CUDA C++是NVIDIA提供的C++扩展，用于编写在GPU上并行执行的代码，核心包括核函数、线程层次结构和内存模型；需配备支持CUDA的显卡、安装驱动及CUDA Toolkit，并使用NVCC编译器；示例程序展示向量加法的并行实现，通过__global__定义核函数，配置grid和block结构，管理主机与设备间内存传输；优化要点包括合并内存访问、利用共享内存、避免分支发散、合理设置block大小及进行错误检查，适用于高性能计算场景。
要在C++中进行GPU通用计算，最成熟且高效的方式是使用NVIDIA的CUDA平台。CUDA（Compute Unified Device Architecture）允许开发者使用类C++语言直接编写运行在NVIDIA GPU上的并行代码，从而加速计算密集型任务。
什么是CUDA C++？
CUDA C++是NVIDIA提供的扩展版C++语言，它在标准C++基础上添加了少量关键字和编程模型，使程序员能够定义在GPU上执行的函数（称为“核函数”或kernel），并管理GPU内存与计算资源。
核心概念包括：
- Kernel函数：用__global__修饰的函数，由主机（CPU）调用，但在设备（GPU）上并行执行。
- 线程层次结构：线程被组织为线程块（block），多个块组成网格（grid）。每个线程可获取自己的索引（如threadIdx.x, blockIdx.x）来处理不同数据。
- 内存模型：GPU有全局内存、共享内存、常量内存等，合理使用能大幅提升性能。
开发环境准备
要开始CUDA开发，需满足以下条件：
立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；
- 一块支持CUDA的NVIDIA显卡（查看compute capability是否匹配）
- 安装NVIDIA驱动程序
- 下载并安装CUDA Toolkit
- 使用支持CUDA的编译器（如NVCC，它是CUDA的专用编译器）
开发工具推荐：Visual Studio（Windows）、Nsight Visual Studio Edition、或使用CLion/GDB配合命令行。
编写第一个CUDA程序
下面是一个简单的向量加法示例，展示如何用CUDA C++实现并行计算：
#include#include global void addVectors(float a, float b, float c, int n) { int idx = blockIdx.x blockDim.x + threadIdx.x; if (idx < n) { c[idx] = a[idx] + b[idx]; } }
int main() { const int N = 1<<20; // 1M elements size_t bytes = N * sizeof(float);
float *h_a = new float[N]; float *h_b = new float[N]; float *h_c = new float[N]; // 初始化输入数据 for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn N; ++i) { h_a[i] = i * 1.0f; h_b[i] = i * 2.0f; } // 分配GPU内存 float *d_a, *d_b, *d_c; cudaMalloc(&d_a, bytes); cudaMalloc(&d_b, bytes); cudaMalloc(&d_c, bytes); // 主机到设备内存拷贝 cudaMemcpy(d_a, h_a, bytes, cudaMemcpyHostToDevice); cudaMemcpy(d_b, h_b, bytes, cudaMemcpyHostToDevice); // 配置执行配置：每块256线程，共(N+255)/256块 int blockSize = 256; int gridSize = (N + blockSize - 1) / blockSize; addVectorszuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcngridSize, blockSizeyoujiankuohaophpcnyoujiankuohaophpcnyoujiankuohaophpcn(d_a, d_b, d_c, N); // 等待GPU完成 cudaDeviceSynchronize(); // 结果从设备拷贝回主机 cudaMemcpy(h_c, d_c, bytes, cudaMemcpyDeviceToHost); // 验证结果（仅检查前几个） for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn 5; ++i) { std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "h_c[" zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn i zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "] = " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn h_c[i] zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn std::endl; } // 释放内存 delete[] h_a; delete[] h_b; delete[] h_c; cudaFree(d_a); cudaFree(d_b); cudaFree(d_c); return 0;}
使用nvcc编译该程序：
nvcc -o vector_add vector_add.cu ./vector_add优化建议与注意事项
编写高性能CUDA程序需要注意以下几点：
- 内存访问要连续：确保线程访问全局内存时是合并访问（coalesced access），否则会显著降低带宽利用率。
- 利用共享内存：对需要频繁重用的数据，可加载到共享内存中，减少全局内存访问次数。
- 避免分支发散：同一个warp（32线程组）中的线程若执行不同分支路径，会导致串行执行，降低效率。
- 合理设置block大小：通常选择2的幂次（如128、256、512），并确保SM能容纳多个block以隐藏延迟。
- 错误检查不可少：每次调用CUDA运行时API后应检查返回值，例如封装cudaMemcpy调用时判断是否成功。
基本上就这些。CUDA让C++程序员可以直接掌控GPU并行能力，适合图像处理、科学计算、机器学习底层实现等场景。虽然学习曲线略陡，但一旦掌握，性能提升非常可观。不复杂但容易忽略的是内存管理和线程索引逻辑，写代码时务必小心边界条件。
