怎么使用GPU改善JavaScript性能

這篇文章主要介紹了怎么使用GPU改善JavaScript性能，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

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什么是 GPU.js

首先，官網(wǎng)地址:

https://gpu.rocks/#/

Source: https://gpu.rocks/#/

簡(jiǎn)而言之，GPU.js 是一個(gè) JavaScript 加速庫(kù)，可用于使用 JavaScript 在 GPU 上進(jìn)行通用計(jì)算。它支持瀏覽器、Node.js  和 TypeScript。

除了性能提升外，我推薦使用 GPU.js 的原因還有以下幾點(diǎn):

• GPU.js 使用 JavaScript 作為基礎(chǔ)，允許你使用 JavaScript 語法。

• 它承擔(dān)著將 JavaScript 自動(dòng)轉(zhuǎn)譯為著色器語言的責(zé)任，并對(duì)它們進(jìn)行編譯。

• 如果設(shè)備中沒有 GPU，它可以退回到普通的 JavaScript 引擎。因此，使用 GPU.js 不會(huì)有任何不利因素。

• GPU.js 也可以用于并行計(jì)算。此外，你可以同時(shí)在 CPU 和 GPU 上異步地進(jìn)行多項(xiàng)計(jì)算。

所有這些東西加在一起，我不認(rèn)為有理由不使用 GPU.js。因此，讓我們看看如何開始使用它。

如何設(shè)置 GPU.js?

為您的項(xiàng)目安裝 GPU.js 與其他的 JavaScript 庫(kù)類似。

對(duì)于 Node 項(xiàng)目

npm install gpu.js --save or yarn add gpu.js import { GPU } from ('gpu.js') --- or --- const { GPU } = require('gpu.js') --- or --- import { GPU } from 'gpu.js'; // Use this for TypeScript const gpu = new GPU();

對(duì)于 Bowsers

在本地下載 GPU.js 或使用其 cdn。

<script src="dist/gpu-browser.min.js"></script> --- or --- <script   src="https://unpkg.com/gpu.js@latest/dist/gpu- browser.min.js"> </script> <script   rc="https://cdn.jsdelivr.net/npm/gpu.js@latest/dist/gpu-browser.min.js"> </script> <script>  const gpu = new GPU();  ... </script>

注意：

如果你使用的是 Linux，你需要確保你安裝了正確的文件，運(yùn)行：sudo apt install mesa-common-dev  libxi-dev

這就是你需要知道的關(guān)于安裝和導(dǎo)入 GPU.js 的情況。

現(xiàn)在，你可以開始在你的應(yīng)用程序中使用 GPU 編程。

此外，我強(qiáng)烈建議理解 GPU.js 的基本功能和概念。所以，讓我們從 GPU.js 的一些基礎(chǔ)知識(shí)開始。

創(chuàng)建函數(shù)

你可以在 GPU.js 中定義函數(shù)以在 GPU 中運(yùn)行，使用一般的 JavaScript 語法。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function() {     ... }, settings);

上面的代碼樣本顯示了一個(gè) GPU.js 函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)。我將該函數(shù)命名為 exampleKernel。正如你所看到的，我使用了 createKernel  函數(shù)，利用 GPU 進(jìn)行計(jì)算。

另外，定義輸出的大小是必須的。在上面的例子中，我使用了一個(gè)名為 settings 的參數(shù)來指定輸出大小。

const settings = {     output: [100] };

內(nèi)核函數(shù)的輸出可以是 1D、2D 或 3D，這意味著它最多可以有 3 個(gè)線程。你可以使用 this.thread 命令在內(nèi)核中訪問這些線程。

• 1D : [長(zhǎng)度] - 值[this.thread.x]

• 2D : [寬度，高度] - 值[this.thread.y][this.thread.x]

• 3D: [寬度，高度，深度] - 值[this.thread.z][this.thread.y][this.thread.x]。

最后，創(chuàng)建的函數(shù)可以像其他的 JavaScript 函數(shù)一樣使用函數(shù)名來調(diào)用：exampleKernel()

內(nèi)部支持的變量

Number

你可以在 GPU.js 函數(shù)中使用任何整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function() {  const number1 = 10;  const number2 = 0.10;  return number1 + number2; }, settings);

Boolean

GPU.js 中也支持布爾值，與 JavaScript 類似。

const kernel = gpu.createKernel(function() {   const bool = true;   if (bool) {     return 1;   }else{     return 0;   } },settings);

Arrays

你可以在內(nèi)核函數(shù)中定義任何大小的數(shù)字?jǐn)?shù)組，并返回它們。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function() {  const array1 = [0.01, 1, 0.1, 10];  return array1; }, settings);

Functions

在內(nèi)核函數(shù)中使用私有函數(shù)，在 GPU.js 中也是允許的。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function() {   function privateFunction() {     return [0.01, 1, 0.1, 10];   }   return privateFunction(); }, settings);

支持的輸入類型

除了上述變量類型外，你還可以向內(nèi)核函數(shù)傳遞幾種輸入類型。

Numbers

與變量聲明類似，你可以向內(nèi)核函數(shù)傳遞整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)，如下所示。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function(x) {  return x; }, settings); exampleKernel(25);

1D,2D, or 3D Array of Numbers

你可以將 Array、Float32Array、Int16Array、Int8Array、Uint16Array、uInt8Array 等數(shù)組類型傳入  GPU.js 內(nèi)核。

const exampleKernel = gpu.createKernel(function(x) {  return x; }, settings); exampleKernel([1, 2, 3]);

預(yù)扁平化的 2D 和 3D 數(shù)組也被內(nèi)核函數(shù)所接受。這種方法使上傳的速度更快，你必須使用 GPU.js 的輸入選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

const { input } = require('gpu.js'); const value = input(flattenedArray, [width, height, depth]);

HTML Images

與傳統(tǒng)的 JavaScript 相比，將圖像傳遞到函數(shù)中是我們?cè)?GPU.js 中可以看到的一個(gè)新東西。使用 GPU.js，你可以將一個(gè)或多個(gè) HTML  圖像作為數(shù)組傳遞給內(nèi)核函數(shù)。

//Single Image const kernel = gpu.createKernel(function(image) {     ... })   .setGraphical(true)   .setOutput([100, 100]);  const image = document.createElement('img'); image.src = 'image1.png'; image.onload = () => {   kernel(image);   document.getElementsByTagName('body')[0].appendChild(kernel.canvas); }; //Multiple Images const kernel = gpu.createKernel(function(image) {     const pixel = image[this.thread.z][this.thread.y][this.thread.x];     this.color(pixel[0], pixel[1], pixel[2], pixel[3]); })   .setGraphical(true)   .setOutput([100, 100]);  const image1 = document.createElement('img'); image1.src = 'image1.png'; image1.onload = onload; .... //add another 2 images .... const totalImages = 3; let loadedImages = 0; function onload() {   loadedImages++;   if (loadedImages === totalImages) {     kernel([image1, image2, image3]);      document.getElementsByTagName('body')[0].appendChild(kernel.canvas);   } };

除了上述配置外，還有許多令人興奮的事情可以用 GPU.js 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。你可以在其文檔中找到它們。既然你現(xiàn)在了解了幾種配置，讓我們用 GPU.js  寫一個(gè)函數(shù)并比較其性能。

使用 GPU.js 的第一個(gè)功能

通過結(jié)合我們之前討論的所有內(nèi)容，我寫了一個(gè)小型的 angular 應(yīng)用程序，通過將兩個(gè)有 1000 個(gè)元素的數(shù)組相乘來比較 GPU 和 CPU  的計(jì)算性能。

第 1 步，生成 1000 個(gè)元素的數(shù)組的函數(shù)

我將生成一個(gè)每個(gè)元素有 1000 個(gè)數(shù)字的 2D 數(shù)組，并在接下來的步驟中使用它們進(jìn)行計(jì)算。

generateMatrices() {  this.matrices = [[], []];  for (let y = 0; y < this.matrixSize; y++) {   this.matrices[0].push([])   this.matrices[1].push([])   for (let x = 0; x < this.matrixSize; x++) {    const value1 = parseInt((Math.random() * 10).toString())    const value2 = parseInt((Math.random() * 10).toString())    this.matrices[0][y].push(value1)    this.matrices[1][y].push(value2)   }  } }

第 2 步,內(nèi)核函數(shù)

這是這個(gè)應(yīng)用程序中最關(guān)鍵的函數(shù)，因?yàn)樗械?GPU 計(jì)算都發(fā)生在這里。

在這里，multiplyMatrix 函數(shù)將接收兩個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)組和矩陣的大小作為輸入。

然后，它將把兩個(gè)數(shù)組相乘并返回總和，同時(shí)使用性能 API 測(cè)量時(shí)間。

gpuMultiplyMatrix() {   const gpu = new GPU();   const multiplyMatrix = gpu.createKernel(function (a: number[][], b: number[][], matrixSize: number) {    let sum = 0;     for (let i = 0; i < matrixSize; i++) {     sum += a[this.thread.y][i] * b[i][this.thread.x];    }    return sum;   }).setOutput([this.matrixSize, this.matrixSize])   const startTime = performance.now();   const resultMatrix = multiplyMatrix(this.matrices[0],  this.matrices[1], this.matrixSize);    const endTime = performance.now();   this.gpuTime = (endTime - startTime) + " ms";    console.log("GPU TIME : "+ this.gpuTime);   this.gpuProduct = resultMatrix as number[][]; }

步驟 3,CPU 乘法函數(shù)。

這是一個(gè)傳統(tǒng)的 TypeScript 函數(shù)，用于測(cè)量相同數(shù)組的計(jì)算時(shí)間。

cpuMutiplyMatrix() {   const startTime = performance.now();   const a = this.matrices[0];   const b = this.matrices[1];   let productRow = Array.apply(null, new Array(this.matrixSize)).map(Number.prototype.valueOf, 0);   let product = new Array(this.matrixSize);    for (let p = 0; p < this.matrixSize; p++) {     product[p] = productRow.slice();   }    for (let i = 0; i < this.matrixSize; i++) {     for (let j = 0; j < this.matrixSize; j++) {       for (let k = 0; k < this.matrixSize; k++) {         product[i][j] += a[i][k] * b[k][j];       }     }   }   const endTime = performance.now();   this.cpuTime = (endTime &mdash; startTime) + “ ms”;   console.log(“CPU TIME : “+ this.cpuTime);   this.cpuProduct = product; }

CPU vs GPU，性能比較

現(xiàn)在是時(shí)候看看圍繞著 GPU.js 和 GPU 計(jì)算的所有討論是否真實(shí)。由于我在上一節(jié)中創(chuàng)建了一個(gè) Angular  應(yīng)用程序，所以我用它來測(cè)量性能。

CPU vs GPU — Execution Time

你可以清楚地看到，GPU 編程的計(jì)算只花了 799ms，而 CPU 花了 7511ms，這幾乎是 10 倍的時(shí)間。

我沒有就此罷休，通過改變數(shù)組大小，對(duì)同樣的測(cè)試進(jìn)行了幾個(gè)循環(huán)。

CPU vs GPU

首先，我試著用較小的數(shù)組大小，我注意到 CPU 比 GPU 花費(fèi)的時(shí)間要少。例如，當(dāng)我把數(shù)組大小減少到 10 個(gè)元素時(shí)，CPU 只花了 0.14ms，而  GPU 花了 108ms。

但隨著數(shù)組大小的增加，GPU 和 CPU 所花的時(shí)間有明顯的差距。正如你在上圖中看到的，GPU 是贏家。

感謝你能夠認(rèn)真閱讀完這篇文章，希望小編分享的“怎么使用GPU改善JavaScript性能”這篇文章對(duì)大家有幫助，同時(shí)也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)，關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道，更多相關(guān)知識(shí)等著你來學(xué)習(xí)!

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