Merge branch 'linus/flopcount_inline_soa_symmetry' into 'main'
flopcount soa_symmetry See merge request course-asl-fastcode26/team70!73
This commit is contained in:
salijagic
@@ -0,0 +1,489 @@
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// # Changes: SoA layout for pedestrians (file-scope arrays instead of struct fields)
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// # added flopcount
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// FLOPCOUNT = n_iter * ( 69 * n_p ** 2 - 32 * n_p + 55 * n_obstacles * n_p )
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// # Predecessor: variant_float_inlining.cpp
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#include "../headers/board_reduced_float.hpp"
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#include "../headers/constants_float.hpp"
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#include "../headers/pedestrian_reduced_float.hpp"
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#include <algorithm>
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#include <cmath>
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#include <fstream>
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#include <iostream>
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#include <math.h>
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#include <random>
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#include <tuple>
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#include <vector>
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#define SEED 42
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#define BOARD_WIDTH 10.0f
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#define BOARD_LENGTH 50.0f
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#define WALL_EPS 1e-3f
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#define BOARD_WIDTH_MINUS_WALL_EPS 9.999f
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#ifndef RANDOM_SEED
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#define RANDOM_SEED 0
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#endif
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#ifndef BENCHMARK
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#define BENCHMARK 0
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#endif
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using namespace std;
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// we wanna use arrays so we can implement SoA, one array per pedestrian field
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vector<float> pos_x, pos_y;
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vector<float> sb_sq;
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vector<float> sb_e_x, sb_e_y;
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vector<float> e_x, e_y;
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vector<float> curr_vel_x, curr_vel_y;
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vector<float> w_x, w_y;
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vector<float> desired_v0;
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vector<float> v_max;
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vector<float> destination_x, destination_y;
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vector<int> color;
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Pedestrian *init_pedestrians(int n_p) {
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#if RANDOM_SEED
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random_device rd;
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mt19937 gen(rd());
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#else
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mt19937 gen(SEED);
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#endif
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normal_distribution<float> velocity_gen(v0_mean, v0_std_dev);
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uniform_real_distribution<float> y_gen(0.3, BOARD_WIDTH - 0.3);
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uniform_real_distribution<float> x_gen_left(2.0, BOARD_LENGTH / 2.0);
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uniform_real_distribution<float> x_gen_right(BOARD_LENGTH / 2.0, BOARD_LENGTH - 2.0);
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// resize all arrays for this run
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pos_x.resize(n_p);
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pos_y.resize(n_p);
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sb_sq.resize(n_p);
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sb_e_x.resize(n_p);
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sb_e_y.resize(n_p);
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e_x.resize(n_p);
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e_y.resize(n_p);
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curr_vel_x.resize(n_p);
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curr_vel_y.resize(n_p);
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w_x.resize(n_p);
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w_y.resize(n_p);
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desired_v0.resize(n_p);
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v_max.resize(n_p);
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destination_x.resize(n_p);
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destination_y.resize(n_p);
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color.resize(n_p);
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int n_p_half = n_p / 2;
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for (int i = 0; i < n_p_half; i++) {
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float x = x_gen_left(gen);
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float y = y_gen(gen);
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float dest_x = BOARD_LENGTH + 30.0; // renamed to avoid shadowing destination_x[]
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float dest_y = y;
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float init_e_x = dest_x - x;
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float init_e_y = dest_y - y;
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float init_e_norm = sqrt(init_e_x * init_e_x + init_e_y * init_e_y);
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float init_e_unit_x = init_e_x / init_e_norm;
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float init_e_unit_y = init_e_y / init_e_norm;
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float d_v0;
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do {
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d_v0 = velocity_gen(gen);
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} while (d_v0 <= 0.1);
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float v_m = 1.3 * d_v0;
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color[i] = 0;
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pos_x[i] = x;
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pos_y[i] = y;
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e_x[i] = init_e_unit_x;
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e_y[i] = init_e_unit_y;
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v_max[i] = v_m;
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desired_v0[i] = d_v0;
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destination_x[i] = dest_x;
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destination_y[i] = dest_y;
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// Fields the Pedestrian constructor would have zero-initialized (c_v_x=c_v_y=0):
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w_x[i] = 0.0f;
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w_y[i] = 0.0f;
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curr_vel_x[i] = 0.0f;
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curr_vel_y[i] = 0.0f;
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sb_sq[i] = 0.0f;
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sb_e_x[i] = 0.0f;
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|
sb_e_y[i] = 0.0f;
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}
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for (int i = n_p_half; i < n_p; i++) {
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float x = x_gen_right(gen);
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float y = y_gen(gen);
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float dest_x = -30;
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float dest_y = y;
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float init_e_x = dest_x - x;
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float init_e_y = dest_y - y;
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float init_e_norm = sqrt(init_e_x * init_e_x + init_e_y * init_e_y);
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float init_e_unit_x = init_e_x / init_e_norm;
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float init_e_unit_y = init_e_y / init_e_norm;
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float d_v0;
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do {
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d_v0 = velocity_gen(gen);
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} while (d_v0 <= 0.1);
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float v_m = 1.3 * d_v0;
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color[i] = 1;
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pos_x[i] = x;
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pos_y[i] = y;
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e_x[i] = init_e_unit_x;
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e_y[i] = init_e_unit_y;
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v_max[i] = v_m;
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desired_v0[i] = d_v0;
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destination_x[i] = dest_x;
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destination_y[i] = dest_y;
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w_x[i] = 0.0f;
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|
w_y[i] = 0.0f;
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curr_vel_x[i] = 0.0f;
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curr_vel_y[i] = 0.0f;
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|
sb_sq[i] = 0.0f;
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sb_e_x[i] = 0.0f;
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|
sb_e_y[i] = 0.0f;
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}
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return nullptr;
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}
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Board init_board_without_obstacles() { return Board(BOARD_LENGTH, BOARD_WIDTH, 0, nullptr); }
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int run_simulation(Pedestrian *pedestrians, Board &board, int n_p, int n_iter, const char *dump_path) {
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(void)pedestrians;
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#if BENCHMARK
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(void)dump_path;
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#endif
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#if !BENCHMARK
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const int dump_interval = 1;
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vector<tuple<int, int, float, float, float, float, int>> samples;
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if (dump_path) {
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samples.reserve(static_cast<size_t>(n_iter / dump_interval + 1) * n_p);
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for (int i = 0; i < n_p; i++) {
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samples.emplace_back(0, i, pos_x[i], pos_y[i], e_x[i], e_y[i], color[i]);
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}
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}
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#endif
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// here we have real (simple) symmetry
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std::vector<float> r_ab_x_lut(n_p * n_p, 0.0);
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std::vector<float> r_ab_y_lut(n_p * n_p, 0.0);
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std::vector<float> r_ab_norm_lut(n_p * n_p, 0.0);
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// use NAME[i * n_p + j]
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// FLOPCOUNT (everything inside the t-loop). EXP kept as its own op (one real exp() per call).
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// section costs: overhead 4 ADD 4 MULT | distance pair 3 ADD 2 MULT 1 SQRT |
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// ped-ped j 11 ADD 22 MULT 2 SQRT 1 DIV 1 EXP |
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// obstacle 10 ADD 13 MULT 1 SQRT 1 DIV 1 EXP | update 7 ADD 17 MULT 3 SQRT 2 DIV
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// # ADDs: n_iter * (
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// # n_p * 4 +
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// # 0.5 * (n_p*n_p - n_p) * 3 +
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// # n_p * (n_p - 1) * 11 +
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// # n_p * board.n_obstacles * 10 +
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// # n_p * 7
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// # )
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// # MULTs: n_iter * (
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// # n_p * 4 +
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// # 0.5 * (n_p*n_p - n_p) * 2 +
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// # n_p * (n_p - 1) * 22 +
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// # n_p * board.n_obstacles * 13 +
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// # n_p * 17
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// # )
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// # DIVs: n_iter * (
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// # n_p * (n_p - 1) +
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// # n_p * board.n_obstacles +
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||||||
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// # n_p * 2
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// # )
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// # SQRTs: n_iter * (
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// # 0.5 * (n_p*n_p - n_p) +
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// # n_p * (n_p - 1) * 2 +
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||||||
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// # n_p * board.n_obstacles +
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// # n_p * 3
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// # )
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// # EXPs: n_iter * (
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|
// # n_p * (n_p - 1) +
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// # n_p * board.n_obstacles
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// # )
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// total with EXP = 30: n_iter * ( 69 * n_p ** 2 - 32 * n_p + 55 * n_obstacles * n_p )
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for (int t = 0; t < n_iter; t++) {
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for (int i = 0; i < n_p; i++) {
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// # 1 MULT
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float desired_velocity_x = e_x[i] * desired_v0[i];
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// # 1 MULT
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float desired_velocity_y = e_y[i] * desired_v0[i];
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// # 1 ADD, 1 MULT
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float f_alpha_dt_x = (desired_velocity_x - curr_vel_x[i]) * dt_times_tau_alpha_inv;
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// # 1 ADD, 1 MULT
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float f_alpha_dt_y = (desired_velocity_y - curr_vel_y[i]) * dt_times_tau_alpha_inv;
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// lut for distances
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// get all distances first
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// # each pair: 6 FLOPS, total over all i = 0.5*(n_p*n_p - n_p) * 6
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for (int j = i + 1; j < n_p; j++) {
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||||||
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// # 1 ADD
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float dx = pos_x[i] - pos_x[j];
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||||||
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// # 1 ADD
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float dy = pos_y[i] - pos_y[j];
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||||||
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// # 1 ADD, 2 MULTs, 1 SQRT
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float norm = sqrt(dx * dx + dy * dy);
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int idx = i * n_p + j;
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r_ab_x_lut[idx] = dx;
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r_ab_y_lut[idx] = dy;
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||||||
|
r_ab_norm_lut[idx] = norm;
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}
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// force between pedestrians
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// # one j (the i==j case is skipped) = 66 FLOPS, runs (n_p-1) times per i
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for (int j = 0; j < n_p; j++) {
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if (i == j) continue;
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|
// symmetry: lut lookup is for free, the -1* sign flip is not counted
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|
float r_ab_x, r_ab_y, r_ab_norm;
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||||||
|
if (i < j) {
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||||||
|
r_ab_x = r_ab_x_lut[i * n_p + j];
|
||||||
|
r_ab_y = r_ab_y_lut[i * n_p + j];
|
||||||
|
r_ab_norm = r_ab_norm_lut[i * n_p + j];
|
||||||
|
} else {
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||||||
|
// other direction
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||||||
|
r_ab_x = -1 * r_ab_x_lut[j * n_p + i];
|
||||||
|
r_ab_y = -1 * r_ab_y_lut[j * n_p + i];
|
||||||
|
r_ab_norm = r_ab_norm_lut[j * n_p + i];
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
//float r_ab_x = pos_x[i] - pos_x[j];
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||||||
|
//float r_ab_y = pos_y[i] - pos_y[j];
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||||||
|
|
||||||
|
//float r_ab_norm = sqrt(r_ab_x * r_ab_x + r_ab_y * r_ab_y);
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||||||
|
r_ab_norm = r_ab_norm > EPS ? r_ab_norm : EPS;
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD
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||||||
|
float r_ab2_x = r_ab_x - sb_e_x[j];
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||||||
|
// # 1 ADD
|
||||||
|
float r_ab2_y = r_ab_y - sb_e_y[j];
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD, 2 MULTs, 1 SQRT
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||||||
|
float r_ab2_norm = sqrt(r_ab2_x * r_ab2_x + r_ab2_y * r_ab2_y);
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||||||
|
r_ab2_norm = r_ab2_norm > EPS ? r_ab2_norm : EPS;
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD
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||||||
|
float r_ab_norm_sum = r_ab_norm + r_ab2_norm;
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD, 1 MULT
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||||||
|
float two_b_sq = r_ab_norm_sum * r_ab_norm_sum - sb_sq[j];
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||||||
|
two_b_sq = two_b_sq > EPS_SQ ? two_b_sq : EPS_SQ;
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||||||
|
// # 1 SQRT
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||||||
|
float two_b = sqrt(two_b_sq);
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||||||
|
// # 5 MULTs, 1 DIV, 1 EXP
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||||||
|
float scalar_mult_common = (r_ab_norm_sum / (two_b * r_ab_norm * r_ab2_norm)) * (NEG_V0_AB_div_TWO_SIGMA * exp(two_b * NEG_TWO_SIGMA_INV));
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||||||
|
// # 1 MULT
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||||||
|
float scalar_mult_r_ab = scalar_mult_common * r_ab2_norm;
|
||||||
|
// # 1 MULT
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||||||
|
float scalar_mult_r_ab2 = scalar_mult_common * r_ab_norm;
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD, 2 MULTs
|
||||||
|
float f_alpha_beta_neg_x = r_ab_x * scalar_mult_r_ab + r_ab2_x * scalar_mult_r_ab2;
|
||||||
|
// # 1 ADD, 2 MULTs
|
||||||
|
float f_alpha_beta_neg_y = r_ab_y * scalar_mult_r_ab + r_ab2_y * scalar_mult_r_ab2;
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||||||
|
|
||||||
|
float w_val;
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||||||
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|
||||||
|
// # 1 ADD, 2 MULTs
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||||||
|
float f_norm_sq = f_alpha_beta_neg_x * f_alpha_beta_neg_x + f_alpha_beta_neg_y * f_alpha_beta_neg_y;
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||||||
|
// # 1 MULT
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||||||
|
float rhs = f_norm_sq * cos_phi_sq;
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||||||
|
// # 1 ADD, 2 MULTs
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||||||
|
float e_dot_f = e_x[i] * f_alpha_beta_neg_x + e_y[i] * f_alpha_beta_neg_y;
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||||||
|
// # 1 MULT
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||||||
|
float e_dot_f_sq = e_dot_f * e_dot_f;
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||||||
|
if (e_dot_f >= 0.0 || e_dot_f_sq <= rhs)
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||||||
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w_val = dt_neg;
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||||||
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else
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||||||
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w_val = c_neg_times_dt;
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||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD, 1 MULT
|
||||||
|
f_alpha_dt_x = f_alpha_dt_x + f_alpha_beta_neg_x * w_val;
|
||||||
|
// # 1 ADD, 1 MULT
|
||||||
|
f_alpha_dt_y = f_alpha_dt_y + f_alpha_beta_neg_y * w_val;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// force between pedestrian and obstacles
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||||||
|
// # one obstacle = 55 FLOPS (w_val here is sign-based, no a*a / b_sq)
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|
for (int k = 0; k < board.n_obstacles; k++) {
|
||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD
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||||||
|
float v1_x = pos_x[i] - board.obstacles[k].start_x;
|
||||||
|
// # 1 ADD
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||||||
|
float v1_y = pos_y[i] - board.obstacles[k].start_y;
|
||||||
|
float v2_x = board.obstacles[k].obstacle_v_x;
|
||||||
|
float v2_y = board.obstacles[k].obstacle_v_y;
|
||||||
|
|
||||||
|
// # 1 ADD, 3 MULTs
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||||||
|
float projection = (v1_x * v2_x + v1_y * v2_y) * board.obstacles[k].length_sq_inv;
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||||||
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||||||
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if (projection < 0.0)
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projection = 0.0;
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else if (projection > 1.0)
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|
projection = 1.0;
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// # 2 ADDs, 1 MULT
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float r_aB_x = pos_x[i] - (board.obstacles[k].start_x + board.obstacles[k].obstacle_v_x * projection);
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||||||
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// # 2 ADDs, 1 MULT
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||||||
|
float r_aB_y = pos_y[i] - (board.obstacles[k].start_y + board.obstacles[k].obstacle_v_y * projection);
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||||||
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// # 1 ADD, 2 MULTs, 1 SQRT
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float r_aB_norm = sqrt(r_aB_x * r_aB_x + r_aB_y * r_aB_y);
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r_aB_norm = r_aB_norm > EPS ? r_aB_norm : EPS;
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// # 2 MULTs, 1 DIV, 1 EXP
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float scalar_mult = (NEG_U0_AB_div_R * exp(r_aB_norm * NEG_R_INV)) / r_aB_norm;
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// # 1 MULT
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float f_alpha_B_neg_x = r_aB_x * scalar_mult;
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// # 1 MULT
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float f_alpha_B_neg_y = r_aB_y * scalar_mult;
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float w_val;
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// sign select only, no flops
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float e_dot_f = (f_alpha_B_neg_y == 0) ? 0 : (f_alpha_B_neg_y < 0 ? -e_y[i] : e_y[i]);
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if (e_dot_f >= cos_phi)
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w_val = dt_neg;
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else
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w_val = c_neg_times_dt;
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// # 1 MULT
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float f_alpha_B_dt_x = f_alpha_B_neg_x * w_val;
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// # 1 MULT
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float f_alpha_B_dt_y = f_alpha_B_neg_y * w_val;
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||||||
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// # 1 ADD
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|
f_alpha_dt_x += f_alpha_B_dt_x;
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// # 1 ADD
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|
f_alpha_dt_y += f_alpha_B_dt_y;
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}
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// # 1 ADD
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|
w_x[i] += f_alpha_dt_x;
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// # 1 ADD
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w_y[i] += f_alpha_dt_y;
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|
}
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|
// update each pedestrian
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// # 29 FLOPS per pedestrian
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for (int i = 0; i < n_p; i++) {
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// # 1 ADD, 2 MULTs, 1 SQRT
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float w_norm = sqrt(w_x[i] * w_x[i] + w_y[i] * w_y[i]);
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float w_norm2 = w_norm > EPS ? w_norm : EPS;
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// # 1 DIV
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float correction_factor = min(1.0f, v_max[i] / w_norm2);
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// # 1 MULT
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|
curr_vel_x[i] = w_x[i] * correction_factor;
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// # 1 MULT
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|
curr_vel_y[i] = w_y[i] * correction_factor;
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|
// # 1 ADD, 1 MULT
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||||||
|
pos_x[i] = pos_x[i] + curr_vel_x[i] * dt;
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||||||
|
// # 1 ADD, 1 MULT
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|
pos_y[i] = pos_y[i] + curr_vel_y[i] * dt;
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||||||
|
|
||||||
|
if (color[i] == 0 && pos_x[i] > (BOARD_LENGTH - 1.5)) {
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|
pos_x[i] = 1.0;
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|
destination_y[i] = pos_y[i];
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||||||
|
w_x[i] = desired_v0[i];
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||||||
|
w_y[i] = 0.0;
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|
curr_vel_x[i] = w_x[i];
|
||||||
|
curr_vel_y[i] = w_y[i];
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||||||
|
}
|
||||||
|
if (color[i] == 1 && pos_x[i] < 1.5) {
|
||||||
|
pos_x[i] = BOARD_LENGTH - 1.0;
|
||||||
|
destination_y[i] = pos_y[i];
|
||||||
|
w_x[i] = -desired_v0[i];
|
||||||
|
w_y[i] = 0.0;
|
||||||
|
curr_vel_x[i] = w_x[i];
|
||||||
|
curr_vel_y[i] = w_y[i];
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
pos_y[i] = clamp(pos_y[i], WALL_EPS, BOARD_WIDTH_MINUS_WALL_EPS);
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|
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||||||
|
// # 1 ADD
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|
float ex = destination_x[i] - pos_x[i];
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||||||
|
// # 1 ADD
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||||||
|
float ey = destination_y[i] - pos_y[i];
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||||||
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|
// # 1 ADD, 2 MULTs, 1 SQRT
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|
float e_norm = sqrt(ex * ex + ey * ey);
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||||||
|
float e_norm2 = e_norm > EPS ? e_norm : EPS;
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|
// # 1 DIV
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float e_norm_inv = 1.0 / e_norm2;
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|
|
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// # 1 MULT
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|
e_x[i] = ex * e_norm_inv;
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// # 1 MULT
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|
e_y[i] = ey * e_norm_inv;
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||||||
|
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// # 1 ADD, 2 MULTs
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|
float velocity_norm_sq = curr_vel_x[i] * curr_vel_x[i] + curr_vel_y[i] * curr_vel_y[i];
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|
// # 1 SQRT
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|
float velocity_norm = sqrt(velocity_norm_sq);
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// # 1 MULT
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sb_sq[i] = velocity_norm_sq * delta_t_sq;
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// # 2 MULTs (velocity_norm*delta_t written on both lines, counted as is)
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|
sb_e_x[i] = e_x[i] * (velocity_norm * delta_t);
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// # 2 MULTs
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|
sb_e_y[i] = e_y[i] * (velocity_norm * delta_t);
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|
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||||||
|
#if !BENCHMARK
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||||||
|
if (dump_path && (t % dump_interval == 0)) {
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|
samples.emplace_back(t + 1, i, pos_x[i], pos_y[i], e_x[i], e_y[i], color[i]);
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||||||
|
}
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||||||
|
#endif
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||||||
|
}
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|
}
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|
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|
#if !BENCHMARK
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|
if (dump_path) {
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ofstream out(dump_path);
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|
out << "time,id,x,y,p.e.x,p.e.y,color\n";
|
||||||
|
|
||||||
|
for (auto &[t, id, x, y, e_x, e_y, c] : samples) {
|
||||||
|
out << t << ',' << id << ',' << x << ',' << y << ',' << e_x << ',' << e_y << ',' << c << '\n';
|
||||||
|
}
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||||||
|
}
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||||||
|
#endif
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|
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return 0;
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||||||
|
}
|
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Reference in New Issue
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