设计思想

设计思想

简介

本篇文档主要介绍飞桨（PaddlePaddle，以下简称Paddle）底层的设计思想，帮助用户更好的理解框架运作过程。

阅读本文档，您将了解：

Paddle 内部的执行流程
Program 如何描述模型
Executor 如何执行运算

1. Paddle内部执行流程

Paddle使用一种编译器式的执行流程，分为编译时和运行时两个部分，具体包括：编译器定义 Program ，创建Executor 运行 Program 。

本地训练任务执行流程图如下所示：

编译时，用户编写一段python程序，通过调用 Paddle 提供的算子，向一段 Program 中添加变量（Tensor）以及对变量的操作（Operators 或者 Layers）。用户只需要描述核心的前向计算，不需要关心反向计算、分布式下以及异构设备下如何计算。
原始的 Program 在框架内部转换为中间描述语言： ProgramDesc。
Transpiler 接受一段 ProgramDesc ，输出一段变化后的 ProgramDesc ，作为后端 Executor 最终需要执行的 Program 。 Transpiler 并非必需步骤。
执行 ProgramDesc 中定义的 Operator（可以类比为程序语言中的指令），在执行过程中会为 Operator 创建所需的输入输出并进行管理。

2. Program设计思想

用户完成网络定义后，一段 Paddle 程序中通常存在 2 个 Program：

fluid.default_startup_program：定义了模型参数初始化、优化器参数初始化、reader初始化等各种操作。

default_startup_program 可以由框架自动生成，使用时无需显式地创建
 
如果调用修改了参数的默认初始化方式，框架会自动的将相关的修改加入default_startup_program

fluid.default_main_program ：定义了神经网络模型，前向反向计算，以及模型参数更新、优化器参数更新等各种操作。

使用Paddle的核心就是构建起 default_main_program

Programs and Blocks

Paddle 的 Program 的基本结构是一些嵌套 blocks，形式上类似一段 C++ 或 Java 程序。

blocks中包含：

本地变量的定义
一系列的operator

block的概念与通用程序一致，例如在下列这段C++代码中包含三个block：

int main(){ //block 0
    int i = 0;
    if (i<10){ //block 1
        for (int j=0;j<10;j++){ //block 2
        }
    }
    return 0;
}

类似的，在下列 Paddle 的 Program 包含3段block：

import paddle.fluid as fluid  # block 0
 
limit = fluid.layers.fill_constant_batch_size_like(
    input=label, dtype='int64', shape=[1], value=5.0)
cond = fluid.layers.less_than(x=label, y=limit)
 
ie = fluid.layers.IfElse(cond)
with ie.true_block(): # block 1
    true_image = ie.input(image)
    hidden = fluid.layers.fc(input=true_image, size=100, act='tanh')
    prob = fluid.layers.fc(input=hidden, size=10, act='softmax')
    ie.output(prob)
 
with ie.false_block(): # block 2
    false_image = ie.input(image)
    hidden = fluid.layers.fc(
        input=false_image, size=200, act='tanh')
    prob = fluid.layers.fc(input=hidden, size=10, act='softmax')
    ie.output(prob)
 
prob = ie()

BlockDesc and ProgramDesc

用户描述的block与program信息在Paddle中以protobuf 格式保存，所有的protobuf信息被定义在framework.proto中，在Paddle中被称为BlockDesc和ProgramDesc。ProgramDesc和BlockDesc的概念类似于一个抽象语法树。

BlockDesc中包含本地变量的定义 vars，和一系列的operatorops：

message BlockDesc {
  required int32 idx = 1;
  required int32 parent_idx = 2;
  repeated VarDesc vars = 3;
  repeated OpDesc ops = 4;
}

parent_idx表示父块，因此block中的操作符可以引用本地定义的变量，也可以引用祖先块中定义的变量。

Program 中的每层 block 都被压平并存储在数组中。blocks ID是这个数组中块的索引。

message ProgramDesc {
  repeated BlockDesc blocks = 1;
}

使用Blocks的Operator

Programs and Blocks的例子中，IfElseOp这个Operator包含了两个block——true分支和false分支。

下述OpDesc的定义过程描述了一个operator可以包含哪些属性：

message OpDesc {
  AttrDesc attrs = 1;
  ...
}

属性可以是block的类型，实际上就是上面描述的block ID:

message AttrDesc {
  required string name = 1;
 
  enum AttrType {
    INT = 1,
    STRING = 2,
    ...
    BLOCK = ...
  }
  required AttrType type = 2;
 
  optional int32 block = 10; // when type == BLOCK
  ...
}

3. Executor设计思想

Executor 在运行时将接受一个ProgramDesc、一个block_id和一个Scope。ProgramDesc是block的列表，每一项包含block中所有参数和operator的protobuf定义；block_id指定入口块；Scope是所有变量实例的容器。

其中 Scope 包含了 name 与 Variable 的映射，所有变量都被定义在 Scope 里。大部分API会默认使用 global_scope ，例如 Executor.run ，您也可以指定网络运行在某个特定的 Scope 中，一个网络可以在不同的 Scope内运行，并在该 Scope 内更新不同的 Variable。

完成的编译执行的具体过程如下图所示：

Executor 为每一个block创建一个Scope，Block是可嵌套的，因此Scope也是可嵌套的。
创建所有Scope中的变量。
创建并执行所有operator。

Executor的C++实现代码如下：

class Executor{
    public:
        void Run(const ProgramDesc& pdesc,
                Scope* scope,
                int block_id) {
            auto& block = pdesc.Block(block_id);
 
            //创建所有变量
            for (auto& var : block.AllVars())
                scope->Var(Var->Name());
            }
 
            //创建OP并执行
            for (auto& op_desc : block.AllOps()){
                auto op = CreateOp(*op_desc);
                op->Run(*local_scope, place_);
            }
        }；

创建Executor

Paddle中使用fluid.Executor(place)创建Executor，place属性由用户定义，代表程序将在哪里执行。

下例代码表示创建一个Executor，其运行场所在CPU内：

cpu=fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(cpu)

运行Executor

Paddle使用Executor.run来运行程序。定义中通过Feed映射获取数据，通过fetch_list获取结果：

...
x = numpy.random.random(size=(10, 1)).astype('float32')
outs = exe.run(
    feed={'X': x},
    fetch_list=[loss.name])

代码实例

本节通过编程指南中简单的线性回归例子，为您介绍上述内容如何在代码中实现。

定义Program

您可以随意定义自己的数据和网络结构，定义的结果都将作为一段 Program 被 Paddle 接收，Program 的基本结构是一些 blocks，本节的 Program 仅包含一个 block 0：

#加载函数库
import paddle.fluid as fluid #block 0
import numpy
 
#定义数据
train_data=numpy.array([[1.0],[2.0],[3.0],[4.0]]).astype('float32')
y_true = numpy.array([[2.0],[4.0],[6.0],[8.0]]).astype('float32')
#定义网络
x = fluid.data(name="x",shape=[None, 1],dtype='float32')
y = fluid.data(name="y",shape=[None, 1],dtype='float32')
y_predict = fluid.layers.fc(input=x,size=1,act=None)
#定义损失函数
cost = fluid.layers.square_error_cost(input=y_predict,label=y)
avg_cost = fluid.layers.mean(cost)
#定义优化方法
sgd_optimizer = fluid.optimizer.SGD(learning_rate=0.01)
sgd_optimizer.minimize(avg_cost)

完成上述定义，也就是完成了 fluid.default_main_program 的构建过程，fluid.default_main_program 中承载着神经网络模型，前向反向计算，以及优化算法对网络中可学习参数的更新。

此时可以输出这段 Program 观察定义好的网络形态：

print(fluid.default_main_program().to_string(True))

完整ProgramDesc可以在本地查看，本次仅节选前三个变量的结果如下：

blocks {
  idx: 0
  parent_idx: -1
  vars {
    name: "mean_1.tmp_0"
    type {
      type: LOD_TENSOR
      lod_tensor {
        tensor {
          data_type: FP32
          dims: 1
        }
      }
    }
    persistable: false
  }
  vars {
    name: "square_error_cost_1.tmp_1"
    type {
      type: LOD_TENSOR
      lod_tensor {
        tensor {
          data_type: FP32
          dims: -1
          dims: 1
        }
        lod_level: 0
      }
    }
    persistable: false
  }
  vars {
    name: "square_error_cost_1.tmp_0"
    type {
      type: LOD_TENSOR
      lod_tensor {
        tensor {
          data_type: FP32
          dims: -1
          dims: 1
        }
        lod_level: 0
      }
    }
    persistable: false
    ...

从输出结果中可以看到，整个定义过程在框架内部转化为了一段ProgramDesc，以block idx为索引。本次线性回归模型中仅有1个block，ProgramDesc中也仅有block 0一段BlockDesc。

BlockDesc中包含定义的 vars 和一系列的 ops，以输入x为例，python代码中定义 x 是一个数据类型为"float32"的1维数据：

x = fluid.data(name="x",shape=[None, 1],dtype='float32')

在BlockDesc中，变量x被描述为：

vars {
    name: "x"
    type {
      type: LOD_TENSOR
      lod_tensor {
        tensor {
          data_type: FP32
          dims: -1
          dims: 1
        }
        lod_level: 0
      }
    }
    persistable: false

在Paddle中所有的数据类型都为LoD-Tensor，对于不存在序列信息的数据（如此处的变量X），其lod_level=0。

dims表示数据的维度，这里表示 x 的维度为[-1,1]，其中-1是batch的维度，无法确定具体数值时，Paddle 自动用 -1 占位。

参数persistable表示该变量在整个训练过程中是否为持久化变量。

创建Executor

Paddle使用Executor来执行网络训练，Executor运行细节请参考Executor设计思想的介绍。作为使用者，实际并不需要了解内部机制。

创建Executor只需调用 fluid.Executor(place) 即可，在此之前请您依据训练场所定义place变量：

 #在CPU内执行训练
 cpu = fluid.CPUPlace()
 #创建Executor
 exe = fluid.Executor(cpu)

运行Executor

Paddle使用Executor.run来运行一段Program。

正式进行网络训练前，需先执行参数初始化。其中 defalut_startup_program 中定义了模型参数初始化、优化器参数初始化、reader初始化等各种操作。

 #参数初始化
 exe.run(fluid.default_startup_program())

由于传入数据与传出数据存在多列，因此 Paddle 通过 feed 映射定义数据的传输数据，通过 fetch_list 取出期望结果：

#开始训练
 outs = exe.run(
     feed={'x':train_data,'y':y_true},
     fetch_list=[y_predict.name,avg_cost.name])

上述代码段中定义了train_data传入x变量，y_true传入y变量，输出y的预测值和最后一轮cost值。

输出结果为：

[array([[1.5248038],
       [3.0496075],
       [4.5744114],
       [6.099215 ]], dtype=float32), array([1.6935859], dtype=float32)]

至此您已经了解了Paddle内部的执行流程的核心概念，更多框架使用细节请参考使用指南相关内容，模型库中也为您提供了丰富的模型示例以供参考。