一文详解静态图和动态图中的自动求导机制
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01
之前在[1]中提到过,自动求导(AutoDiff)机制是当前深度学习模型训练采用的主要方法,而在静态图和动态图中对于自动求导的处理是不一样的。作为前置知识,这里简单进行介绍。
我们都知道静态图建模(如TensorFlow,paddle fluid)是声明式编程,其建图过程和计算过程是分开的,而对于动态图建模而言(如pytorch,paddle)是命令式编程,其计算伴随着建图一起进行。注意,这两种编程范式有着根本上的区别,相信用过tensorflow和pytorch的小伙伴能感受得到。总的来说,动态图边建图边计算的方式容易理解,而静态图先建图,后计算的方式并不是很容易理解,我们完全可以把静态图语言(比如TensorFlow,Paddle)看成是独立于python之外的建图的一种描述语言,其任务主要是建计算图,而其计算部分完全由其C++后端进行计算。静态图的建图和计算独立的过程和示意代码,可以用Fig 1.1进行
△Fig 1.1 静态图建图和计算的过程示意
注意到,动态图边建图边计算,也即是每一次的模型训练都会进行重新建图和计算,这意味着:
1、系统无法感知整个动态图模型的全局信息。有些变量可能后续不会再被引用了,可以释放内存,在动态图系统中由于无法感知到后续图的结构,因此就必须保留下来(除非工程师手动释放),导致显存占用一般会大于静态图(当然也并不一定)。
2、每次都需要重新建图,在计算效率上不如静态图,静态图是一次建图,后续永远都是在这个建图结果的基础上进行计算的。这个就类似于解释性语言(如python)和编译性语言(如C和C++)的区别。
3、由于动态图需要每次重新建图,导致其无法在嵌入式设备上进行部署(两种原因,1是效率问题,2是嵌入式设备通常不具有网站的建图运行时,只支持推理模式),通常需要其以某种形式(比如ONNX)转化为静态图的参数后,通过静态图部署。常见的部署方式包括TensorRT,Paddle Lite,TensorFlow Lite,TensorFlow Serving,NCNN(手机端居多)等等。
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02
自动求导 AutoDiff
2.1 动态图
(2-1)
(2-2)
△Fig 2.1 动态图的前向和反向计算过程是在建图的时候一起完成的
不难发现,在进行反向传播的时候整个系统需要缓存,维护多种类型的变量,包括前向计算的结果缓存,反向梯度的缓存,参数矩阵等等。这些都是模型训练过程中占据显存使用的大头。
2.2 静态图
import tensorflow as tfX1 = tf.placeholder(tf.float32, shape=(1,), name="X1")X2 = tf.placeholder(tf.float32, shape=(1,), name="X2")h1 = tf.multiply(X1, X2)h2 = tf.add(h1, X1)output = tf.div(h2, X2)grad = tf.gradients(output, [X1, X2])feed_dict = {"X1": 0.6, "X2": 0.2}sess = tf.Session()output_v = sess.run(output, feed_dict)grad_v = sess.run(grad, feed_dict)
△Fig 3.2 静态图的正向建图和反向建图都在建图阶段一并完成了
由此我们发现了静态图和动态图自动求导机制的不同点,静态图在执行计算过程中,其实并不区分前向计算和反向计算。对于执行器而言,无论是前向过程建的图,亦或是反向过程建的图都是等价的,执行器不需要区分,因此只需要一套执行器即可,将自动求导机制的实现嵌入到了建图过程中。而由于动态图的建图和计算同时进行,导致其执行器也必须区分前向和反向的过程。从静态图的实现机制上看,我们也不难发现,由于静态图提前已经对整个计算图的拓扑结构有所感知,就能对其中不合理的内存使用进行优化,并且可以对节点进行融合优化,也可以静态分析得到更合理的节点执行顺序,从而实现更大的并行度。静态图的这些性质决定了其更适合于模型部署,计算效率和内存使用效率都比动态图更高。但是静态图也有一个最大麻烦,就是模型调试麻烦。首先由于对整个图都建好了后才能执行,因此并不能动态往里面添加原生python的print操作——此时Tensor都还没计算出来呢,你打印出来的只是该计算节点本身而已,并没有输入任何数值信息。为了print其中的节点以进行模型调试,可以往里面插入TensorFlow的tf.Print操作节点,如Fig 3.3所示。当然,你也可以单纯在执行器运行时,通过指定fetch_list=[h2]进行中间变量的获取。但是不管是哪种方法,都显然比动态图的调试更为麻烦。
△Fig 3.3 在计算图中插入Print节点,以进行模型调试
静态图对于数据流控制的操作,也远比动态图麻烦。以条件判断为例子,在动态图中只需要实时计算判断条件,实时建图计算即可,一切都是那么地顺滑。但是静态图是必须得提前建图的,这意味着无法实时进行分支判断,因此所有可能的分支都需要进行建图,如Fig 3.4所示,实现了以下的条件判断逻辑。
if (X > 2) {return X * X3} else {return X4 - X}
△Fig 3.4 静态图中对于所有可能的条件判断分支,都需要提前建图
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03
静态图自动求导的实现示例
3.1 前向建图和反向建图
以上讲了那么多动态图和静态图的差别,看似有些跑题了,我们说好的自动求导实现呢?嗯嗯,本章在读者对静态图和动态图有了充分的认知之后,将会讨论如何实现静态图的自动求导机制。笔者已经将代码开源(https://github.com/FesianXu/ToyAutoDiff ),有兴趣的读者可以自行尝试。在这个代码库中,主要有两种数据结构类,Node和Op。Node是节点类,如下所示,其主要定义了输入列表self.inputs,这个输入列表用于储存当前节点的所有输入信息,而其本身则是作为输出存在,通过这种方式可以建立一个前向图,如Fig 3.5所示,通过维护Node类中的inputs列表,就足以维护前向图的拓扑关系,其是一个有向无环图(Directed Acyclic Cycle, DAG)。同时,Node类中还具有一个const_attr用于描述Tensor与常数的一些操作,如果想要引入类型推断系统,那么还需要加入self.shape,但是本文中并没有引入这个机制。
class Node(object):def __init__(self):self.inputs = []self.op = Noneself.const_attr = Noneself.name = ""def __add__(self, other):if isinstance(other, Node):new_node = add_op(self, other)else:new_node = add_byconst_op(self, other)return new_nodedef __mul__(self, other):if isinstance(other, Node):new_node = mul_op(self, other)else:new_node = mul_byconst_op(self, other)return new_nodedef __truediv__(self, other):raise ValueError('No implement div')# Allow left-hand-side add and multiply.__radd__ = __add____rmul__ = __mul__def __str__(self):return self.name__repr__ = __str__
△Fig 3.5 通过组织Node里面的inputs列表,既可以维护一个前向图关系的描述
通过实现一个抽象类Op,我们把所有算子的基类需要的共有接口给定义了,第一个是计算方法(Compute),注意到该操作并不区分前向或者反向,在执行器调用这个compute的时候,只是对输入的实际Tensor进行指定计算而已,因此这个方法其实就是在图计算中实现惰性计算(Lazy Compute)的实际计算方法。第二个是反向建图方法(gradient),该方法对当前输入节点和输出节点(也即是自身)进行反向求导建图。同时注意到在__call__方法中,Op将输出节点new_node = Node()进行定义,并且将其纳入自己类中new_node.op = self。
class Op(object):def __call__(self):new_node = Node()new_node.op = selfreturn new_nodedef compute(self, node, input_vals):raise NotImplementedErrordef gradient(self, node, output_grad):raise NotImplementedError
该Op类是一个抽象类,需要集成它实现其他具体的算子,比如矩阵乘法算子MatMulOp。该矩阵乘法算子的输入是两个Op,分别是node_A和node_B。其在compute方法中,传入的Tensor是基于numpy array的,因此直接采用np.dot()进行计算即可,当然也可以加入类型断言,形状断言用以判断传入的Tensor符合计算图的要求。在gradient方法中,我们知道对于矩阵乘法而言,其微分如(3-1)所示,将每个输入节点的对应微分写到gradient中,此时的 就是前继节点的求导累积结果,在代码中记为output_grad。
class MatMulOp(Op):"""Op to matrix multiply two nodes."""def __call__(self, node_A, node_B, trans_A=False, trans_B=False):new_node = Op.__call__(self)new_node.matmul_attr_trans_A = trans_Anew_node.matmul_attr_trans_B = trans_Bnew_node.inputs = [node_A, node_B]new_node.name = "MatMul(%s,%s,%s,%s)" % (node_A.name, node_B.name, str(trans_A), str(trans_B))return new_nodedef compute(self, node, input_vals):assert len(input_vals) == 2assert type(input_vals[0]) == np.ndarray and type(input_vals[1]) == np.ndarrayreturn np.dot(input_vals[0], input_vals[1])def gradient(self, node, output_grad):"""if Y=AB, then dA=dY B^T, dB=A^T dY"""return [matmul_op(output_grad, transpose_op(node.inputs[1])), matmul_op(transpose_op(node.inputs[0]), output_grad)]
通过类似的方法还可以实现其他很多算子操作,比如加减乘除等等。前向建图很容易完成,我们讨论下如何进行反向建图。在该试验代码中,实现了一个gradients函数,如下所示,该函数对输出节点output_node和指定的节点列表(node_list)中的每个节点进行求导操作。在实现这个的过程中,我们调用了一个叫做find_topo_sort的函数,对以这个输出节点output_node为起始点进行深度优先搜寻(Depth First Search),然后进行逆序就得到了反拓扑结构。还是以Fig 3.2的拓扑结构为例子,对其输出H3进行DFS,得到的拓扑序为X2 -> X1 -> H1 -> H2 -> H3,进行翻转后得到H3 -> H2 -> H1 -> X1 -> X2。我们发现翻转后的序,和Fig 3.2的反向建图的序是一致的。因此以此为序,遍历的过程中不断地调用当前遍历节点的op.gradient方法,实现层次反向建图。
def gradients(output_node, node_list):"""Take gradient of output node with respect to each node in node_list.Parameters----------output_node: output node that we are taking derivative of.node_list: list of nodes that we are taking derivative wrt.Returns-------A list of gradient values, one for each node in node_list respectively.Something wrong, should be the backward graph of the gradients"""node_to_output_grads_list = {}node_to_output_grads_list[output_node] = [oneslike_op(output_node)]reverse_topo_order = reversed(find_topo_sort([output_node]))for ind, each in enumerate(reverse_topo_order):if ind == 0:gg = each.op.gradient(each, oneslike_op(output_node))else:gg = each.op.gradient(each, node_to_output_grads_list[each])if gg is None:continuefor indv, eachv in enumerate(gg):if each.inputs[indv] in node_to_output_grads_list.keys():node_to_output_grads_list[each.inputs[indv]] += gg[indv]else:node_to_output_grads_list[each.inputs[indv]] = gg[indv]node_to_output_grad[each] = eachgrad_node_list = [node_to_output_grads_list[node] for node in node_list]return grad_node_listdef find_topo_sort(node_list):"""Given a list of nodes, return a topological sort list of nodes ending in them.A simple algorithm is to do a post-order DFS traversal on the given nodes,going backwards based on input edges. Since a node is added to the orderingafter all its predecessors are traversed due to post-order DFS, we get a topologicalsort."""visited = set()topo_order = []for node in node_list:topo_sort_dfs(node, visited, topo_order)return topo_orderdef topo_sort_dfs(node, visited, topo_order):"""Post-order DFS"""if node in visited:returnvisited.add(node)for n in node.inputs:topo_sort_dfs(n, visited, topo_order)topo_order.append(node)
建图完后我们就需要进行计算了,而计算是有执行器(Executor)进行的。执行器中最主要的方法是run,这个相当于TensorFlow中的sess.run(),不同的在于,这里的执行器是在构造器中指定fetch_list,在run()中指定喂入的Tensor数据。在run方法中,我们同样需要采用DFS对计算图进行遍历(不区分前向还是反向,再强调一遍),得到了计算序后,依次喂入tensor数据,调用op.compute()进行tensor计算即可。
class Executor:"""Executor computes values for a given subset of nodes in a computation graph."""def __init__(self, eval_node_list):self.eval_node_list = eval_node_listdef run(self, feed_dict):node_to_val_map = dict(feed_dict)# Traverse graph in topological sort order and compute values for all nodes.topo_order = find_topo_sort(self.eval_node_list)for each in topo_order:if each.inputs:input_vals = []for each_input in each.inputs:input_vals += [node_to_val_map[each_input]]node_to_val_map[each] = each.op.compute(node=each, input_vals=input_vals)node_val_results = [node_to_val_map[node] for node in self.eval_node_list]return node_val_results
至此,我们就实现了一个简单的静态图autodiff机制得到试验,后续可以加入形状推断机制,抽象出Layer神经网络层,参数初始化器Initiator,优化器Optimizer,损失Loss,模型层Model,那么我们就可以构建出一个玩具版本的TensorFlow啦,嘿嘿嘿~~
END
参考资料:
[1]. https://blog.csdn.net/LoseInVain/article/details/88557173, 《AutoDiff理解》 之第一篇, 自动求导技术在深度学习中的应用
[2]. https://openmlsys.github.io/chapter_preface/index.html, OPEN MLSYS
[3]. https://github.com/FesianXu/ToyAutoDiff
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