远程引用协议¶
本说明介绍了远程引用协议的设计细节，并逐步介绍了不同场景下的消息流。在继续之前，请确保您熟悉分布式 RPC 框架。
背景¶
RRef 代表远程引用。它是位于本地或远程工作器上的对象的引用，并在后台透明地处理引用计数。从概念上讲，它可以被视为一个分布式共享指针。应用程序可以通过调用 remote() 来创建一个 RRef。每个 RRef 都由 remote() 调用的被调用工作器拥有（即，所有者），并且可以被多个用户使用。所有者存储实际数据并跟踪全局引用计数。每个 RRef 都可以由全局 RRefId 唯一标识，该标识是在 remote() 调用者的创建时分配的。
在所有者工作器上，只有一个 OwnerRRef 实例，其中包含实际数据，而在用户工作器上，可以有尽可能多的 UserRRefs，并且 UserRRef 不保存数据。所有者上的所有使用都将使用全局唯一的 RRefId 检索唯一的 OwnerRRef 实例。当 rpc_sync()、rpc_async() 或 remote() 调用中使用 RRef 作为参数或返回值时，将创建一个 UserRRef，并且所有者将根据需要更新引用计数而收到通知。当全局没有 UserRRef 实例并且所有者也没有对 OwnerRRef 的引用时，OwnerRRef 及其数据将被删除。
假设¶
RRef 协议是在以下假设下设计的。
瞬时网络故障: RRef 设计通过重试消息来处理瞬时网络故障。它无法处理节点崩溃或永久网络分区。当发生这些事件时，应用程序应关闭所有工作器，恢复到之前的检查点，并恢复训练。
非幂等 UDF: 我们假设提供给
rpc_sync()、rpc_async()或remote()的用户函数 (UDF) 不是幂等的，因此无法重试。但是，内部 RRef 控制消息是幂等的，并在消息失败时重试。乱序消息传递: 我们不假设任何一对节点之间的消息传递顺序，因为发送方和接收方都在使用多个线程。无法保证哪条消息将首先被处理。
RRef 生命周期¶
该协议的目标是在适当的时候删除 OwnerRRef。删除 OwnerRRef 的最佳时机是当没有活动 UserRRef 实例且用户代码也不持有对 OwnerRRef 的引用时。棘手的是确定是否还有活动 UserRRef 实例。
设计推理¶
用户可以在三种情况下获得 UserRRef
从所有者接收
UserRRef。从另一个用户接收
UserRRef。创建由另一个工作器拥有的新
UserRRef。
情况 1 是最简单的，所有者将它的 RRef 传递给用户，所有者调用 rpc_sync()、rpc_async() 或 remote() 并使用它的 RRef 作为参数。在这种情况下，用户上将创建一个新的 UserRRef。由于所有者是调用者，它可以轻松地更新 OwnerRRef 上的本地引用计数。
唯一的需求是，任何 UserRRef 必须在销毁时通知所有者。因此，我们需要第一个保证
G1. 所有者将在任何 UserRRef 被删除时收到通知。
由于消息可能会延迟或乱序到达，我们需要另一个保证来确保删除消息不会过早地处理。如果 A 向 B 发送一条涉及 RRef 的消息，我们调用 A 上的 RRef（父 RRef）和 B 上的 RRef（子 RRef）。
G2. 父 RRef 不会在子 RRef 被所有者确认之前被删除。
在情况 2 和 3 中，所有者可能对 RRef 分叉图只有部分了解，或者完全没有了解。例如，RRef 可能在用户上构建，在所有者收到任何 RPC 调用之前，创建者用户可能已经将 RRef 与其他用户共享，并且这些用户可能会进一步共享 RRef。一个不变式是，任何 RRef 的分叉图始终是一棵树，因为分叉 RRef 始终在被调用方上创建一个新的 UserRRef 实例（除非被调用方是所有者），因此每个 RRef 只有一个父节点。
所有者对树中任何 UserRRef 的看法有三个阶段
1) unknown -> 2) known -> 3) deleted.
所有者对整个树的看法一直在变化。所有者在认为没有活着的 UserRRef 实例时删除它的 OwnerRRef 实例，即，当 OwnerRRef 被删除时，所有 UserRRef 实例可能确实被删除，也可能未知。危险的情况是一些分叉是未知的，而另一些则被删除。
G2 微不足道地保证在所有者知道其所有子 UserRRef 实例之前，不会删除任何父 UserRRef。但是，子 UserRRef 可能会在所有者知道其父 UserRRef 之前被删除。
考虑以下示例，其中 OwnerRRef 分叉到 A，然后 A 分叉到 Y，Y 分叉到 Z
OwnerRRef -> A -> Y -> Z
如果 Z 的所有消息（包括删除消息）都在 Y 的消息之前由所有者处理，那么所有者将在知道 Y 存在之前得知 Z 的删除。但是，这不会造成任何问题。因为，Y 的至少一个祖先（A）将是活着的，它将阻止所有者删除 OwnerRRef。更具体地说，如果所有者不知道 Y，则由于 G2，A 不能被删除，并且所有者知道 A，因为它是 A 的父节点。
如果 RRef 在用户上创建，事情会变得稍微复杂一些
OwnerRRef
^
|
A -> Y -> Z
如果 Z 在 UserRRef 上调用 to_here()，那么至少在 Z 被删除时，所有者知道 A，因为否则，to_here() 不会完成。如果 Z 没有调用 to_here()，则所有者可能在收到来自 A 和 Y 的任何消息之前收到来自 Z 的所有消息。在这种情况下，由于 OwnerRRef 的实际数据尚未创建，因此也没有任何内容要删除。这与 Z 根本不存在相同。因此，这仍然是可以的。
实现¶
G1 是通过在 UserRRef 析构函数中发送删除消息来实现的。为了提供 G2，父 UserRRef 在分叉时被放入一个上下文中，并根据新的 ForkId 进行索引。只有在收到来自子节点的确认消息（ACK）时，父 UserRRef 才会从上下文中删除，而子节点只有在被所有者确认后才会发送 ACK。
协议场景¶
现在让我们讨论上述设计如何在四种场景中转化为协议。
用户将 RRef 与所有者共享作为返回值¶
import torch
import torch.distributed.rpc as rpc
# on worker A
rref = rpc.remote('B', torch.add, args=(torch.ones(2), 1))
# say the rref has RRefId 100 and ForkId 1
rref.to_here()
在这种情况下，UserRRef 在用户工作程序 A 上创建，然后它与远程消息一起传递给所有者工作程序 B，然后 B 创建 OwnerRRef。remote() 立即返回，这意味着 UserRRef 可以分叉/使用，而所有者对此一无所知。
在所有者上，当收到 remote() 调用时，它将创建 OwnerRRef 并返回一个 ACK 来确认 {100, 1} (RRefId, ForkId)。只有在收到此 ACK 后，A 才能删除它的 UserRRef。这涉及 G1 和 G2。G1 是显而易见的。对于 G2，OwnerRRef 是 UserRRef 的子节点，并且 UserRRef 在收到来自所有者的 ACK 之前不会被删除。
上面的图表显示了消息流，其中实线箭头包含用户函数，虚线箭头是内置消息。请注意，来自 A 到 B 的前两条消息（remote() 和 to_here()）可能以任何顺序到达 B，但最终的删除消息只有在以下情况下才会发送：
B 确认
UserRRef {100, 1}(G2)，并且Python GC 同意删除本地
UserRRef实例。这发生在 RRef 不再在范围内并且符合垃圾收集条件时。
用户将 RRef 与所有者共享作为参数¶
import torch
import torch.distributed.rpc as rpc
# on worker A and worker B
def func(rref):
pass
# on worker A
rref = rpc.remote('B', torch.add, args=(torch.ones(2), 1))
# say the rref has RRefId 100 and ForkId 1
rpc.rpc_async('B', func, args=(rref, ))
在这种情况下，在 A 上创建 UserRRef 后，A 在后续的 RPC 调用到 B 时使用它作为参数。A 将保持 UserRRef {100, 1} 存活，直到它收到来自 B 的确认（G2，而不是 RPC 调用的返回值）。这是必要的，因为 A 不应该在收到所有先前消息之前发送删除消息，否则，OwnerRRef 可能在使用之前被删除，因为我们不保证消息传递顺序。这是通过创建 RRef 的子 ForkId、将它们保存在一个映射中，直到收到所有者确认子 ForkId 来完成的。下图显示了消息流。
请注意，UserRRef 可能在 func 完成甚至开始之前在 B 上被删除。但是，这没关系，因为在 B 发送子 ForkId 的 ACK 时，它已经获取了 OwnerRRef 实例，这将阻止它过早地被删除。
所有者将 RRef 与用户共享¶
所有者到用户是最简单的案例，所有者可以在本地更新引用计数，并且不需要任何额外的控制消息来通知其他人。关于 G2，它与父节点立即收到来自所有者的 ACK 相同，因为父节点是所有者。
import torch
import torch.distributed.rpc as RRef, rpc
# on worker B and worker C
def func(rref):
pass
# on worker B, creating a local RRef
rref = RRef("data")
# say the rref has RRefId 100
dist.rpc_async('C', func, args=(rref, ))
上图显示了消息流。请注意，当 OwnerRRef 在 rpc_async 调用后退出作用域时，它不会被删除，因为内部有一个映射来保持它的存活，如果存在任何已知分叉，在这种情况下是 UserRRef {100, 1}。（G2）
用户将 RRef 与用户共享¶
这是最复杂的案例，其中调用者用户（父 UserRRef）、被调用者用户（子 UserRRef）和所有者都需要参与。
import torch
import torch.distributed.rpc as rpc
# on worker A and worker C
def func(rref):
pass
# on worker A
rref = rpc.remote('B', torch.add, args=(torch.ones(2), 1))
# say the rref has RRefId 100 and ForkId 1
rpc.rpc_async('C', func, args=(rref, ))
当 C 从 A 接收子 UserRRef 时，它向所有者 B 发送一个分叉请求。稍后，当 B 确认 C 上的 UserRRef 时，C 将并行执行两个操作：1) 向 A 发送子 ACK，以及 2) 运行用户提供的函数。在此期间，父节点 (A) 将保持其 UserRRef {100, 1} 存活以实现 G2。
