程块内协作（如归约、矩阵分块）避免Bank Conflict（线程访问不同Bank）
‌常量内存‌所有线程程序结束较快频繁读取的常量数据（如配置参数）只读，需提前用cudaMemcpyToSymbol拷贝
‌纹理内存‌所有线程手动释放较快具有空间局部性的访问（如图像采样）需绑定纹理对象，支持插值和缓存
‌本地内存‌单个线程线程执行期间慢寄存器溢出时的临时变量（如大数组）尽量避免使用，优先用寄存器/共享内存
‌寄存器‌单个线程线程执行期间最快局部变量和临时计算数量有限（每个线程约255个）
‌固定内存（Pinned）‌主机内存手动释放高带宽主机与设备间快速数据传输（如流处理）分配开销大，避免过量使用

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编程日记 2025/8/12 18:18:14

【PTA题目解答】7-3 字符串的全排列（20分）next_permutation

1.题目 给定一个全由小写字母构成的字符串&#xff0c;求它的全排列&#xff0c;按照字典序从小到大输出。 输入格式: 一行&#xff0c;一个字符串&#xff0c;长度不大于8。 输出格式: 输出所有全排列&#xff0c;每行一种排列形式&#xff0c;字典序从小到大。 输入样例…...

编程日记 2025/8/10 23:03:16

SOME/IP：用Python实现协议订阅、Offer、订阅ACK与报文接收

文章目录 前言一、代码层次二、详细代码1. eth_scapy_sd.py2、eth_scapy_someip.py3、network_define.py4、packet_define.py5、unpack_define.py6、someip_controller.py 前言 1、需要pip安装scapy库 2、需要修改根据实际情况配置network_define.py 3、执行someip_controller…...

编程日记 2025/8/14 18:11:55

嵌入式八股ARM篇

前言 ARM篇主要介绍一下寄存器和中断机制,至于汇编这一块…还请大家感兴趣自行学习 1.寄存器 R0 - R3 R4 - R11 寄存器 R0 - R3一般用作函数传参 R4 - R11用来保存程序运算的中间结果或函数的局部变量 在函数调用过程中 注意在发生异常的时候 cortex-M0架构会自动将R0-R3压入…...

编程日记 2025/8/13 19:21:56

剑指 Offer II 087. 复原 IP

comments: true edit_url: https://github.com/doocs/leetcode/edit/main/lcof2/%E5%89%91%E6%8C%87%20Offer%20II%20087.%20%E5%A4%8D%E5%8E%9F%20IP/README.md 剑指 Offer II 087. 复原 IP 题目描述 给定一个只包含数字的字符串 s &#xff0c;用以表示一个 IP 地址&#xf…...

编程日记 2025/8/13 10:55:33

RCE-Labs超详细WP-Level10(无字母命令执行_二进制整数替换)

温馨提示 这关涉及的知识点较多, 写的很长, 中间留了很多错误引导(本人在实验时遇到的问题, 或许你们也会遇到), 在后文才逐步解释源码分析 跟前几关一样, 更改了 WAF 的过滤字段这个关卡, 只有0, 1, (单引号), $, <, \ , ( , )可以用解题分析(实验这些命令, 可以先在自己本…...

编程日记 2025/8/9 21:15:57

数据结构(泛型)

1,装箱 int i 10;Integer j Integer.valueOf(i);2.拆箱 Integer i 10;int j i.intValue(); 3.自动装箱 int i 10;Integer j i;int i 10;Integer j (Integer) i; 4,自动拆箱 Integer i 10;int j i;Integer i 10;int j (int) i; 有一段代码需要解析一下&#xff1a; …...

编程日记 2025/8/11 20:49:31

Android Dagger2 框架辅助工具模块深度剖析(六)

一、引言 在 Android 开发领域&#xff0c;依赖注入&#xff08;Dependency Injection&#xff0c;简称 DI&#xff09;作为一种至关重要的设计模式&#xff0c;能显著降低代码间的耦合度&#xff0c;提升代码的可测试性与可维护性。Dagger2 作为一款强大的依赖注入框架&#…...

编程日记 2025/8/14 15:37:55

LVGL第三方库的使用（中文库）

一、第三方库文档 3rd party libraries&#xff08;第三方库&#xff09; — LVGL 文档 FreeType 中文字库 SDL 模拟器使用freetype中文字库 1.开启字库 2.安装freetype 字库 sudo apt-get update sudo apt-get install libfreetype6-dev 3.修改makefile 添加字库 4.显示中…...

编程日记 2025/8/12 5:29:23

【愚公系列】《高效使用DeepSeek》009-PPT大纲自动生成

标题详情作者简介愚公搬代码头衔华为云特约编辑，华为云云享专家，华为开发者专家，华为产品云测专家，CSDN博客专家，CSDN商业化专家，阿里云专家博主，阿里云签约作者，腾讯云优秀博主，腾讯云内容共创官，掘金优秀博主，亚马逊技领云博主，51CTO博客专家等。近期荣誉2022年度…...

编程日记 2025/8/12 10:42:50

使用easyexcel实现单元格样式设置和下拉框设置

1.单元格样式设置 1.1实体类 public class DemoData {ExcelProperty("PK")private String name;ExcelProperty("年龄")private int age;// 必须提供无参构造方法public DemoData() {}public DemoData(String name, int age) {this.name name;this.age …...

编程日记 2025/8/13 16:23:26