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OpenCLのOSS実装poclを調べる その6 - OpenCLカーネルのビルド

目次: OpenCL

引き続き、独自アクセラレータのテンプレート実装pocl/lib/CL/devices/accelの細かな問題を調べます。初期化を突破するとカーネルのビルドclBuildProgram() でコケます。

POCL: in fn compile_and_link_program at line 664:
  |     ERROR | CL_COMPILER_NOT_AVAILABLE Cannot build a program from sources with pocl that does not have online compiler support

原因はdev->compiler_availableがCL_TRUEになっていないことです。初期化が足りないようです。

// pocl/lib/CL/pocl_build.c

cl_int
compile_and_link_program(int compile_program,
                         int link_program,
                         cl_program program,
                         cl_uint num_devices,
                         const cl_device_id *device_list,
                         const char *options,
                         cl_uint num_input_headers,
                         const cl_program *input_headers,
                         const char **header_include_names,
                         cl_uint num_input_programs,
                         const cl_program *input_programs,
                         void (CL_CALLBACK *pfn_notify) (cl_program program,
                                                         void *user_data),
                         void *user_data)
{

...

      /* clCreateProgramWithBuiltinKernels */
      /* No build step supported at the moment for built-in kernels. */
      if (program->builtin_kernel_names)
        continue;

      /* clCreateProgramWithSource */
      else if (program->source)
        {
#ifdef OCS_AVAILABLE
          if (device->compiler_available == CL_TRUE)    //★このif文が成立せず
            {
              POCL_MSG_PRINT_INFO ("building from sources for device %d\n",
                                   device_i);
              error = pocl_llvm_build_program (
                  program, device_i, program->compiler_options,
                  program_bc_path, num_input_headers, input_headers,
                  header_include_names, (create_library ? 0 : link_program));
              POCL_GOTO_ERROR_ON ((error != 0), build_error_code,
                                  "pocl_llvm_build_program() failed\n");
            }
          else
#endif
            {    //★こちらにきてエラーになってしまう
              APPEND_TO_MAIN_BUILD_LOG (
                  "Cannot build a program from sources with pocl "
                  "that does not have online compiler support\n");
              POCL_GOTO_ERROR_ON (1, CL_COMPILER_NOT_AVAILABLE, "%s",
                                  program->main_build_log);
            }
        }

他の実装を眺めるとpocl_init_default_device_infos() を呼んで解決しているようなので、先達に習いpocl_accel_init() でpocl_init_default_device_infos() を呼び出すように書き換えましょう。

その他のビルド関連の初期化

もともとあったdev->version, dev->available, dev->profileの初期化はpocl_init_default_device_infos() が行いますから、削除しても良いかもしれません。残っていても特に害はないと思いますけど。

現状では拡張機能dev->extensions = "cl_khr_fp64" を設定しないとdouble型を使ったときにビルドエラーになります。最終的に必要な拡張機能がはっきりするまでは必要になったものを順次追加する形で、次に進みましょう。

拡張機能はただ書けば動くわけではなくOpenCL Cコンパイラが対応している必要があります。当たり前ですね。poclが使っているコンパイラは大御所LLVMですから、RISC-V向けだけ機能が欠けていることはないでしょう。たぶん。

ビルド対象はRISC-Vにしたいので、

dev->llvm_target_triplet = "riscv32";
dev->llvm_cpu = "generic-rv32";

としました。llvm_target_tripletはclang -cc1の -tripleオプションに渡されます。またllvm_cpuは -target-cpuオプションに渡されます。有効な値を調べる方法は、

$ clang -print-targets

  Registered Targets:
    aarch64    - AArch64 (little endian)
    aarch64_32 - AArch64 (little endian ILP32)
    aarch64_be - AArch64 (big endian)
    amdgcn     - AMD GCN GPUs
...
    riscv32    - 32-bit RISC-V
    riscv64    - 64-bit RISC-V
    sparc      - Sparc
    sparcel    - Sparc LE
    sparcv9    - Sparc V9
    systemz    - SystemZ
...

$ clang -target=riscv32 -print-supported-cpus

Debian clang version 11.0.1-2
Target: riscv32
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin
Available CPUs for this target:

        generic-rv32
        generic-rv64
        rocket-rv32
        rocket-rv64
        sifive-e31
        sifive-u54

Use -mcpu or -mtune to specify the target's processor.
For example, clang --target=aarch64-unknown-linux-gui -mcpu=cortex-a35

GCCはコマンド名がアーキテクチャ名そのものですし、LLVMはヘルプで対応アーキテクチャがわかります。どちらも親切で良いですね。

仮実装

ここまでの変更を反映すると、

// pocl/lib/CL/device/accel/accel.cc

cl_int pocl_accel_init(unsigned j, cl_device_id dev, const char *parameters) {

  AccelData *D = new AccelData;
  dev->data = (void *)D;

  pocl_init_default_device_infos (dev);

  //SETUP_DEVICE_CL_VERSION(1, 2);    //★pocl_init_default_device_infosが初期化するのでいらない
  dev->type = CL_DEVICE_TYPE_CUSTOM;
  dev->long_name = (char *)"memory mapped custom device";
  dev->vendor = "pocl";
  //dev->version = "1.2";        //★pocl_init_default_device_infosが初期化するのでいらない
  //dev->available = CL_TRUE;    //★pocl_init_default_device_infosが初期化するのでいらない

  dev->extensions = "cl_khr_fp64";    //★cl_khr_fp64を追加
  //dev->profile = "FULL_PROFILE";     //★pocl_init_default_device_infosが初期化するのでいらない
  dev->max_mem_alloc_size = 100 * 1024 * 1024;

  dev->llvm_target_triplet = "riscv32";    //★追加
  dev->llvm_cpu = "generic-rv32";          //★追加

  dev->final_linkage_flags = final_ld_flags;

  if (!parameters) {
    POCL_ABORT("accel: parameters were not given\n");
  }

まだまだ変更が必要ですが、こだわるのは後にして次に進みます。

プログラムからLLVMを実行する その2 - プリプロセス編

目次: LLVM

準備が終わりましたらClang/LLVMをプログラムから呼びましょう。

int main(int argc, char *argv[])
{
	bool success;

	clang::CompilerInstance CI;
	clang::CompilerInvocation &build = CI.getInvocation();

	// 引数の配列を作成する
	std::vector<const char*> vec_args;
	vec_args.push_back("-I/usr/include/c++/10");
	vec_args.push_back("-I/usr/include/x86_64-linux-gnu/c++/10");
	vec_args.push_back("-I/usr/include/c++/10/backward");
	vec_args.push_back("-I/usr/lib/llvm-11/lib/clang/11.0.1/include");
	vec_args.push_back("-I/usr/include/x86_64-linux-gnu");
	vec_args.push_back("-I/usr/include");
	vec_args.push_back("-I/path/to/llvm-project/_install/include");

	// エラーメッセージを出力するために使われるクラス
	llvm::IntrusiveRefCntPtr<clang::DiagnosticIDs> diagID = new clang::DiagnosticIDs();
	llvm::IntrusiveRefCntPtr<clang::DiagnosticOptions> diagOpts = new clang::DiagnosticOptions();
	clang::TextDiagnosticBuffer *diagBuffer = new clang::TextDiagnosticBuffer();
	clang::DiagnosticsEngine diags(diagID, diagOpts, diagBuffer);
	CI.createDiagnostics(diagBuffer, false);

	// コンパイラ呼び出し用のインスタンスを作成する
	llvm::ArrayRef<const char*> ref_args(vec_args.data(), vec_args.data() + vec_args.size());
	success = clang::CompilerInvocation::CreateFromArgs(build, ref_args, diags);

	// コンパイラフロントエンドのオプション設定
	//   入力ソースコード: test.cpp
	//   出力ソースコード: test.preproc.cpp
	const char *source_file = "test.cpp";
	const char *preproc_file = "test.preproc.cpp";
	clang::FrontendOptions &fe   = build.getFrontendOpts();
	clang::InputKind ik          = clang::InputKind(clang::Language::CXX);
	clang::FrontendInputFile fif = clang::FrontendInputFile(source_file, ik);

	fe.Inputs.clear();
	fe.Inputs.push_back(fif);
	fe.OutputFile.assign(preproc_file);

	// プリプロセスのオプション設定
	//   言語: C++11
	clang::PreprocessorOptions &po = build.getPreprocessorOpts();
	clang::LangOptions *la         = build.getLangOpts();
	llvm::Triple triple            = llvm::Triple();
	build.setLangDefaults(*la, ik, triple, po.Includes, clang::LangStandard::lang_cxx11);

	// 下記のようにオプションの一部だけ変えることもできる
	//la->CPlusPlus = true;
	//la->CPlusPlus11 = true;

	// プリプロセスのオプション
	//   コメント、定義済みマクロなどは出力しない
	clang::PreprocessorOutputOptions &poo = build.getPreprocessorOutputOpts();
	poo.ShowCPP = true;
	poo.ShowComments = false;
	poo.ShowLineMarkers = false;
	poo.ShowMacros = false;
	poo.ShowMacroComments = false;
	poo.RewriteIncludes = false;

	// プリプロセス実行（失敗したらエラーログを出力する）
	clang::PrintPreprocessedAction Preprocess;
	success = CI.ExecuteAction(Preprocess);
	if (!success) {
		get_build_log(diagBuffer, (CI.hasSourceManager()) ? &CI.getSourceManager() : nullptr);
	}
}

残念ながらこの呼び出し方が正解とは断言できません。探した限りではどう呼び出すべきか書かれたドキュメントも見当たりませんでした。上記の例はpoclを参考にしており、大きな間違いはないはずですが……。何かやらかしていたら教えていただけると嬉しいです。

動作確認はLLVM 12で行いました。他のバージョンだとAPIの引数などが変わっているので、ビルドすら通らないと思います。LLVMの困ったところですね……。

インクルードパスの調べ方

上記のサンプルでは引数で -Iオプションを使ってインクルードパスを指定します。インクルードパスは頑張ってヘッダファイルがある場所を調べても良いですが、おそらく同じ名前のヘッダが複数の場所にあって混乱すると思いますから、PCで動作しているClang++ から拝借するのが簡単です。

$ clang++ test.cpp -v

Debian clang version 11.0.1-2
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin
Found candidate GCC installation: /usr/bin/../lib/gcc/x86_64-linux-gnu/10

...

#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/bin/../lib/gcc/x86_64-linux-gnu/10/../../../../include/c++/10
 /usr/bin/../lib/gcc/x86_64-linux-gnu/10/../../../../include/x86_64-linux-gnu/c++/10
 /usr/bin/../lib/gcc/x86_64-linux-gnu/10/../../../../include/c++/10/backward
 /usr/lib/llvm-11/lib/clang/11.0.1/include
 /usr/include/x86_64-linux-gnu
 /usr/include
End of search list.

...

いろいろなメッセージが出力されますが、インクルードパスは "search starts here:" の辺りに書かれています。出力は特に捻りはなくディレクトリ名そのものですので、頭に -Iを足せばオプションの出来上がりです。

実行

プリプロセスを実行します。テスト用のプログラムは下記のとおりです。

#include <iostream>

int main(int argc, char *argv[])
{
	// This is comment
	std::cout << "Hello, world!!" << std::endl;
}

$ make

$ ./clang_test

ファイル名などは完全に決め打ちのため引数は必要ありません。実行に成功するとプリプロセス後のソースコードtest.preproc.cppが作成されているはずです。

namespace std
{
  typedef long unsigned int size_t;
  typedef long int ptrdiff_t;


  typedef decltype(nullptr) nullptr_t;

}

...

  static ios_base::Init __ioinit;


}

int main(int argc, char *argv[])
{

 std::cout << "Hello, world!!" << std::endl;
}

私の環境で実行したところ27,000行くらいあるファイルになりました。たった1つしかヘッダをincludeしてないのに凄まじい行数に展開されます。コメントは消えていますが、オプションを変更すれば残すこともできます。PreprocessorOutputOptionsのShowComments = trueにすると残ります。

$ g++ test.preproc.cpp

$ ./a.out
Hello, world!!

プリプロセス後のソースコードをg++ などに渡すとコンパイル可能なので、おそらく変な出力にはなっていないでしょう。

プログラムからLLVMを実行する その1 - 準備編

目次: LLVM

LLVMやClangは実行する方法が2つあります。1つ目はみなさまお馴染みのコマンドラインから実行する方法で、2つ目はプログラムからClangのライブラリを通して実行する方法です。

特に後者のプログラムから実行する方法はGCCでは真似できませんから、LLVMならではの機能と言えるでしょう。ただ、ちょっとインタフェースが不安定というか、バージョンによってちょいちょい変わって動かなくなるようで、そこは玉に瑕ですね。

LLVMビルド＆インストール

Clang/LLVMをプログラムから実行するにはいくつか準備が必要です。大まかに分けるとLLVMのビルド＆インストールと、ヘッダおよびライブラリパスの指定です。

ビルドは以前もチャレンジしました（2019年3月26日の日記参照）。基本的にはcmakeとmake（またはninja）です。それは変わりませんが、いくつか追加したいオプションがあるので再掲します。

$ cmake \
  -G Ninja \
  ../llvm \
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=`pwd`/../_install \
  -DCMAKE_C_COMPILER=clang \
  -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ \
  -DCMAKE_BUILD_TYPE=RelWithDebInfo \
  -DBUILD_SHARED_LIBS=ON \
  -DLLVM_ENABLE_ASSERTIONS=ON \
  -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="X86;RISCV;NVPTX" \
  -DLLVM_USE_LINKER=lld \
  -DLLVM_BUILD_LLVM_DYLIB=OFF \
  -DLLVM_LINK_LLVM_DYLIB=OFF \
  -DLLVM_ENABLE_PROJECTS="clang;clang-tools-extra;compiler-rt;debuginfo-tests;libc;libclc;libcxx;libcxxabi;libunwind;lld;lldb"

ざっくり意図を説明すると下記のとおりです。オプションの正確な意味についてはLLVM公式ドキュメント（Build LLVM with CMake - LLVM 12 documentation 参照）を見てください。

CMAKE_INSTALL_PREFIX

インストール先を指定します。システムに既にインストールされているLLVMを破壊しないよう、ビルドディレクトリの隣の _installディレクトリにインストールする指定です。

LLVM_TARGETS_TO_BUILD

以前（2019年3月27日の日記参照）も使いましたが、特定ターゲットのみをビルドするオプションで、ビルド時間の短縮に繋がります。2つ以上指定する場合はセミコロンで繋ぎましょう。例ではx86とRISC-V向けにしていますが、お好きなアーキテクチャを足してください。

LLVM_BUILD_LLVM_DYLIB

全てのライブラリを1つのライブラリlibLLVM.soに集約するオプションです。興味があればこのオプションのON/OFFにより後述するllvm-configの出力がどう変化するか確認すると面白いかもしれません。

LLVM_ENABLE_PROJECTS

LLVMはLLVM以外にも多彩なツールを持っています。どのツールをビルドするか選択するオプションです。全ては必要ないですが少なくともclangは後で必要になります。例では全部入りにしています。

CMakeの実行が成功したら、ninja installを呼びましょう。インストールまで進むはずです。

Makefileの作成

ヘッダインクルードパスの指定、ライブラリパスの指定のためにMakefileを書きます。パスの細かい値について心配する必要はありません。llvm-configというツールが用意されており、ほぼ全て自動的に用意してくれます。Makefileの一例を示すと、

LLVM_CONFIG_PATH  = /path/to/llvm-project/_install/bin
LLVM_CONFIG       = $(LLVM_CONFIG_PATH)/llvm-config --link-shared

CPPFLAGS = $(shell $(LLVM_CONFIG) --cppflags)
CFLAGS   = $(shell $(LLVM_CONFIG) --cflags) -g
CXXFLAGS = $(shell $(LLVM_CONFIG) --cxxflags) -g
LDFLAGS  = $(shell $(LLVM_CONFIG) --ldflags) 
LIBS     = -lclang-cpp $(LLVM_CONFIG) --libs --system-libs engine)

clang_test: main.o
	$(CXX) $(CXXFLAGS) $(LDFLAGS) -o $(APP) $< $(LIBS)

基本的にはllvm-config --xxxflagsとするとオプションに指定すべき文字列が出力されますから、素直に各種FLAGSに渡すだけです。もちろん何かオプションを追加するのも自由です。例では -gを足しています。

LIBSのところがちょっと格好悪いのは、llvm-configでlibclang-cppにリンクするような方法が見当たらなかったからです。良い方法をご存知の方は教えていただけると嬉しいです。

これで準備完了です。続きは次回に。