CUDAで疎行列計算(cuSPARSE)

[GPGPU Advent Calendar](http://atnd.org/events/34539)24日目です！イブの重要な日に私なんかでいいんでしょうか。

今日は、[前回](http://qiita.com/items/3c2a80181a01c7f22e7f)書いた通り、cuSPARSEの話をします。
cuSPARSEとは、CUDA用の疎行列計算ライブラリです。使い方は[ドキュメント](http://docs.nvidia.com/cuda/cusparse/index.html)を見てもらうのが一番早い気がしますが、私は若干つまづいたので、ここに「疎行列×ベクトル」の演算を実行するまでの簡単なチュートリアルっぽいことを書きます。

## 全文
と、細かく書いてくと大変なことに気づいたので、全部コード＋コメントで書きます！手抜きじゃないよ！！

```CsrMV.cpp
#include<iostream>
#include<cuda_runtime_api.h>
#include<cublas_v2.h>
#include<cusparse_v2.h>
#include<thrust/device_vector.h>

const int N = 1024;

int main()
{
	/**********************************/
	/********** 入力値の準備 **********/
	/**********************************/
	
	// CSR形式疎行列のデータ
	//* 要素の値
	//* 列番号
	//* 各行の先頭位置
	double elements[N*3];
	int columnIndeces[N*3];
	int rowOffsets[N+1]
	
	// 中央差分行列を準備する
	//（対角項が2でその隣が1になる、↓こんなやつ）
	// | 2 1 0 0 0 0 0 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 1 2 1 0 0 0 0 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 1 2 1 0 0 0 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 1 2 1 0 0 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 0 1 2 1 0 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 0 0 1 2 1 0 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 0 0 0 1 2 1 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 0 0 0 0 1 2 ・・・ 0 0 0|
	// | 0 0 0 0 0 0 0 0 ・・・ 2 1 0|
	// | 0 0 0 0 0 0 0 0 ・・・ 1 2 1|
	// | 0 0 0 0 0 0 0 0 ・・・ 0 1 2|
	int nonZeroCount = 0;
	rowOffsets[0] = 0;
	for(int i = 0; i < N; i++)
	{
		// 対角項
		elements[nonZeroCount] = 2;
		columnIndeces[nonZeroCount] = i;
		nonZeroCount++;
		
		// 対角項の左隣
		if(i > 0)
		{
			elements[nonZeroCount] = 1;
			columnIndeces[nonZeroCount] = i - 1;
			nonZeroCount++;
		}
		
		// 対角項の右隣
		if(i < N-1)
		{
			elements[nonZeroCount] = 1;
			columnIndeces[nonZeroCount] = i + 1;
			nonZeroCount++;
		}
		
		// 次の行の先頭位置
		rowOffsets[i+1] = nonZeroCount;
	}
	
	// かけるベクトルを生成
	double vector[N];
	for(int i = 0; i < N; i++)
	{
		vector[i] = i * 0.1;
	}
	
	// 結果格納ベクトルを生成
	double result[N];
	
	/**********************************/
	/********** 入力値の転送 **********/
	/**********************************/
	// GPU側の配列を確保
	// （ポインタ管理が面倒なのでthrust使うと便利！）
	thrust::device_vector<double> elementsDevice(N*3);
	thrust::device_vector<int>    columnIndecesDevice(N*3);
	thrust::device_vector<int>    rowOffsetsDevice(N+1);
	thrust::device_vector<double> vectorDevice(N);
	thrust::device_vector<double> resultDevice(N);
	
	// GPU側配列へ入力値（行列とベクトル）を複製
	thrust::copy_n(elements,      N*3, elementsDevice.begin());
	thrust::copy_n(columnIndeces, N*3, columnIndecesDevice.begin());
	thrust::copy_n(rowOffsets,    N+1, rowOffsetsDevice.begin());
	thrust::copy_n(vector, N, vectorDevice.begin());
	
	
	
	/************************************/
	/********** cuSPARSEの準備 **********/
	/************************************/
	// cuSPARSEハンドルを作成
	::cusparseHandle_t cusparse();
	::cusparseCreate(&cusparse);
	
	// 行列形式を作成
	// * 一般的な形式
	// * 番号は0から開始
	::cusparseMatDescr_t matDescr();
	::cusparseCreateMatDescr(&matDescr);
	::cusparseSetMatType(matDescr, CUSPARSE_MATRIX_TYPE_GENERAL);
	::cusparseSetMatIndexBase(matDescr, CUSPARSE_INDEX_BASE_ZERO);

	
	
	/******************************************/
	/********** 行列×ベクトルの計算 **********/
	/******************************************/
	// thrust配列からCUDA用ポインタに変換
	double* elementsPtr   = thrust::raw_pointer_cast(&(elementsDevice[0]));
	int* columnIndecesPtr = thrust::raw_pointer_cast(&(columnIndecesDevice[0]));
	int* rowOffsetsPtr    = thrust::raw_pointer_cast(&(rowOffsetsDevice[0]));
	double* vectorPtr     = thrust::raw_pointer_cast(&(vectorDevice[0]));
	double* resultPtr     = thrust::raw_pointer_cast(&(resultDevice[0]));
	
	// Csrmv（CSR形式行列とベクトルの積）を実行
	// y = α*Ax + β*y;
	const double ALPHA = 1;
	const double BETA = 0;
	::cusparseDcsrmv_v2(cusparse, CUSPARSE_OPERATION_NON_TRANSPOSE,
		N, N, nonZeroCount,
		&ALPHA, matDescr, elementsPtr, rowOffsetsPtr, columnIndecesPtr,
		vectorPtr,
		&BETA, resultPtr);
	
	
	
	/************************************/
	/********** 計算結果を取得 **********/
	/************************************/
	// GPU側配列から結果を複製
	thrust::copy_n(resultDevice.begin(), N, resultDevice);
	
	// 結果の表示
	for(int i = 0; i < N; i++)
	{
		std::cout << result[i] << std::endl;
	}
	
	
	return 0;
}
```
## 感想
* `matDescr`とかめんどくさいと思いました。
* BLASを踏襲しているとはいえ、y=α*Ax + β*yって形式はいちいちめんどくさい。ついでに言うと、αとβがポインタじゃないといけないから一旦なんかの定数に入れないといけないもがめんどくさい。
* でもおかげで結構速い。OpenCLでの疎行列ライブラリというとViennaCLがあるが（[前の投稿](http://qiita.com/items/5ff83fc1a196592af64d)も見てね！）、それより2倍ぐらい速かった。
* thrustがあるおかげで少し楽になってる。連携も簡単。

## おわりに
GPGPU Advent Calender参加してみて思ったのは、私みたいな計算屋さんもいれば、CGとか画像の人もいて、スパコンな人もいて、GPGPUerにも色々いるんだなぁと思いました。
来年は（あるのか？）もっと人が増えるといいですね！！（GPGPU勉強会で宣伝するのがいい？）

さて、明日はクリスマス当日ですが、誰が書くのだろう・・・？お楽しみに！