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Dive into TensorFlow系列（2）- 解析TF核心抽象op算子

作者：京東雲

本文作者：李傑

TF計算圖從邏輯層來講，由op與tensor構成。op是項點代表計算單元，tensor是邊代表op之間流動的資料内容，兩者配合以資料流圖的形式來表達計算圖。那麼op對應的實體層實作是什麼？TF中有哪些op，以及各自的适用場景是什麼？op到底是如何運作的？接下來讓我們一起探索和回答這些問題。

一、初識op

1.1 op定義

op代表計算圖中的節點，是tf.Operation對象，代表一個計算單元。使用者在建立模型和訓練代碼時，會建立一系列op及其依賴關系，并将這些op和依賴添加到tf.Graph對象中（一般為預設圖）。比如：tf.matmul()就是一個op，它有兩個輸入tensor和一個輸出tensor。

1.2 op分類

op的分類一般有多個視角，比如按是否内置劃分、按工作類型劃分。

按是否内置劃分，一般分為：内置op和自定義op（見“二、自定義op”部分介紹）。

按工作類型劃分，一般分為：常見數學op、數組op、矩陣op、有狀态op、神經網絡op、檢查點op、隊列與同步op、控制流op。TF白皮書對内置op的分類總結如下：

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1.3 op與kernel

op一般都有名稱且代表一個抽象的計算過程。op可以設定若幹屬性，但這些屬性必須在編譯期提供或推理得到，因為它們用來執行個體化一個節點對象進而執行真正的計算。屬性的經典用法就是拿來支援類型多态，比如兩個浮點張量的矩陣乘法與兩個整型張量的矩陣乘法。

kernel是op在指定裝置類型（CPU/GPU）上的具體實作。TF二進制庫通過注冊機制定義了一系列op及對應的kernel實作，使用者可以提供額外的op定義與kernel實作進行擴充。一般來說，一個op對應多個kernel實作。

接下來讓我們一起用矩陣乘法MatMul算子的相關代碼來了解op與kernel的關系（此處不必糾結代碼細節，隻需體會op與kernel關系即可）：

// 首先給出op注冊的定義。其中輸入輸出支援泛型，其合法類型在Attr中進行枚舉。
// 代碼位置 tensorflow1.15.5\tensorflow\core\ops\math_ops.cc
REGISTER_OP("MatMul")
    .Input("a: T")
    .Input("b: T")
    .Output("product: T")
    .Attr("transpose_a: bool = false")
    .Attr("transpose_b: bool = false")
    .Attr(
        "T: {bfloat16, half, float, double, int32, int64, complex64, "
        "complex128}")
    .SetShapeFn(shape_inference::MatMulShape);
    
// MatMul的實作，采用類模闆機制
// 代碼位置 tensorflow1.15.5\tensorflow\core\kernels\matmul_op.cc
template <typename Device, typename T, bool USE_CUBLAS>
class MatMulOp : public OpKernel {
  public:
    explicit MatMulOp(OpKernelConstruction* ctx)
      : OpKernel(ctx), algorithms_set_already_(false) {
      OP_REQUIRES_OK(ctx, ctx->GetAttr("transpose_a", &transpose_a_));
      OP_REQUIRES_OK(ctx, ctx->GetAttr("transpose_b", &transpose_b_));

      LaunchMatMul<Device, T, USE_CUBLAS>::GetBlasGemmAlgorithm(
        ctx, &algorithms_, &algorithms_set_already_);
      use_autotune_ = MatmulAutotuneEnable();
    }
  // 省略了很多代碼...  
  private:
    std::vector<int64> algorithms_;
    bool algorithms_set_already_;
    bool use_autotune_;
    bool transpose_a_;
    bool transpose_b_;
};

// MatMul的op定義與kernel實作綁定處理
// 代碼位置 tensorflow1.15.5\tensorflow\core\kernels\matmul_op.cc
#define REGISTER_CPU_EIGEN(T)  /*cpu與eigen組合對應實作*/                       \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                                     \
      Name("MatMul").Device(DEVICE_CPU).TypeConstraint<T>("T").Label("eigen"), \
      MatMulOp<CPUDevice, T, false /* cublas, ignored for CPU */>);

#define REGISTER_CPU(T)      /*cpu對應實作(eigen與非eigen)*/         \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                          \
      Name("MatMul").Device(DEVICE_CPU).TypeConstraint<T>("T"),     \
      MatMulOp<CPUDevice, T, false /* cublas, ignored for CPU */>); \
  REGISTER_CPU_EIGEN(T);

#define REGISTER_GPU(T)     /*gpu對應實作(cublas與非cublas)*/       \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                         \
      Name("MatMul").Device(DEVICE_GPU).TypeConstraint<T>("T"),    \
      MatMulOp<GPUDevice, T, true /* cublas, true by default */>); \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(Name("MatMul")                           \
                              .Device(DEVICE_GPU)                  \
                              .TypeConstraint<T>("T")              \
                              .Label("cublas"),                    \
                          MatMulOp<GPUDevice, T, true /* cublas */>)

二、自定義op

使用者編寫的模型訓練代碼一般由TF原生的op算子及其依賴關系組成，但有時候我們定義的計算邏輯在TF中沒有相應的op實作。根據TensorFlow官網的建議，我們應當先組合python op算子或python函數進行嘗試。完成嘗試之後再決定要不要自定義op。

2.1 自定義op場景

一般來說，需要自定義op的場景有如下3個：

•用TF原生op組合來表達新計算邏輯的過程比較複雜或不可能

•用TF原生op組合來表達新計算邏輯，其計算性能較低

•在新版編譯器中也較難實作op融合的計算邏輯需要我們手動實作融合

在此舉個例子友善大家了解。假如我們要實作一個新計算實邏：中位數池化（median pooling），過程中要在滑動視窗不斷求得中位數。檢索TF文檔沒有發現對應op，是以我們先考慮用TF python op組合來實作它，果然通過ExtractImagePatches and TopK就可以實作這個功能。經測試前述組合方案并不是計算和存儲高效的，是以我們就有必要将median pooling在一個op中進行高效實作。

2.2 自定義op流程

自定義op一般遵循5個基本步驟：

1.注冊op，具體包括：指定名稱、輸入/輸出聲明、形狀函數。

2.定義kernel（即op的實作）并與op綁定。一個op有多個kernel實作，具體由輸入輸出類型、硬體（CPU、GPU）決定。

3.建立python包裝器，一般由op注冊機制自動完成。

4.編寫op的梯度計算函數（可選項）。

5.測試op，通過python測試較為友善，當然也可通過C++進行測試。

接下來我們就以官網最簡單的ZeroOut同步式自定義op（繼承OpKernel）為例，結合代碼來講述上述5個步驟。下面先給出步驟1和步驟2用C++實作的代碼（官方推薦用bazel編譯so檔案）：

// 步驟1：注冊op
REGISTER_OP("ZeroOut")
.Input("to_zero: int32")
.Output("zeroed: int32")
.SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
    c->set_output(0, c->input(0));    //c's input and output type is std::vector<ShapeHandle>
    return Status::OK();
    });

// 步驟2：定義kernel（正常CPU裝置）,并把kernel與op綁定
class ZeroOutOp : public OpKernel {
public:
    explicit ZeroOutOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {}

    void Compute(OpKernelContext* context) override {
        // Grab the input tensor from OpKernelContext instance
        const Tensor& input_tensor = context->input(0); 
        auto input = input_tensor.flat<int32>();

        // Create an output tensor
        Tensor* output_tensor = NULL;
        OP_REQUIRES_OK(context, context->allocate_output(0, input_tensor.shape(),
            &output_tensor));    // OP_REQUIRES_OK第二個參數一般為方法調用,此處為輸出張量配置設定記憶體空間
        auto output_flat = output_tensor->flat<int32>();

        // Set all but the first element of the output tensor to 0.
        const int N = input.size();
        for (int i = 1; i < N; i++) {
            output_flat(i) = 0;
        }

        // Preserve the first input value if possible.
        if (N > 0) output_flat(0) = input(0);
    }
};

REGISTER_KERNEL_BUILDER(Name("ZeroOut").Device(DEVICE_CPU), ZeroOutOp);

步驟3加載上述so檔案（自動完成前後端op映射）；步驟4是可選項，此處不需要；步驟5基于python api測試op功能。相應代碼如下：

import tensorflow as tf
zero_out_module = tf.load_op_library('./zero_out.so')    # 加載so檔案生成python module
with tf.Session(''):
  zero_out_module.zero_out([[1, 2], [3, 4]]).eval()

# Prints
array([[1, 0], [0, 0]], dtype=int32)

2.3 進階話題

關于op的技術話題還有很多，我們在此簡述一些要點：

1.如果實作了一個多線程CPU kernel，則可以利用work_sharder.h中的Shard函數。

2.大多數op以同步方式工作，隻需繼承OpKernel改寫Compute()方法，且此方法必須線程安全。

3.如果一個op因為其它op的運作而阻塞，則這個op可以采用異步方式工作，繼承AsyncOpKernel改寫ComputeAsync()方法，且此方法必須線程安全。異步op最經典的例子就是跨裝置通信send/recv pair中的RecvOp。

4.如果要為op配置一些靜态屬性，可使用Attr，它有一套特有的支援類型。典型應用是支援泛型。

5.實作GPU kernel有兩部分内容：OpKernel和CUDA kernel，相應的加載代碼。

6.編譯自定義op，首先要配置頭檔案搜尋路徑與庫檔案搜尋路徑，接着指定編譯和連結選項，最後還要確定ABI相容性。

7.Resource（資源）代表相同裝置上op共享的内容，比如：張量值、kv存儲表、隊列、讀取器、網絡連接配接等。代表資源的類必須繼承ResourceBase，然後注冊ResourceHandleOp生成資源句柄，普通op以resouce類型的Input進行引入。

三、op工作原理

3.1 op運作架構

整體來看，op與kernel都有其結構描述與統一的注冊管理中心。而OpDefBuilder有兩個包裝類OpDefBuilderWrapper和OpDefBuilderReceiver，前者支援op建構的鍊式文法，後者接受op建構結果并進行注冊。衆所周知，op是編譯期概念，而kernel是運作期概念，在AI編譯器的後端處理流程中會進行op的算子選擇，此過程會基于一系列政策為op比對最合适的kernel實作。

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3.2 若幹技術細節

首先，我們來看一下大家在使用TensorFlow過程中經常碰到的libtensorflow_framework.so。按照tf1.15.5/tensorflow/BUILD中的描述，libtensorflow_framework.so定義了op和kernel的注冊機制而不涉及具體實作。

// rootdir=tensorflow1.15.5
// ${rootdir}/tensorflow/BUILD
/*
# A shared object which includes registration mechanisms for ops and
# kernels. Does not include the implementations of any ops or kernels. Instead,
# the library which loads libtensorflow_framework.so
# (e.g. _pywrap_tensorflow_internal.so for Python, libtensorflow.so for the C
# API) is responsible for registering ops with libtensorflow_framework.so. In
# addition to this core set of ops, user libraries which are loaded (via
# TF_LoadLibrary/tf.load_op_library) register their ops and kernels with this
# shared object directly.
*/
tf_cc_shared_object(
    name = "tensorflow_framework",
    framework_so = [],
    linkopts = select({
        "//tensorflow:macos": [],
        "//tensorflow:windows": [],
        "//tensorflow:freebsd": [
            "-Wl,--version-script,$(location //tensorflow:tf_framework_version_script.lds)",
            "-lexecinfo",
        ],
        "//conditions:default": [
            "-Wl,--version-script,$(location //tensorflow:tf_framework_version_script.lds)",
        ],
    }),
    linkstatic = 1,
    per_os_targets = True,
    soversion = VERSION,
    visibility = ["//visibility:public"],
    deps = [
        "//tensorflow/cc/saved_model:loader_lite_impl",
        "//tensorflow/core:core_cpu_impl",
        "//tensorflow/core:framework_internal_impl",    /* 展開此target進行檢視 */
        "//tensorflow/core:gpu_runtime_impl",
        "//tensorflow/core/grappler/optimizers:custom_graph_optimizer_registry_impl",
        "//tensorflow/core:lib_internal_impl",
        "//tensorflow/stream_executor:stream_executor_impl",
        "//tensorflow:tf_framework_version_script.lds",
    ] + tf_additional_binary_deps(),
)

// ${rootdir}/tensorflow/core/BUILD
tf_cuda_library(
    name = "framework_internal_impl",
    srcs = FRAMEWORK_INTERNAL_PRIVATE_HEADERS + glob(   // 可以檢視FRAMEWORK_INTERNAL_PRIVATE_HEADERS内容
        [
            "example/**/*.cc",
            "framework/**/*.cc",
            "util/**/*.cc",
            "graph/edgeset.cc",
            "graph/graph.cc",
            "graph/graph_def_builder.cc",
            "graph/node_builder.cc",
            "graph/tensor_id.cc",
            "graph/while_context.h",
            "graph/while_context.cc",
        ],
    // 省略了諸多代碼
)

// FRAMEWORK_INTERNAL_PRIVATE_HEADERS的内容
FRAMEWORK_INTERNAL_PRIVATE_HEADERS =  [
    "graph/edgeset.h",
    "graph/graph.h",
    "graph/graph_def_builder.h",
    "graph/node_builder.h",
    "graph/tensor_id.h",
] + glob(
    [
        "example/**/*.h",
        "framework/**/*.h",   // 這裡就是重點，檢視${rootdir}/tensorflow/core/framework/op.h和opkernel.h
        "util/**/*.h",
    ]
) 

// 先來看op.h
#define REGISTER_OP(name) REGISTER_OP_UNIQ_HELPER(__COUNTER__, name)
#define REGISTER_OP_UNIQ_HELPER(ctr, name) REGISTER_OP_UNIQ(ctr, name)
#define REGISTER_OP_UNIQ(ctr, name)                                          \
  static ::tensorflow::register_op::OpDefBuilderReceiver register_op##ctr    \
      TF_ATTRIBUTE_UNUSED =                                                  \
          ::tensorflow::register_op::OpDefBuilderWrapper<SHOULD_REGISTER_OP( \
              name)>(name)
              
// 再來看看opkernel.h
#define REGISTER_KERNEL_BUILDER(kernel_builder, ...) \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER_UNIQ_HELPER(__COUNTER__, kernel_builder, __VA_ARGS__)

#define REGISTER_KERNEL_BUILDER_UNIQ_HELPER(ctr, kernel_builder, ...) \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER_UNIQ(ctr, kernel_builder, __VA_ARGS__)

#define REGISTER_KERNEL_BUILDER_UNIQ(ctr, kernel_builder, ...)        \
  constexpr bool should_register_##ctr##__flag =                      \
      SHOULD_REGISTER_OP_KERNEL(#__VA_ARGS__);                        \
  static ::tensorflow::kernel_factory::OpKernelRegistrar              \
      registrar__body__##ctr##__object(                               \
          should_register_##ctr##__flag                               \
              ? ::tensorflow::register_kernel::kernel_builder.Build() \
              : nullptr,                                              \
          #__VA_ARGS__,                                               \
          [](::tensorflow::OpKernelConstruction* context)             \
              -> ::tensorflow::OpKernel* {                            \
            return new __VA_ARGS__(context);                          \
          });

參照上述同樣的流程，我們可以發現libtensorflow.so中涉及op與kernel的具體實作，同時也包括Session的具體實作。

最後，我們再來講講REGISTER_OP宏背後的具體原理。我們在上面已經給出了此宏的定義，此處針對它的實作展開談談：

// 先來看op.h
#define REGISTER_OP(name) REGISTER_OP_UNIQ_HELPER(__COUNTER__, name)
#define REGISTER_OP_UNIQ_HELPER(ctr, name) REGISTER_OP_UNIQ(ctr, name)
#define REGISTER_OP_UNIQ(ctr, name)                                          \
  static ::tensorflow::register_op::OpDefBuilderReceiver register_op##ctr    \
      TF_ATTRIBUTE_UNUSED =                                                  \
          ::tensorflow::register_op::OpDefBuilderWrapper<SHOULD_REGISTER_OP( \
              name)>(name)

// REGISTER_OP的一般用法如下
REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Input("to_zero: int32")
    .Output("zeroed: int32")
    .SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
      c->set_output(0, c->input(0));
      return Status::OK();
    });

// op定義的鍊式規則是通過OpDefBuilderWrapper類實作的
class OpDefBuilderWrapper<true> {
 public:
  explicit OpDefBuilderWrapper(const char name[]) : builder_(name) {}

  OpDefBuilderWrapper<true>& Input(string spec) {
    builder_.Input(std::move(spec));
    return *this;                        // 顯而易見，調用Input仍然傳回OpDefBuilderWrapper<true>本身
  }
  OpDefBuilderWrapper<true>& Output(string spec) {
    builder_.Output(std::move(spec));
    return *this;
  }

  OpDefBuilderWrapper<true>& SetShapeFn(
      Status (*fn)(shape_inference::InferenceContext*)) {
    builder_.SetShapeFn(fn);
    return *this;
  }
  const ::tensorflow::OpDefBuilder& builder() const { return builder_; }

 private:
  mutable ::tensorflow::OpDefBuilder builder_;
};

// 當通過鍊式規劃建構好op後，再通過OpDefBuilderReceiver完成op的注冊
// op.h
struct OpDefBuilderReceiver {
  // To call OpRegistry::Global()->Register(...), used by the
  // REGISTER_OP macro below.
  // Note: These are implicitly converting constructors.
  OpDefBuilderReceiver(
      const OpDefBuilderWrapper<true>& wrapper);  // NOLINT(runtime/explicit)
  constexpr OpDefBuilderReceiver(const OpDefBuilderWrapper<false>&) {
  }  // NOLINT(runtime/explicit)
};

// op.cc，然後在OpDefBuilderReceiver構造函數内部完成OpDefBuilderWrapper的全局注冊
OpDefBuilderReceiver::OpDefBuilderReceiver(
    const OpDefBuilderWrapper<true>& wrapper) {
  OpRegistry::Global()->Register(
      [wrapper](OpRegistrationData* op_reg_data) -> Status {
        return wrapper.builder().Finalize(op_reg_data);
      });
}

四、總結

本文為大家系統講解了TensorFlow的核心抽象op及其kernel實作。需要自定義op的具體場景，以及op的運作架構及若幹技術細節。讀罷此文，讀者應該有如下幾點收獲：

•TensorFlow中op是編譯期概念，kernel是運作期概念，兩者各自的定義與注冊方式，以及相應的映射邏輯。

•掌握TensorFlow的高階玩法：自定義op。這将使你之前工作的不可能變為可能，由低效轉化為高效。

•掌握op與kernel注冊的宏定義來自何方，以及宏定義背後具體的運作架構。

參考資料

1.《TensorFlow: Large-Scale Machine Learning on Heterogeneous Distributed Systems》： https://arxiv.org/abs/1603.04467

2.Graphs and Sessions： https://github.com/tensorflow/docs/blob/master/site/en/r1/guide/graphs.md

3.Adding a New Op： https://github.com/tensorflow/docs/blob/master/site/en/r1/guide/extend/op.md

4.跨裝置通信send/recv： https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/core/kernels/sendrecv_ops.h

5.OpKernel definition： https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/core/framework/op_kernel.h

6.tensorflow源碼解析之framework-resource： https://www.cnblogs.com/jicanghai/p/9535504.html

7.tensorflow源碼解析之framework-op： https://www.cnblogs.com/jicanghai/p/9539513.html

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