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问deepseek: 如何用CUDA实现PBiCGSTAB稀疏矩阵迭代算法,写段示例代码

要在CUDA中实现PBiCGSTAB(预处理双共轭梯度稳定法)稀疏矩阵迭代算法,首先需要理解PBiCGSTAB算法的基本步骤,并将其与CUDA的并行计算能力结合。以下是一个简单的示例代码,展示了如何在CUDA中实现PBiCGSTAB算法。

1. PBiCGSTAB算法概述

PBiCGSTAB是一种用于求解大型稀疏线性方程组的迭代算法。其主要步骤包括:

  • 初始化
  • 预处理
  • 迭代求解
  • 收敛判断

2. CUDA实现

在CUDA中,稀疏矩阵通常使用CSR(Compressed Sparse Row)格式存储。我们需要在CUDA中实现矩阵向量乘法、向量加减法等基本操作。

3. 示例代码

#include <iostream>
#include <cuda_runtime.h>
#include <cusparse.h>

// 定义矩阵大小
const int N = 1000;

// CUDA核函数:矩阵向量乘法 (CSR格式)
__global__ void csrMatVecMult(int n, const double *values, const int *rowPtr, const int *colInd, const double *x, double *y) {
    int row = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (row < n) {
        double sum = 0.0;
        int row_start = rowPtr[row];
        int row_end = rowPtr[row + 1];
        for (int j = row_start; j < row_end; j++) {
            sum += values[j] * x[colInd[j]];
        }
        y[row] = sum;
    }
}

// CUDA核函数:向量加法
__global__ void vectorAdd(int n, const double *a, const double *b, double *c) {
    int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (idx < n) {
        c[idx] = a[idx] + b[idx];
    }
}

// CUDA核函数:向量减法
__global__ void vectorSub(int n, const double *a, const double *b, double *c) {
    int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (idx < n) {
        c[idx] = a[idx] - b[idx];
    }
}

// CUDA核函数:向量点积
__global__ void dotProduct(int n, const double *a, const double *b, double *result) {
    __shared__ double cache[256];
    int tid = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
    int cacheIndex = threadIdx.x;

    double temp = 0.0;
    while (tid < n) {
        temp += a[tid] * b[tid];
        tid += blockDim.x * gridDim.x;
    }

    cache[cacheIndex] = temp;
    __syncthreads();

    // 归约
    int i = blockDim.x / 2;
    while (i != 0) {
        if (cacheIndex < i) {
            cache[cacheIndex] += cache[cacheIndex + i];
        }
        __syncthreads();
        i /= 2;
    }

    if (cacheIndex == 0) {
        result[blockIdx.x] = cache[0];
    }
}

// PBiCGSTAB算法
void PBiCGSTAB(int n, const double *values, const int *rowPtr, const int *colInd, const double *b, double *x, double tol, int max_iter) {
    double *r, *r0, *p, *v, *s, *t;
    double *d_r, *d_r0, *d_p, *d_v, *d_s, *d_t, *d_x, *d_b, *d_values;
    int *d_rowPtr, *d_colInd;

    // 分配主机内存
    r = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    r0 = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    p = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    v = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    s = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    t = (double *)malloc(n * sizeof(double));

    // 分配设备内存
    cudaMalloc((void **)&d_r, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_r0, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_p, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_v, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_s, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_t, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_x, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_b, n * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_values, (rowPtr[n]) * sizeof(double));
    cudaMalloc((void **)&d_rowPtr, (n + 1) * sizeof(int));
    cudaMalloc((void **)&d_colInd, (rowPtr[n]) * sizeof(int));

    // 拷贝数据到设备
    cudaMemcpy(d_x, x, n * sizeof(double), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(d_b, b, n * sizeof(double), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(d_values, values, (rowPtr[n]) * sizeof(double), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(d_rowPtr, rowPtr, (n + 1) * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(d_colInd, colInd, (rowPtr[n]) * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice);

    // 初始化残差 r = b - A*x
    csrMatVecMult<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_values, d_rowPtr, d_colInd, d_x, d_r);
    vectorSub<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_b, d_r, d_r);
    cudaMemcpy(r, d_r, n * sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);

    // 初始化 r0 = r
    cudaMemcpy(d_r0, d_r, n * sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToDevice);

    double rho = 1.0, alpha = 1.0, omega = 1.0;
    double *dot_result;
    cudaMalloc((void **)&dot_result, sizeof(double));

    for (int iter = 0; iter < max_iter; iter++) {
        double rho_old = rho;

        // rho = dot(r0, r)
        dotProduct<<<1, 256>>>(n, d_r0, d_r, dot_result);
        cudaMemcpy(&rho, dot_result, sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);

        if (rho == 0.0) break;

        if (iter > 0) {
            double beta = (rho / rho_old) * (alpha / omega);
            // p = r + beta * (p - omega * v)
            vectorSub<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_p, d_v, d_p);
            vectorAdd<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_r, d_p, d_p);
        } else {
            // p = r
            cudaMemcpy(d_p, d_r, n * sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToDevice);
        }

        // v = A * p
        csrMatVecMult<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_values, d_rowPtr, d_colInd, d_p, d_v);

        // alpha = rho / dot(r0, v)
        dotProduct<<<1, 256>>>(n, d_r0, d_v, dot_result);
        cudaMemcpy(&alpha, dot_result, sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);
        alpha = rho / alpha;

        // s = r - alpha * v
        vectorSub<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_r, d_v, d_s);

        // t = A * s
        csrMatVecMult<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_values, d_rowPtr, d_colInd, d_s, d_t);

        // omega = dot(t, s) / dot(t, t)
        dotProduct<<<1, 256>>>(n, d_t, d_s, dot_result);
        double numerator, denominator;
        cudaMemcpy(&numerator, dot_result, sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);
        dotProduct<<<1, 256>>>(n, d_t, d_t, dot_result);
        cudaMemcpy(&denominator, dot_result, sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);
        omega = numerator / denominator;

        // x = x + alpha * p + omega * s
        vectorAdd<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_x, d_p, d_x);
        vectorAdd<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_x, d_s, d_x);

        // r = s - omega * t
        vectorSub<<<(n + 255) / 256, 256>>>(n, d_s, d_t, d_r);

        // 检查收敛
        double norm_r;
        dotProduct<<<1, 256>>>(n, d_r, d_r, dot_result);
        cudaMemcpy(&norm_r, dot_result, sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);
        norm_r = sqrt(norm_r);

        if (norm_r < tol) break;
    }

    // 拷贝结果回主机
    cudaMemcpy(x, d_x, n * sizeof(double), cudaMemcpyDeviceToHost);

    // 释放设备内存
    cudaFree(d_r);
    cudaFree(d_r0);
    cudaFree(d_p);
    cudaFree(d_v);
    cudaFree(d_s);
    cudaFree(d_t);
    cudaFree(d_x);
    cudaFree(d_b);
    cudaFree(d_values);
    cudaFree(d_rowPtr);
    cudaFree(d_colInd);
    cudaFree(dot_result);

    // 释放主机内存
    free(r);
    free(r0);
    free(p);
    free(v);
    free(s);
    free(t);
}

int main() {
    // 示例矩阵和向量
    int n = 1000;
    double *values = (double *)malloc(3 * n * sizeof(double));
    int *rowPtr = (int *)malloc((n + 1) * sizeof(int));
    int *colInd = (int *)malloc(3 * n * sizeof(int));
    double *b = (double *)malloc(n * sizeof(double));
    double *x = (double *)malloc(n * sizeof(double));

    // 初始化矩阵和向量
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        rowPtr[i] = 3 * i;
        colInd[3 * i] = i;
        colInd[3 * i + 1] = (i + 1) % n;
        colInd[3 * i + 2] = (i - 1 + n) % n;
        values[3 * i] = 4.0;
        values[3 * i + 1] = -1.0;
        values[3 * i + 2] = -1.0;
        b[i] = 1.0;
        x[i] = 0.0;
    }
    rowPtr[n] = 3 * n;

    // 调用PBiCGSTAB算法
    PBiCGSTAB(n, values, rowPtr, colInd, b, x, 1e-6, 1000);

    // 输出结果
    std::cout << "Solution vector x:" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        std::cout << x[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 释放内存
    free(values);
    free(rowPtr);
    free(colInd);
    free(b);
    free(x);

    return 0;
}

4. 代码说明

  • CSR格式矩阵向量乘法csrMatVecMult核函数实现了CSR格式的矩阵向量乘法。
  • 向量操作vectorAddvectorSubdotProduct核函数分别实现了向量加法、减法和点积操作。
  • PBiCGSTAB算法PBiCGSTAB函数实现了PBiCGSTAB算法的核心逻辑,包括初始化、迭代求解和收敛判断。

5. 注意事项

  • 代码中的矩阵和向量大小是固定的,实际应用中可能需要动态调整。
  • 代码中没有实现预处理步骤,实际应用中可能需要根据具体问题选择合适的预处理方法。
  • 代码中的CUDA核函数和内存管理可能需要根据具体硬件和问题进行优化。

这个示例代码展示了如何在CUDA中实现PBiCGSTAB算法的基本框架,实际应用中可能需要根据具体问题进行进一步的优化和调整。

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