OSDN Git Service

[CUDA] Update docs; CUDA 8.0 is supported as of a while ago.
[android-x86/external-llvm.git] / docs / CompileCudaWithLLVM.rst
1 =========================
2 Compiling CUDA with clang
3 =========================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This document describes how to compile CUDA code with clang, and gives some
12 details about LLVM and clang's CUDA implementations.
13
14 This document assumes a basic familiarity with CUDA. Information about CUDA
15 programming can be found in the
16 `CUDA programming guide
17 <http://docs.nvidia.com/cuda/cuda-c-programming-guide/index.html>`_.
18
19 Compiling CUDA Code
20 ===================
21
22 Prerequisites
23 -------------
24
25 CUDA is supported in llvm 3.9, but it's still in active development, so we
26 recommend you `compile clang/LLVM from HEAD
27 <http://llvm.org/docs/GettingStarted.html>`_.
28
29 Before you build CUDA code, you'll need to have installed the appropriate
30 driver for your nvidia GPU and the CUDA SDK.  See `NVIDIA's CUDA installation
31 guide <https://docs.nvidia.com/cuda/cuda-installation-guide-linux/index.html>`_
32 for details.  Note that clang `does not support
33 <https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=26966>`_ the CUDA toolkit as installed
34 by many Linux package managers; you probably need to install nvidia's package.
35
36 You will need CUDA 7.0, 7.5, or 8.0 to compile with clang.
37
38 Invoking clang
39 --------------
40
41 Invoking clang for CUDA compilation works similarly to compiling regular C++.
42 You just need to be aware of a few additional flags.
43
44 You can use `this <https://gist.github.com/855e277884eb6b388cd2f00d956c2fd4>`_
45 program as a toy example.  Save it as ``axpy.cu``.  (Clang detects that you're
46 compiling CUDA code by noticing that your filename ends with ``.cu``.
47 Alternatively, you can pass ``-x cuda``.)
48
49 To build and run, run the following commands, filling in the parts in angle
50 brackets as described below:
51
52 .. code-block:: console
53
54   $ clang++ axpy.cu -o axpy --cuda-gpu-arch=<GPU arch> \
55       -L<CUDA install path>/<lib64 or lib>             \
56       -lcudart_static -ldl -lrt -pthread
57   $ ./axpy
58   y[0] = 2
59   y[1] = 4
60   y[2] = 6
61   y[3] = 8
62
63 * ``<CUDA install path>`` -- the directory where you installed CUDA SDK.
64   Typically, ``/usr/local/cuda``.
65
66   Pass e.g. ``-L/usr/local/cuda/lib64`` if compiling in 64-bit mode; otherwise,
67   pass e.g. ``-L/usr/local/cuda/lib``.  (In CUDA, the device code and host code
68   always have the same pointer widths, so if you're compiling 64-bit code for
69   the host, you're also compiling 64-bit code for the device.)
70
71 * ``<GPU arch>`` -- the `compute capability
72   <https://developer.nvidia.com/cuda-gpus>`_ of your GPU. For example, if you
73   want to run your program on a GPU with compute capability of 3.5, specify
74   ``--cuda-gpu-arch=sm_35``.
75
76   Note: You cannot pass ``compute_XX`` as an argument to ``--cuda-gpu-arch``;
77   only ``sm_XX`` is currently supported.  However, clang always includes PTX in
78   its binaries, so e.g. a binary compiled with ``--cuda-gpu-arch=sm_30`` would be
79   forwards-compatible with e.g. ``sm_35`` GPUs.
80
81   You can pass ``--cuda-gpu-arch`` multiple times to compile for multiple archs.
82
83 The `-L` and `-l` flags only need to be passed when linking.  When compiling,
84 you may also need to pass ``--cuda-path=/path/to/cuda`` if you didn't install
85 the CUDA SDK into ``/usr/local/cuda``, ``/usr/local/cuda-7.0``, or
86 ``/usr/local/cuda-7.5``.
87
88 Flags that control numerical code
89 ---------------------------------
90
91 If you're using GPUs, you probably care about making numerical code run fast.
92 GPU hardware allows for more control over numerical operations than most CPUs,
93 but this results in more compiler options for you to juggle.
94
95 Flags you may wish to tweak include:
96
97 * ``-ffp-contract={on,off,fast}`` (defaults to ``fast`` on host and device when
98   compiling CUDA) Controls whether the compiler emits fused multiply-add
99   operations.
100
101   * ``off``: never emit fma operations, and prevent ptxas from fusing multiply
102     and add instructions.
103   * ``on``: fuse multiplies and adds within a single statement, but never
104     across statements (C11 semantics).  Prevent ptxas from fusing other
105     multiplies and adds.
106   * ``fast``: fuse multiplies and adds wherever profitable, even across
107     statements.  Doesn't prevent ptxas from fusing additional multiplies and
108     adds.
109
110   Fused multiply-add instructions can be much faster than the unfused
111   equivalents, but because the intermediate result in an fma is not rounded,
112   this flag can affect numerical code.
113
114 * ``-fcuda-flush-denormals-to-zero`` (default: off) When this is enabled,
115   floating point operations may flush `denormal
116   <https://en.wikipedia.org/wiki/Denormal_number>`_ inputs and/or outputs to 0.
117   Operations on denormal numbers are often much slower than the same operations
118   on normal numbers.
119
120 * ``-fcuda-approx-transcendentals`` (default: off) When this is enabled, the
121   compiler may emit calls to faster, approximate versions of transcendental
122   functions, instead of using the slower, fully IEEE-compliant versions.  For
123   example, this flag allows clang to emit the ptx ``sin.approx.f32``
124   instruction.
125
126   This is implied by ``-ffast-math``.
127
128 Standard library support
129 ========================
130
131 In clang and nvcc, most of the C++ standard library is not supported on the
132 device side.
133
134 ``<math.h>`` and ``<cmath>``
135 ----------------------------
136
137 In clang, ``math.h`` and ``cmath`` are available and `pass
138 <https://github.com/llvm-mirror/test-suite/blob/master/External/CUDA/math_h.cu>`_
139 `tests
140 <https://github.com/llvm-mirror/test-suite/blob/master/External/CUDA/cmath.cu>`_
141 adapted from libc++'s test suite.
142
143 In nvcc ``math.h`` and ``cmath`` are mostly available.  Versions of ``::foof``
144 in namespace std (e.g. ``std::sinf``) are not available, and where the standard
145 calls for overloads that take integral arguments, these are usually not
146 available.
147
148 .. code-block:: c++
149
150   #include <math.h>
151   #include <cmath.h>
152
153   // clang is OK with everything in this function.
154   __device__ void test() {
155     std::sin(0.); // nvcc - ok
156     std::sin(0);  // nvcc - error, because no std::sin(int) override is available.
157     sin(0);       // nvcc - same as above.
158
159     sinf(0.);       // nvcc - ok
160     std::sinf(0.);  // nvcc - no such function
161   }
162
163 ``<std::complex>``
164 ------------------
165
166 nvcc does not officially support ``std::complex``.  It's an error to use
167 ``std::complex`` in ``__device__`` code, but it often works in ``__host__
168 __device__`` code due to nvcc's interpretation of the "wrong-side rule" (see
169 below).  However, we have heard from implementers that it's possible to get
170 into situations where nvcc will omit a call to an ``std::complex`` function,
171 especially when compiling without optimizations.
172
173 As of 2016-11-16, clang supports ``std::complex`` without these caveats.  It is
174 tested with libstdc++ 4.8.5 and newer, but is known to work only with libc++
175 newer than 2016-11-16.
176
177 ``<algorithm>``
178 ---------------
179
180 In C++14, many useful functions from ``<algorithm>`` (notably, ``std::min`` and
181 ``std::max``) become constexpr.  You can therefore use these in device code,
182 when compiling with clang.
183
184 Detecting clang vs NVCC from code
185 =================================
186
187 Although clang's CUDA implementation is largely compatible with NVCC's, you may
188 still want to detect when you're compiling CUDA code specifically with clang.
189
190 This is tricky, because NVCC may invoke clang as part of its own compilation
191 process!  For example, NVCC uses the host compiler's preprocessor when
192 compiling for device code, and that host compiler may in fact be clang.
193
194 When clang is actually compiling CUDA code -- rather than being used as a
195 subtool of NVCC's -- it defines the ``__CUDA__`` macro.  ``__CUDA_ARCH__`` is
196 defined only in device mode (but will be defined if NVCC is using clang as a
197 preprocessor).  So you can use the following incantations to detect clang CUDA
198 compilation, in host and device modes:
199
200 .. code-block:: c++
201
202   #if defined(__clang__) && defined(__CUDA__) && !defined(__CUDA_ARCH__)
203   // clang compiling CUDA code, host mode.
204   #endif
205
206   #if defined(__clang__) && defined(__CUDA__) && defined(__CUDA_ARCH__)
207   // clang compiling CUDA code, device mode.
208   #endif
209
210 Both clang and nvcc define ``__CUDACC__`` during CUDA compilation.  You can
211 detect NVCC specifically by looking for ``__NVCC__``.
212
213 Dialect Differences Between clang and nvcc
214 ==========================================
215
216 There is no formal CUDA spec, and clang and nvcc speak slightly different
217 dialects of the language.  Below, we describe some of the differences.
218
219 This section is painful; hopefully you can skip this section and live your life
220 blissfully unaware.
221
222 Compilation Models
223 ------------------
224
225 Most of the differences between clang and nvcc stem from the different
226 compilation models used by clang and nvcc.  nvcc uses *split compilation*,
227 which works roughly as follows:
228
229  * Run a preprocessor over the input ``.cu`` file to split it into two source
230    files: ``H``, containing source code for the host, and ``D``, containing
231    source code for the device.
232
233  * For each GPU architecture ``arch`` that we're compiling for, do:
234
235    * Compile ``D`` using nvcc proper.  The result of this is a ``ptx`` file for
236      ``P_arch``.
237
238    * Optionally, invoke ``ptxas``, the PTX assembler, to generate a file,
239      ``S_arch``, containing GPU machine code (SASS) for ``arch``.
240
241  * Invoke ``fatbin`` to combine all ``P_arch`` and ``S_arch`` files into a
242    single "fat binary" file, ``F``.
243
244  * Compile ``H`` using an external host compiler (gcc, clang, or whatever you
245    like).  ``F`` is packaged up into a header file which is force-included into
246    ``H``; nvcc generates code that calls into this header to e.g. launch
247    kernels.
248
249 clang uses *merged parsing*.  This is similar to split compilation, except all
250 of the host and device code is present and must be semantically-correct in both
251 compilation steps.
252
253   * For each GPU architecture ``arch`` that we're compiling for, do:
254
255     * Compile the input ``.cu`` file for device, using clang.  ``__host__`` code
256       is parsed and must be semantically correct, even though we're not
257       generating code for the host at this time.
258
259       The output of this step is a ``ptx`` file ``P_arch``.
260
261     * Invoke ``ptxas`` to generate a SASS file, ``S_arch``.  Note that, unlike
262       nvcc, clang always generates SASS code.
263
264   * Invoke ``fatbin`` to combine all ``P_arch`` and ``S_arch`` files into a
265     single fat binary file, ``F``.
266
267   * Compile ``H`` using clang.  ``__device__`` code is parsed and must be
268     semantically correct, even though we're not generating code for the device
269     at this time.
270
271     ``F`` is passed to this compilation, and clang includes it in a special ELF
272     section, where it can be found by tools like ``cuobjdump``.
273
274 (You may ask at this point, why does clang need to parse the input file
275 multiple times?  Why not parse it just once, and then use the AST to generate
276 code for the host and each device architecture?
277
278 Unfortunately this can't work because we have to define different macros during
279 host compilation and during device compilation for each GPU architecture.)
280
281 clang's approach allows it to be highly robust to C++ edge cases, as it doesn't
282 need to decide at an early stage which declarations to keep and which to throw
283 away.  But it has some consequences you should be aware of.
284
285 Overloading Based on ``__host__`` and ``__device__`` Attributes
286 ---------------------------------------------------------------
287
288 Let "H", "D", and "HD" stand for "``__host__`` functions", "``__device__``
289 functions", and "``__host__ __device__`` functions", respectively.  Functions
290 with no attributes behave the same as H.
291
292 nvcc does not allow you to create H and D functions with the same signature:
293
294 .. code-block:: c++
295
296   // nvcc: error - function "foo" has already been defined
297   __host__ void foo() {}
298   __device__ void foo() {}
299
300 However, nvcc allows you to "overload" H and D functions with different
301 signatures:
302
303 .. code-block:: c++
304
305   // nvcc: no error
306   __host__ void foo(int) {}
307   __device__ void foo() {}
308
309 In clang, the ``__host__`` and ``__device__`` attributes are part of a
310 function's signature, and so it's legal to have H and D functions with
311 (otherwise) the same signature:
312
313 .. code-block:: c++
314
315   // clang: no error
316   __host__ void foo() {}
317   __device__ void foo() {}
318
319 HD functions cannot be overloaded by H or D functions with the same signature:
320
321 .. code-block:: c++
322
323   // nvcc: error - function "foo" has already been defined
324   // clang: error - redefinition of 'foo'
325   __host__ __device__ void foo() {}
326   __device__ void foo() {}
327
328   // nvcc: no error
329   // clang: no error
330   __host__ __device__ void bar(int) {}
331   __device__ void bar() {}
332
333 When resolving an overloaded function, clang considers the host/device
334 attributes of the caller and callee.  These are used as a tiebreaker during
335 overload resolution.  See `IdentifyCUDAPreference
336 <http://clang.llvm.org/doxygen/SemaCUDA_8cpp.html>`_ for the full set of rules,
337 but at a high level they are:
338
339  * D functions prefer to call other Ds.  HDs are given lower priority.
340
341  * Similarly, H functions prefer to call other Hs, or ``__global__`` functions
342    (with equal priority).  HDs are given lower priority.
343
344  * HD functions prefer to call other HDs.
345
346    When compiling for device, HDs will call Ds with lower priority than HD, and
347    will call Hs with still lower priority.  If it's forced to call an H, the
348    program is malformed if we emit code for this HD function.  We call this the
349    "wrong-side rule", see example below.
350
351    The rules are symmetrical when compiling for host.
352
353 Some examples:
354
355 .. code-block:: c++
356
357    __host__ void foo();
358    __device__ void foo();
359
360    __host__ void bar();
361    __host__ __device__ void bar();
362
363    __host__ void test_host() {
364      foo();  // calls H overload
365      bar();  // calls H overload
366    }
367
368    __device__ void test_device() {
369      foo();  // calls D overload
370      bar();  // calls HD overload
371    }
372
373    __host__ __device__ void test_hd() {
374      foo();  // calls H overload when compiling for host, otherwise D overload
375      bar();  // always calls HD overload
376    }
377
378 Wrong-side rule example:
379
380 .. code-block:: c++
381
382   __host__ void host_only();
383
384   // We don't codegen inline functions unless they're referenced by a
385   // non-inline function.  inline_hd1() is called only from the host side, so
386   // does not generate an error.  inline_hd2() is called from the device side,
387   // so it generates an error.
388   inline __host__ __device__ void inline_hd1() { host_only(); }  // no error
389   inline __host__ __device__ void inline_hd2() { host_only(); }  // error
390
391   __host__ void host_fn() { inline_hd1(); }
392   __device__ void device_fn() { inline_hd2(); }
393
394   // This function is not inline, so it's always codegen'ed on both the host
395   // and the device.  Therefore, it generates an error.
396   __host__ __device__ void not_inline_hd() { host_only(); }
397
398 For the purposes of the wrong-side rule, templated functions also behave like
399 ``inline`` functions: They aren't codegen'ed unless they're instantiated
400 (usually as part of the process of invoking them).
401
402 clang's behavior with respect to the wrong-side rule matches nvcc's, except
403 nvcc only emits a warning for ``not_inline_hd``; device code is allowed to call
404 ``not_inline_hd``.  In its generated code, nvcc may omit ``not_inline_hd``'s
405 call to ``host_only`` entirely, or it may try to generate code for
406 ``host_only`` on the device.  What you get seems to depend on whether or not
407 the compiler chooses to inline ``host_only``.
408
409 Member functions, including constructors, may be overloaded using H and D
410 attributes.  However, destructors cannot be overloaded.
411
412 Using a Different Class on Host/Device
413 --------------------------------------
414
415 Occasionally you may want to have a class with different host/device versions.
416
417 If all of the class's members are the same on the host and device, you can just
418 provide overloads for the class's member functions.
419
420 However, if you want your class to have different members on host/device, you
421 won't be able to provide working H and D overloads in both classes. In this
422 case, clang is likely to be unhappy with you.
423
424 .. code-block:: c++
425
426   #ifdef __CUDA_ARCH__
427   struct S {
428     __device__ void foo() { /* use device_only */ }
429     int device_only;
430   };
431   #else
432   struct S {
433     __host__ void foo() { /* use host_only */ }
434     double host_only;
435   };
436
437   __device__ void test() {
438     S s;
439     // clang generates an error here, because during host compilation, we
440     // have ifdef'ed away the __device__ overload of S::foo().  The __device__
441     // overload must be present *even during host compilation*.
442     S.foo();
443   }
444   #endif
445
446 We posit that you don't really want to have classes with different members on H
447 and D.  For example, if you were to pass one of these as a parameter to a
448 kernel, it would have a different layout on H and D, so would not work
449 properly.
450
451 To make code like this compatible with clang, we recommend you separate it out
452 into two classes.  If you need to write code that works on both host and
453 device, consider writing an overloaded wrapper function that returns different
454 types on host and device.
455
456 .. code-block:: c++
457
458   struct HostS { ... };
459   struct DeviceS { ... };
460
461   __host__ HostS MakeStruct() { return HostS(); }
462   __device__ DeviceS MakeStruct() { return DeviceS(); }
463
464   // Now host and device code can call MakeStruct().
465
466 Unfortunately, this idiom isn't compatible with nvcc, because it doesn't allow
467 you to overload based on the H/D attributes.  Here's an idiom that works with
468 both clang and nvcc:
469
470 .. code-block:: c++
471
472   struct HostS { ... };
473   struct DeviceS { ... };
474
475   #ifdef __NVCC__
476     #ifndef __CUDA_ARCH__
477       __host__ HostS MakeStruct() { return HostS(); }
478     #else
479       __device__ DeviceS MakeStruct() { return DeviceS(); }
480     #endif
481   #else
482     __host__ HostS MakeStruct() { return HostS(); }
483     __device__ DeviceS MakeStruct() { return DeviceS(); }
484   #endif
485
486   // Now host and device code can call MakeStruct().
487
488 Hopefully you don't have to do this sort of thing often.
489
490 Optimizations
491 =============
492
493 Modern CPUs and GPUs are architecturally quite different, so code that's fast
494 on a CPU isn't necessarily fast on a GPU.  We've made a number of changes to
495 LLVM to make it generate good GPU code.  Among these changes are:
496
497 * `Straight-line scalar optimizations <https://goo.gl/4Rb9As>`_ -- These
498   reduce redundancy within straight-line code.
499
500 * `Aggressive speculative execution
501   <http://llvm.org/docs/doxygen/html/SpeculativeExecution_8cpp_source.html>`_
502   -- This is mainly for promoting straight-line scalar optimizations, which are
503   most effective on code along dominator paths.
504
505 * `Memory space inference
506   <http://llvm.org/doxygen/NVPTXInferAddressSpaces_8cpp_source.html>`_ --
507   In PTX, we can operate on pointers that are in a paricular "address space"
508   (global, shared, constant, or local), or we can operate on pointers in the
509   "generic" address space, which can point to anything.  Operations in a
510   non-generic address space are faster, but pointers in CUDA are not explicitly
511   annotated with their address space, so it's up to LLVM to infer it where
512   possible.
513
514 * `Bypassing 64-bit divides
515   <http://llvm.org/docs/doxygen/html/BypassSlowDivision_8cpp_source.html>`_ --
516   This was an existing optimization that we enabled for the PTX backend.
517
518   64-bit integer divides are much slower than 32-bit ones on NVIDIA GPUs.
519   Many of the 64-bit divides in our benchmarks have a divisor and dividend
520   which fit in 32-bits at runtime. This optimization provides a fast path for
521   this common case.
522
523 * Aggressive loop unrooling and function inlining -- Loop unrolling and
524   function inlining need to be more aggressive for GPUs than for CPUs because
525   control flow transfer in GPU is more expensive. More aggressive unrolling and
526   inlining also promote other optimizations, such as constant propagation and
527   SROA, which sometimes speed up code by over 10x.
528
529   (Programmers can force unrolling and inline using clang's `loop unrolling pragmas
530   <http://clang.llvm.org/docs/AttributeReference.html#pragma-unroll-pragma-nounroll>`_
531   and ``__attribute__((always_inline))``.)
532
533 Publication
534 ===========
535
536 The team at Google published a paper in CGO 2016 detailing the optimizations
537 they'd made to clang/LLVM.  Note that "gpucc" is no longer a meaningful name:
538 The relevant tools are now just vanilla clang/LLVM.
539
540 | `gpucc: An Open-Source GPGPU Compiler <http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2854041>`_
541 | Jingyue Wu, Artem Belevich, Eli Bendersky, Mark Heffernan, Chris Leary, Jacques Pienaar, Bjarke Roune, Rob Springer, Xuetian Weng, Robert Hundt
542 | *Proceedings of the 2016 International Symposium on Code Generation and Optimization (CGO 2016)*
543 |
544 | `Slides from the CGO talk <http://wujingyue.com/docs/gpucc-talk.pdf>`_
545 |
546 | `Tutorial given at CGO <http://wujingyue.com/docs/gpucc-tutorial.pdf>`_
547
548 Obtaining Help
549 ==============
550
551 To obtain help on LLVM in general and its CUDA support, see `the LLVM
552 community <http://llvm.org/docs/#mailing-lists>`_.