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深入淺出PyTorch(算子篇)

2020-09-12 04:45:34 其他

Tensor

自從張量(Tensor)計算這個概念出現后,神經網路的演算法就可以看作是一系列的張量計算,所謂的張量,它原本是個數學概念,表示各種向量或者數值之間的關系,PyTorch的張量(torch.Tensor)表示的是N維矩陣與一維陣列的關系,

http://web.mit.edu/~ezyang/Public/pytorch-internals.pdf

torch.Tensor的使用方法和numpy很相似(https://pytorch.org/...tensor-tutorial-py),兩者唯一的區別在于torch.Tensor可以使用GPU來計算,這就比用CPU的numpy要快很多,

張量計算的種類有很多,比如加法、乘法、矩陣相乘、矩陣轉置等,這些計算被稱為算子(Operator),它們是PyTorch的核心組件,

算子的backend一般是C/C++的拓展程式,PyTorch的backend是稱為"ATen"的C/C++庫,ATen是"A Tensor"的縮寫,

Operator

PyTorch所有的Operator都定義在Declarations.cwrap和native_functions.yaml這兩個檔案中,前者定義了從Torch那繼承來的legacy operator(aten/src/TH),后者定義的是native operator,是PyTorch的operator,

相比于用C++開發的native code,legacy code是在PyTorch編譯時由gen.py根據Declarations.cwrap的內容動態生成的,因此,如果你想要trace這些code,需要先編譯PyTorch,

legacy code的開發要比native code復雜得多,如果可以的話,建議你盡量避開它們,

aten/src/ATen/Declarations.cwrap

MatMul

本文會以矩陣相乘--torch.matmul()為例來分析PyTorch算子的作業流程,

我在深入淺出全連接層(fully connected layer)中有講在GPU層面是如何進行矩陣相乘的,Nvidia、AMD等公司提供了優化好的線性代數計算庫--cuBLAS/rocBLAS/openBLAS,PyTorch只需要呼叫它們的API即可,

Figure 1: function flow of torch.matmul()

Figure 1是torch.matmul()在ATen中的function flow,可以看到,這個flow可不短,這主要是因為不同型別的tensor(2d or Nd, batched gemm or not,with or without bias,cuda or cpu)的操作也不盡相同,

at::matmul()主要負責將Tensor轉換成cuBLAS需要的格式,前面說過,Tensor可以是N維矩陣,如果tensor A是3d矩陣,tensor B是2d矩陣,就需要先將3d轉成2d;如果它們都是>=3d的矩陣,就要考慮batched matmul的情況;如果bias=True,后續就應該交給at::addmm()來處理;總之,matmul要考慮的事情比想象中要多,

除此之外,不同的dtype、device和layout需要呼叫不同的操作函式,這部分作業交由c10::dispatcher來完成,

Dispatcher

dispatcher主要用于動態呼叫dtype、device以及layout等方法函式,用過numpy的都知道,np.array()的資料型別有:float32, float16,int8,int32,.... 如果你了解C++就會知道,這類程式最適合用模板(template)來實作,

很遺憾,由于ATen有一部分operator是用C語言寫的(從Torch繼承過來),不支持模板功能,因此,就需要dispatcher這樣的動態調度器,

類似地,PyTorch的tensor不僅可以運行在GPU上,還可以跑在CPU、mkldnn和xla等設備,Figure 1中的dispatcher4就根據tensor的device呼叫了mm的GPU實作,

layout是指tensor中元素的排布,一般來說,矩陣的排布都是緊湊型的,也就是strided layout,而那些有著大量0的稀疏矩陣,相應地就是sparse layout,

Figure 2: strided layout example

Figure 2是strided layout的演示實體,這里創建了一個2行2列的矩陣a,它的資料實際存放在一維陣列(a.storage)里,2行2列只是這個陣列的視圖,

stride充當了從陣列到視圖的橋梁,比如,要列印第2行第2列的元素時,可以通過公式:\(1 * stride(0) + 1 * stride(1)\)來計算該元素在陣列中的索引,

除了dtype、device、layout之外,dispatcher還可以用來呼叫legacy operator,比如說addmm這個operator,它的GPU實作就是通過dispatcher來跳轉到legacy::cuda::_th_addmm,

aten/src/ATen/native/native_functions.yaml

END

到此,就完成了對PyTorch算子的學習,如果你要學習其他算子,可以先從aten/src/ATen/native目錄的相關函式入手,從native_functions.yaml中找到dispatch目標函式,詳情可以參考Figure 1,


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