从零开始山寨Caffe·贰：主存模型

你左手是内存，右手是显存，内存可以打死显存，显存也可以打死内存。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　—— 请协调好你的主存

从硬件说起

物理之觞

大部分Caffe源码解读都喜欢跳过这部分，我不知道他们是什么心态，因为这恰恰是最重要的一部分。

内存的管理不擅，不仅会导致程序的立即崩溃，还会导致内存的泄露，当然，这只针对传统CPU程序而言。

由于GPU的引入，我们需要同时操纵俩种不同的存储体：

一个受北桥控制，与CPU之间架起地址总线、控制总线、数据总线。

一个受南桥控制，与CPU之间仅仅是一条可怜的PCI总线。

一个传统的C++程序，在操作系统中，会被装载至内存空间上。

一个有趣的问题，你觉得CPU能够访问显存空间嘛？你觉得你的默认C++代码能访问显存空间嘛？

结果显然是否定的，问题就在于CPU和GPU之间只存在一条数据总线。

没有地址总线和控制总线，你除了让CPU发送数据拷贝指令外，别无其它用处。

这不是NVIDIA解决不了，AMD就能解决的问题。除非计算机体系结构再一次迎来变革，

AMD和NVIDIA的工程师联名要求在CPU和GPU之间追加复杂的通信总线用于异构程序设计。

当然，你基本是想多了。

环境之艰

可怜的数据总线，加大了异构程序设计的难度。

于是我们看到，GPU的很大一部分时钟周期，用在了和CPU互相交换数据。

也就是所谓的“内存与显存之间友好♂关系”。

你不得不接受一个事实：

GPU最慢的存储体，也就是片外显存，得益于镁光的GDDR技术，目前家用游戏显卡的访存速度也有150GB/S。

而我们可怜的内存呢，你以为配上Skylake后，DDR4已经很了不起了，实际上它只有可怜的48GB/S。

那么问题来了，内存如何去弥补与显存的之间带宽的差距？

答案很简单：分时、异步、多线程。

换言之，如果GPU需要在接下来1秒内，获得CPU的150GB数据，那么CPU显然不能提前一秒去复制。

它需要提前3秒、甚至4秒。如果它当前还有其它串行任务，你就不得不设个线程去完成它。

这就是新版Caffe增加的新功能之一：多重预缓冲。

设置于DataLayer的分支线程，在GPU计算，CPU空闲期间，为显存预先缓冲3~4个Batch的数据量，

来解决内存显存带宽不一致，导致的GPU时钟周期浪费问题，也增加了CPU的利用率。

最终，你还是需要牢记一点：

不要尝试以默认的C++代码去访问显存空间，除非你把它们复制回内存空间上。

否则，就是一个毫无提示的程序崩溃问题（准确来说，是被CPU硬件中断了【微机原理或是计算机组成原理说法】)

编程之繁

在传统的CUDA程序设计里，我们往往经历这样一个步骤：

->计算前

cudaMalloc(....)          【分配显存空间】

cudaMemset(....)　　 【显存空间置0】

cudaMemcpy(....)　   【将数据从内存复制到显存】

->计算后

cudaMemcpy(....)       【将数据从显存复制回内存】

这些步骤相当得繁琐，你不仅需要反复敲打，而且如果忘记其中一步，就是毁灭性的灾难。

这还仅仅是GPU程序设计，如果考虑到CPU/GPU异构设计，那么就更麻烦了。

于是，聪明的人类就发明了主存管理自动机，按照按照一定逻辑设计状态转移代码。

这是Caffe非常重要的部分，称之为SyncedMemory(同步存储体)。

主存模型

状态转移自动机

自动机共有四种状态，以枚举类型定义于类SyncedMemory中：

enum SyncedHead { UNINITIALIZED, HEAD_AT_CPU, HEAD_AT_GPU, SYNCED };

这四种状态基本会被四个应用函数触发：cpu_data()、gpu_data()、mutable_cpu_data()、mutable_gpu_data()

在它们之上，有四个状态转移函数：to_cpu()、to_gpu()、mutable_cpu()、mutable_gpu()

前两个状态转移函数用于未进入Synced状态之前的状态机维护，后两个用于从Synced状态中打破出来。

具体细节见后文，因为Synced状态会忽略to_cpu和to_gpu的行为，打破Synced状态只能靠人工赋值，切换状态头head。

后两个mutable函数会被整合在应用函数里，因为它们只需要简单地为head赋个值，没必要大费周章写个函数封装。

★UNINITIALIZED：

UNINITIALIZED状态很有趣，它的生命周期是所有状态里最短的，将随着CPU或GPU其中的任一个申请内存而终结。

在整个内存周期里，我们并非一定要遵循着，数据一定要先申请内存，然后在申请显存，最后拷贝过去。

实际上，在GPU工作的情况下，大部分主存储体都是直接申请显存的，如除去DataLayer的前向/反向传播阶段。

所以，UNINITIALIZED允许直接由to_gpu()申请显存。

由此状态转移时，除了需要申请内存之外，通常还需要将内存置0。

★HEAD_AT_CPU：

该状态表明最近一次数据的修改，是由CPU触发的。

注意，它只表明最近一次是由谁修改，而不是谁访问。

在GPU工作时，该状态将成为所有状态里生命周期第二短的，通常自动机都处于SYNCED和HEAD_AT_GPU状态，

因为大部分数据的修改工作都是GPU触发的。

该状态只有三个来源：

I、由UNINITIALIZED转移到：说白了，就是钦定你作为第一次内存的载体。

II、由mutable_cpu_data()强制修改得到：都要准备改数据了，显然需要重置状态。

cpu_data()及其子函数to_cpu()，只要不符合I条件，都不可能转移到改状态(因为访问不会引起数据的修改)

★HEAD_AT_GPU：

该状态表明最近一次数据的修改，是由GPU触发的。

几乎是与HEAD_AT_CPU对称的。

★SYNCED：

最重要的状态，也是唯一一个非必要的状态。

单独设立同步状态的原因，是为了标记内存显存的数据一致情况。

由于类SyncedMemory将同时管理两种主存的指针，

如果遇到HEAD_AT_CPU，却要访问显存。或是HEAD_AT_GPU，却要访问内存，那么理论上，得先进行主存复制。

这个复制操作是可以被优化的，因为如果内存和显存的数据是一致的，就没必要来回复制。

所以，使用SYNCED来标记数据一致的情况。

SYNCED只有两种转移来源：

I、由HEAD_AT_CPU+to_gpu()转移到：

含义就是，CPU的数据比GPU新，且需要使用GPU，此时就必须同步主存。

II、由HEAD_AT_GPU+to_cpu()转移到：

含义就是，GPU的数据比CPU新，且需要使用CPU，此时就必须同步主存。

在转移至SYNCED期间，还需要做两件准备工作：

I、检查当前CPU/GPU态的指针是否分配主存，如果没有，就重新分配。

II、复制主存至对应态。

处于SYNCED状态后，to_cpu()和to_gpu()将会得到优化，跳过内部全部代码。

自动机将不再运转，因为，此时仅需要返回需要的主存指针就行了，不需要特别维护。

这种安宁期会被mutable前缀的函数打破，因为它们会强制修改至HEAD_AT_XXX，再次启动自动机。

代码实战

主存操作函数

建立synced_memory.hpp，在操作主存之前，你需要封装一些基础函数。

CPU端的函数是C/C++标准的通用函数：

inline void dragonMalloc(void **ptr, size_t size){
    *ptr = malloc(size);
    CHECK(*ptr) << "host allocation of size " << size << " failed";
}
inline void dragonFree(void *ptr){
    free(ptr);
}
inline void dragonMemset(void *ptr,size_t size){
    memset(ptr, 0, size);
}
inline void dragonMemcpy(void* dest, void* src,size_t size){
    memcpy(dest, src, size);
}

CHECK宏由GLOG提供，条件为假时，会触发assert，终结程序。

GPU端的函数由CUDA提供：

#ifndef CPU_ONLY
#include "cuda.h"
inline void cudaSetDevice(){
    int device;
    cudaGetDevice(&device);
    if (device != -1) return;
    CUDA_CHECK(cudaSetDevice(0));
}
inline void dragonGpuMalloc(void **ptr, size_t size){
    cudaSetDevice();
    CUDA_CHECK(cudaMalloc(ptr, size));
}
inline void dragonGpuFree(void *ptr){
    cudaSetDevice();
    CUDA_CHECK(cudaFree(ptr));
}
inline void dragonGpuMemset(void *ptr, size_t size){
    cudaSetDevice();
    CUDA_CHECK(cudaMemset(ptr, 0, size));
}
inline void dragonGpuMemcpy(void *dest, void* src, size_t size){
    cudaSetDevice();
    CUDA_CHECK(cudaMemcpy(dest, src, size, cudaMemcpyDefault));
}
#endif

#ifndef CPU ONLY  ..... #endif 确保本段代码不会被非CUDA模式所编译

cudaSetDevice()是一个通用函数，在后期，你应该移至common.hpp中。

该函数不是必要的，目的只是对当前执行GPU的一个惯性检查，检查失败则终结程序。

需要注意的是cudaMemcpy的最后一个参数，Flag：cudaMemcpyDefault，在CUDA 6.0之后才被使用。

在6.0版本之前，cudaMemcpy需要指明dest和src的来源，是host向device，还是device向host，还是device向device？

所以，早期的CUDA代码可能需要三个if来指明Flag的值，而cudaMemcpyDefault会自动检测，相当智能。

数据结构

class SyncedMemory
{
public:
    SyncedMemory():cpu_ptr(NULL), gpu_ptr(NULL), size_(0), head_(UNINITIALIZED) {}
    SyncedMemory(size_t size) :cpu_ptr(NULL), gpu_ptr(NULL), size_(size), head_(UNINITIALIZED) {}
    void to_gpu();
    void to_cpu();
    const void* cpu_data();
    const void* gpu_data();
    void set_cpu_data(void *data);
    void set_gpu_data(void *data);
    void* mutable_cpu_data();
    void* mutable_gpu_data();
#ifndef CPU_ONLY
    void async_gpu_data(const cudaStream_t& stream);
#endif
    enum SyncedHead { UNINITIALIZED, HEAD_AT_CPU, HEAD_AT_GPU, SYNCED };
    void *cpu_ptr, *gpu_ptr;
    size_t size_;
    bool own_cpu_data, own_gpu_data;
    SyncedHead head_;
    SyncedHead head() { return head_; }
    size_t size() { return size_; }
    ~SyncedMemory();
};

成员变量包括：

★两个主存指针：cpu_ptr、gpu_ptr

★主存大小size以及状态标记head

★共享标记：own_cpu_data、 own_gpu_data

成员函数包括：

★状态转移函数：void to_gpu()、void to_cpu()

★常访问函数：const void* cpu_data()、 const void* gpu_data()

★修改函数：void* mutable_cpu_data()、void* mutable_gpu_data()

★共享函数：void set_cpu_data(void *data)、void set_gpu_data(void *data)

★封装访问函数：SyncedHead head()、size_t size()

★异步流同步函数与析构函数：void async_gpu_data(const cudaStream_t& stream)、~SyncedMemory()

值得注意的是，两个共享函数以及共享标记不属于自动机范围。

共享函数的唯一用处是用于局部主存的共享，只用于DataLayer的Transformer中。

在Blob级别的共享中，存在两种共享：

I、共享另一个Blob的全部数据：只需要让SyncedMemory指针重新指向另一个Blob的SyncedMemory指针

II、共享另一个Blob的部分数据：

这利用了C/C++内存指针的一个Trick，内存首指针可以做代数加减运算，做一定偏移。

set_xxx_data(void *data)提供了最底层的指针修改，可以直接指向偏移之后的内存，而共享部分数据。

实现

建立synced_memory.cpp。

void SyncedMemory::to_cpu()
{
    switch (head_){
    case UNINITIALIZED:
        dragonMalloc(&cpu_ptr, size_);
        dragonMemset(cpu_ptr, size_);
        head_ = HEAD_AT_CPU;
        own_cpu_data = true;
        break;
    case HEAD_AT_GPU:
#ifndef CPU_ONLY
        if (cpu_ptr == NULL){
            dragonMalloc(&cpu_ptr, size_);
            own_cpu_data = true;
        }
        dragonGpuMemcpy(cpu_ptr,gpu_ptr,size_);
        head_ = SYNCED;
#endif
        break;
    case HEAD_AT_CPU:
    case SYNCED:
        break;
    }
}

需要注意的是共享标记own_xxx_data，只要申请了内存，就必须做标记。

共享标记在析构时是必要的，因为你不能将宿主数据一并释放掉。

void SyncedMemory::to_gpu()
{
#ifndef CPU_ONLY
    switch (head_){
    case UNINITIALIZED:
        dragonGpuMalloc(&gpu_ptr,size_);
        dragonGpuMemset(gpu_ptr, size_);
        head_ = HEAD_AT_GPU;
        own_gpu_data = true;
        break;
    case HEAD_AT_CPU:
        if (gpu_ptr == NULL){
            dragonGpuMalloc(&gpu_ptr,size_);
            own_gpu_data = true;
        }
        dragonGpuMemcpy(gpu_ptr, cpu_ptr, size_);
        head_ = SYNCED;
        break;
    case HEAD_AT_GPU:
    case SYNCED:
        break;
    }
#endif
}

GPU的转移函数是与CPU版本对称的。

const void* SyncedMemory::cpu_data(){
    to_cpu();
    return (const void*)cpu_ptr;
}

const void* SyncedMemory::gpu_data(){
    to_gpu();
    return (const void*)gpu_ptr;
}

常访问函数，注意const指针的强制转换，访问之前需要运行一次自动机。

void* SyncedMemory::mutable_cpu_data(){
    to_cpu();
    head_ = HEAD_AT_CPU;
    return cpu_ptr;
}

void* SyncedMemory::mutable_gpu_data(){
#ifndef CPU_ONLY
    to_gpu();
    head_ = HEAD_AT_GPU;
    return gpu_ptr;
#endif
}

修改函数，运行自动机、强制修改自动机状态，最后返回指针，用于从外部修改。

void SyncedMemory::set_cpu_data(void *data){
    if (own_cpu_data) dragonFree(cpu_ptr);
    cpu_ptr = data;
    head_ = HEAD_AT_CPU;
    own_cpu_data = false;
}

void SyncedMemory::set_gpu_data(void *data){
#ifndef CPU_ONLY
    if (own_gpu_data) dragonGpuFree(gpu_ptr);
    gpu_ptr = data;
    head_ = HEAD_AT_GPU;
    own_gpu_data = false;
#endif
}

共享函数，共享之前，先释放旧主存，修改共享标记，强制修改自动机状态。

SyncedMemory::~SyncedMemory(){
    if (cpu_ptr && own_cpu_data) dragonFree(cpu_ptr);
#ifndef CPU_ONLY
    if (gpu_ptr && own_gpu_data) dragonGpuFree(gpu_ptr);
#endif
}

析构函数，注意检查共享标记，不能释放宿主内存。

异步流同步

异步流概念，是CUDA 5.0中引入的。

与Intel CPU的流水线架构一样，NVIDIA的GPU也采用了I/O和计算分离的流水线做法。

cudaMemcpy使用的是默认流cudaStreamDefault，编号为0。

异步流编程API开放之后，允许程序员在CPU端多线程编程中，向GPU提交异步的同步复制流，

以此增加GPU端的I/O利用率。

简单来说，默认流只允许主进程与显存复制数据，而我们实际上不可能这么干，原因有二：

I、效率低，主进程就是单线程啊。

II、很多情况下，数据复制完之前，需要阻塞。阻塞主进程不是一个好主意。

Caffe中只有一处是这么做的，那就是DataLayer正向传播一个Batch的时候，这个阻塞是必然的。

但是，在构成Batch之前，只要采取多线程设计，那么异步流复制只会阻塞旁支线程，而不会影响主进程。

这是为什么NVIDIA开放异步流API的原因，它鼓励了CPU用于多线程I/O，让GPU计算如虎添翼。

#ifndef CPU_ONLY
void SyncedMemory::async_gpu_data(const cudaStream_t& stream){
    CHECK(head_ == HEAD_AT_CPU);
    //    first allocating memory
    if (gpu_ptr == NULL){
        dragonGpuMalloc(&gpu_ptr, size_);
        own_gpu_data = true;
    }
    const cudaMemcpyKind kind = cudaMemcpyHostToDevice;
    CUDA_CHECK(cudaMemcpyAsync(gpu_ptr, cpu_ptr, size_, kind, stream));
    head_ = SYNCED;
}
#endif

异步流的底层代码接受一个异步流作为参数，使用cudaMemcpyAsync()向GPU提交复制任务。

它等效于HEAD_AT_CPU+to_gpu()，所以需要更新同步标记。

完整代码将在DataLayer中完成，该函数将由多线程调用。

完整代码

synced_mem.hpp:

https://github.com/neopenx/Dragon/blob/master/Dragon/include/synced_mem.hpp

synced_mem.cpp:

https://github.com/neopenx/Dragon/blob/master/Dragon/src/synced_mem.cpp