cuda编程笔记（13）--使用CUB库实现基本功能

ouliten2025-08-08 8:59

CUB 是 NVIDIA 提供的 高性能 CUDA 基础库，包含常用的并行原语（Reduction、Scan、Histogram 等），可以极大简化代码，并且比手写版本更优化。

CUB无需链接，只用包含<cub/cub.cuh>头文件即可

需要先临时获取空间

CUB 内部需要额外的缓冲区来做并行归约、扫描等操作 ，而这个缓冲区的大小依赖于 输入数据量、算法、GPU 结构，编译期无法确定。

通用函数接口-Device-level（设备级）

运行在整个设备（grid）范围，需要全局内存临时空间。

cub::DeviceReduce::Reduce

cpp 复制代码 
template <typename InputIteratorT,
          typename OutputIteratorT,
          typename ReductionOp,
          typename T>
static cudaError_t Reduce(
    void *d_temp_storage,        // 临时存储区指针
    size_t &temp_storage_bytes,  // 存储区大小
    InputIteratorT d_in,         // 输入迭代器（GPU 内存）
    OutputIteratorT d_out,       // 输出迭代器（GPU 内存）
    int num_items,               // 输入元素个数
    ReductionOp reduction_op,    // 归约操作符（如加法、最大值）
    T init,                      // 归约初始值
    cudaStream_t stream = 0);    // CUDA 流

  • d_temp_storage 和 temp_storage_bytes：两阶段调用机制（先获取大小再分配）

  • d_in / d_out：输入和输出数组指针（在 GPU 上）

  • num_items：元素数量

  • reduction_op：归约操作（例如 cub::Sum(), cub::Max()，或自定义 Lambda）

  • init：归约起始值

  • stream：运行在哪个 CUDA stream 上

求和

cpp 复制代码 
#ifndef __CUDACC__
#define __CUDACC__
#endif
#include <cuda_runtime.h>
#include <device_launch_parameters.h>
#include <cublas_v2.h>
#include <cufft.h>
#include<cub/cub.cuh>
#include <iostream>
#include<cstdio>
#include <vector>

void error_handling(cudaError_t res) {
    if (res !=cudaSuccess) {
        std::cout << "error!" << std::endl;
    }
}
int main() {
    const int N = 8;
    float h_in[N] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
    float* d_in, * d_out;
    cudaMalloc(&d_in, N * sizeof(float));
    cudaMalloc(&d_out,  sizeof(float));
    cudaMemcpy(d_in, h_in, N * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
    void* d_temp_storage = nullptr;
    size_t temp_storage_bytes = 0;

    cub::DeviceReduce::Reduce(d_temp_storage,temp_storage_bytes,d_in,d_out,N,cub::Sum(),0.0f);
    // 分配临时空间
    cudaMalloc(&d_temp_storage, temp_storage_bytes);

    // 第二次调用：执行归约
    cub::DeviceReduce::Reduce(d_temp_storage, temp_storage_bytes,
        d_in, d_out, N,
        cub::Sum(), 0.0f);
    float h_out;
    cudaMemcpy(&h_out, d_out, sizeof(float), cudaMemcpyDeviceToHost);
    std::cout << "Sum = " << h_out << std::endl;

    cudaFree(d_in);
    cudaFree(d_out);
    cudaFree(d_temp_storage);
    return 0;
}

当然，Reduce是通用版本，也有Sum的特化版本

cpp 复制代码 
  template <typename InputIteratorT, typename OutputIteratorT, typename NumItemsT>
  cudaError_t
  static Sum(void* d_temp_storage,
      size_t& temp_storage_bytes,
      InputIteratorT d_in,
      OutputIteratorT d_out,
      NumItemsT num_items,
      cudaStream_t stream = 0);
cpp 复制代码 
#ifndef __CUDACC__
#define __CUDACC__
#endif
#include <cuda_runtime.h>
#include <device_launch_parameters.h>
#include <cublas_v2.h>
#include <cufft.h>
#include<cub/cub.cuh>
#include <iostream>
#include<cstdio>
#include <vector>

void error_handling(cudaError_t res) {
    if (res !=cudaSuccess) {
        std::cout << "error!" << std::endl;
    }
}
int main() {
    const int N = 8;
    float h_in[N] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
    float* d_in, * d_out;
    cudaMalloc(&d_in, N * sizeof(float));
    cudaMalloc(&d_out,  sizeof(float));
    cudaMemcpy(d_in, h_in, N * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
    void* d_temp_storage = nullptr;
    size_t temp_storage_bytes = 0;

    // 先获取临时空间大小
    cub::DeviceReduce::Sum(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N);
    cudaMalloc(&d_temp_storage, temp_storage_bytes);

    // 执行 Reduce
    cub::DeviceReduce::Sum(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N);
    float h_out;
    cudaMemcpy(&h_out, d_out, sizeof(float), cudaMemcpyDeviceToHost);
    std::cout << "Sum = " << h_out << std::endl;

    cudaFree(d_in);
    cudaFree(d_out);
    cudaFree(d_temp_storage);
    return 0;
}

自定义乘积

可以求数组所有元素的乘积；乘积Reduce没有提供接口，可以自己写一个可执行对象（仿函数类，lambda表达式等都可以）

这里使用lambda表达式

cpp 复制代码 
#ifndef __CUDACC__
#define __CUDACC__
#endif
#include <cuda_runtime.h>
#include <device_launch_parameters.h>
#include <cublas_v2.h>
#include <cufft.h>
#include<cub/cub.cuh>
#include <iostream>
#include<cstdio>
#include <vector>

void error_handling(cudaError_t res) {
    if (res !=cudaSuccess) {
        std::cout << "error!" << std::endl;
    }
}
int main() {
    const int N = 8;
    float h_in[N] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
    float* d_in, * d_out;
    cudaMalloc(&d_in, N * sizeof(float));
    cudaMalloc(&d_out, sizeof(float));
    cudaMemcpy(d_in, h_in, N * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
    void* d_temp_storage = nullptr;
    size_t temp_storage_bytes = 0;

    cub::DeviceReduce::Reduce(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N, []__device__(float a, float b) ->float{ return a * b; }, 1.0f);
    // 分配临时空间
    cudaMalloc(&d_temp_storage, temp_storage_bytes);

    // 第二次调用：执行乘积
    cub::DeviceReduce::Reduce(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N, []__device__(float a, float b) ->float{ return a * b; }, 1.0f);
    float h_out;
    cudaMemcpy(&h_out, d_out, sizeof(float), cudaMemcpyDeviceToHost);
    std::cout << "mul = " << h_out << std::endl;

    cudaFree(d_in);
    cudaFree(d_out);
    cudaFree(d_temp_storage);
    return 0;
}

如果想要使用在设备使用lambda表达式，需要编译时加上：

cpp 复制代码 
nvcc main.cu -o main --extended-lambda

如果用VS，打开项目属性，在这里加：

（用仿函数类就不用开启这个，如此即可）

cpp 复制代码 
struct MultiplyOp {
    __device__ float operator()(float a, float b) const {
        return a * b;
    }
};

// 调用
cub::DeviceReduce::Reduce(d_temp_storage, temp_storage_bytes,
                           d_in, d_out, N,
                           MultiplyOp(), 1.0f);

前缀和

前缀和有专门的函数

cpp 复制代码 
  template <typename InputIteratorT, typename OutputIteratorT>
    static cudaError_t ExclusiveSum(
    void* d_temp_storage,// 临时存储指针
    size_t& temp_storage_bytes,// 临时存储大小
    InputIteratorT d_in,// 输入迭代器（指针）
    OutputIteratorT d_out,// 输出迭代器（指针）
    int num_items,// 元素数量
    cudaStream_t stream = 0)// CUDA 流（可选）
;

使用起来没有任何差别

cpp 复制代码 
#ifndef __CUDACC__
#define __CUDACC__
#endif
#include <cuda_runtime.h>
#include <device_launch_parameters.h>
#include <cublas_v2.h>
#include <cufft.h>
#include<cub/cub.cuh>
#include <iostream>
#include<cstdio>
#include <vector>

void error_handling(cudaError_t res) {
    if (res !=cudaSuccess) {
        std::cout << "error!" << std::endl;
    }
}
int main() {
    const int N = 8;
    float h_in[N] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
    float* d_in, * d_out;
    cudaMalloc(&d_in, N * sizeof(float));
    cudaMalloc(&d_out, N*sizeof(float));
    cudaMemcpy(d_in, h_in, N * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
    void* d_temp_storage = nullptr;
    size_t temp_storage_bytes = 0;

    // 获取临时空间大小
    cub::DeviceScan::ExclusiveSum(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N);
    cudaMalloc(&d_temp_storage, temp_storage_bytes);

    // 执行 Exclusive Scan
    cub::DeviceScan::ExclusiveSum(d_temp_storage, temp_storage_bytes, d_in, d_out, N);
    float h_out[N];
    cudaMemcpy(h_out, d_out, N * sizeof(float), cudaMemcpyDeviceToHost);
    std::cout << "Exclusive Scan: ";
    for (int i = 0; i < N; i++) std::cout << h_out[i] << " ";
    std::cout << std::endl;

    cudaFree(d_in);
    cudaFree(d_out);
    cudaFree(d_temp_storage);
    return 0;
}

ExclusiveScan 是前缀和，不包括当前元素：

cpp 复制代码 
输入:   [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
输出:   [0, 1, 3, 6,10,15,21,28]

Block-level （线程块级）

作用

  • 用于一个 Block 内的线程协作 ，通常替代手写的 __shared__ + 手写 reduce/scan。

  • 比 Warp-level 更大范围（整个 block），但不涉及 grid 级同步。

  • 用途：块内归约、块内前缀和、块内排序。

线程块级类的调用套路是一样的

  1. 定义类型（typedef）

  2. 申请共享内存（TempStorage）

  3. 调用对象的方法

BlockReduce模板类

cpp 复制代码 
namespace cub {

template <
    typename T,                // 数据类型，例如 float, int
    int BLOCK_DIM_X,           // 线程块大小
    cub::BlockReduceAlgorithm ALGORITHM = cub::BLOCK_REDUCE_WARP_REDUCTIONS // 可选
    //还有一些其他模板参数，一般都可以忽略
>
class BlockReduce {
public:
    // 内部类型：临时存储
    struct TempStorage;

    // 构造函数：传入共享内存
    __device__ __forceinline__ BlockReduce(TempStorage& temp_storage);

    // 常用方法：
    __device__ T Sum(T input); // 块内所有线程求和
    template <typename ReductionOp>
    __device__ T Reduce(T input, ReductionOp reduction_op); // 自定义规约操作

    __device__ T Sum(T input, T identity); // 带初始值的求和

    // 返回最大值和索引
    struct ArgMax { T value; int index; };
    __device__ ArgMax Reduce(T input, ReductionOp reduction_op, ArgMax identity);
};

} // namespace cub

特点

  • 不需要手写循环/__syncthreads()，CUB 自动优化 bank conflict。

  • 自定义操作用 .Reduce(val, binary_op)。

块内归约

cpp 复制代码 
__global__ void block_reduce_sum(float* d_in, float* d_out) {
    // 定义 BlockReduce 类型：数据类型 float，block 大小 256
    typedef cub::BlockReduce<float, 256> BlockReduceT;

    // 共享内存（临时存储）
    __shared__ typename BlockReduceT::TempStorage temp_storage;

    int tid = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
    float val = d_in[tid];

    // 每个 block 归约，返回该 block 的总和
    float block_sum = BlockReduceT(temp_storage).Sum(val);

    if (threadIdx.x == 0) {
        d_out[blockIdx.x] = block_sum;  // 每个 block 的结果
    }
}

BlockReduce::Sum(T input) 里的 input 参数 是 当前线程贡献的单个值，也就是参与规约的元素。

BlockReduce::Sum() 会在整个 线程块（block）内 ，把所有线程的 input 值加起来，返回 块内的总和。

自定义规约

cpp 复制代码 
 __device__ T Reduce(T input, ReductionOp reduction_op); // 自定义规约操作

该成员函数可以让我们实现自定义的规约操作

参数 含义
input 每个线程的本地值，类型为 T。
binary_op 一个二元操作函数对象 ，类型为 BinaryOp，定义了如何将两个 T 类型的值合并。例如：加法、乘法、最大值等。

比如可以用cub库提供的可调用对象类

cpp 复制代码 
float block_sum = BlockReduceT(temp_storage).Reduce(val, cub::Sum());//规约加法
float block_prod = BlockReduceT(temp_storage).Reduce(val, cub::Multiply());//规约乘法

也可以自己实现仿函数类或lambda表达式；具体操作与上文Device级别的自定义乘积类似；

BlockScan

cpp 复制代码 
namespace cub {

template <
    typename T,            // 数据类型
    int BLOCK_DIM_X,       // 线程块大小
    cub::BlockScanAlgorithm ALGORITHM = cub::BLOCK_SCAN_WARP_SCANS // 可选
>
class BlockScan {
public:
    struct TempStorage;

    __device__ __forceinline__ BlockScan(TempStorage& temp_storage);

    // 前缀和（不包含自己）
    template <typename ScanOp>
    __device__ void ExclusiveScan(T input, T &output, ScanOp scan_op, T identity);

    // 前缀和（包含自己）
    template <typename ScanOp>
    __device__ void InclusiveScan(T input, T &output, ScanOp scan_op);

    // 常用简化版本
    __device__ void ExclusiveSum(T input, T &output, T identity = 0);
    __device__ void InclusiveSum(T input, T &output);
};

} // namespace cub

使用

cpp 复制代码 
typedef cub::BlockScan<int, 256> BlockScanT;
__shared__ typename BlockScanT::TempStorage temp_storage;
int output;
BlockScanT(temp_storage).ExclusiveSum(input, output);

BlockRadixSort

cpp 复制代码 
namespace cub {

template <
    typename KeyT,           // 键类型
    int BLOCK_DIM_X,         // 线程块大小
    typename ValueT = void,  // 可选，值类型
    int ITEMS_PER_THREAD = 1 // 每线程处理的元素个数
>
class BlockRadixSort {
public:
    struct TempStorage;

    __device__ __forceinline__ BlockRadixSort(TempStorage& temp_storage);

    // 对键排序（升序），排序后把属于该线程的key更新
    __device__ void Sort(KeyT &key);

    // 降序
    __device__ void SortDescending(KeyT &key);

    // 键值对排序
    __device__ void Sort(KeyT &key, ValueT &value);
    __device__ void SortDescending(KeyT &key, ValueT &value);
};

} // namespace cub

使用模式

cpp 复制代码 
#include <cub/cub.cuh>

__global__ void block_sort(int *d_keys) {
    typedef cub::BlockRadixSort<int, 256> BlockRadixSortT;
    __shared__ typename BlockRadixSortT::TempStorage temp_storage;

    int thread_id = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
    int key = d_keys[thread_id];

    // 在 block 内排序（升序）
    BlockRadixSortT(temp_storage).Sort(key);

    // 写回排序后的值
    d_keys[thread_id] = key;
}

Warp-level

Warp-level 原语（线程束级）

  • 用于warp 内高效协作 ，替代手写 __shfl_*。

  • 适合 warp 内归约（reduce）、前缀和（scan），比手写更可读。

具体用法与block级一模一样，只是模板类名改为WarpReduce、WarpScan

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