TorchScript 中的动态并行

创建日期：2020 年 7 月 28 日 | 最后更新：2024 年 12 月 02 日 | 最后验证：2024 年 11 月 05 日

警告

TorchScript 不再积极开发中。

在本教程中，我们介绍在 TorchScript 中进行动态操作间并行的语法。这种并行具有以下特性：

• 动态 - 创建的并行任务数量及其工作负载取决于程序的控制流。

• 操作间 (inter-op) - 这种并行涉及并行运行 TorchScript 程序片段。这与操作内并行 (intra-op parallelism) 不同，后者涉及将单个运算符拆分并并行运行运算符的部分工作。

基本语法

动态并行的两个重要 API 是：

• torch.jit.fork(fn : Callable[..., T], *args, **kwargs) -> torch.jit.Future[T]

• torch.jit.wait(fut : torch.jit.Future[T]) -> T

展示它们如何工作的好方法是举例说明：

import torch

def foo(x):
    return torch.neg(x)

@torch.jit.script
def example(x):
    # Call `foo` using parallelism:
    # First, we "fork" off a task. This task will run `foo` with argument `x`
    future = torch.jit.fork(foo, x)

    # Call `foo` normally
    x_normal = foo(x)

    # Second, we "wait" on the task. Since the task may be running in
    # parallel, we have to "wait" for its result to become available.
    # Notice that by having lines of code between the "fork()" and "wait()"
    # call for a given Future, we can overlap computations so that they
    # run in parallel.
    x_parallel = torch.jit.wait(future)

    return x_normal, x_parallel

print(example(torch.ones(1))) # (-1., -1.)

fork() 接受可调用对象 fn 以及该可调用对象的参数 args 和 kwargs，并为 fn 的执行创建一个异步任务。fn 可以是函数、方法或 Module 实例。fork() 返回对该执行结果值的引用，称为 Future。因为 fork 在创建异步任务后立即返回，所以在执行 fork() 调用之后的代码行时，fn 可能尚未执行。因此，使用 wait() 等待异步任务完成并返回值。

这些构造可用于重叠函数内语句的执行（如工作示例部分所示），或与循环等其他语言构造结合使用

import torch
from typing import List

def foo(x):
    return torch.neg(x)

@torch.jit.script
def example(x):
    futures : List[torch.jit.Future[torch.Tensor]] = []
    for _ in range(100):
        futures.append(torch.jit.fork(foo, x))

    results = []
    for future in futures:
        results.append(torch.jit.wait(future))

    return torch.sum(torch.stack(results))

print(example(torch.ones([])))

注意

当我们初始化一个空的 Future 列表时，需要为 futures 添加显式的类型注解。在 TorchScript 中，空容器默认假定它们包含 Tensor 值，因此我们将列表构造函数 # 注解为 List[torch.jit.Future[torch.Tensor]] 类型

此示例使用 fork() 启动函数 foo 的 100 个实例，等待这 100 个任务完成，然后对结果求和，返回 -100.0。

应用示例：双向 LSTM 集成

让我们尝试将并行应用于一个更实际的示例，看看能从中获得什么样的性能。首先，我们定义基线模型：一个由双向 LSTM 层组成的集成模型。

import torch, time

# In RNN parlance, the dimensions we care about are:
# # of time-steps (T)
# Batch size (B)
# Hidden size/number of "channels" (C)
T, B, C = 50, 50, 1024

# A module that defines a single "bidirectional LSTM". This is simply two
# LSTMs applied to the same sequence, but one in reverse
class BidirectionalRecurrentLSTM(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.cell_f = torch.nn.LSTM(input_size=C, hidden_size=C)
        self.cell_b = torch.nn.LSTM(input_size=C, hidden_size=C)

    def forward(self, x : torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        # Forward layer
        output_f, _ = self.cell_f(x)

        # Backward layer. Flip input in the time dimension (dim 0), apply the
        # layer, then flip the outputs in the time dimension
        x_rev = torch.flip(x, dims=[0])
        output_b, _ = self.cell_b(torch.flip(x, dims=[0]))
        output_b_rev = torch.flip(output_b, dims=[0])

        return torch.cat((output_f, output_b_rev), dim=2)


# An "ensemble" of `BidirectionalRecurrentLSTM` modules. The modules in the
# ensemble are run one-by-one on the same input then their results are
# stacked and summed together, returning the combined result.
class LSTMEnsemble(torch.nn.Module):
    def __init__(self, n_models):
        super().__init__()
        self.n_models = n_models
        self.models = torch.nn.ModuleList([
            BidirectionalRecurrentLSTM() for _ in range(self.n_models)])

    def forward(self, x : torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        results = []
        for model in self.models:
            results.append(model(x))
        return torch.stack(results).sum(dim=0)

# For a head-to-head comparison to what we're going to do with fork/wait, let's
# instantiate the model and compile it with TorchScript
ens = torch.jit.script(LSTMEnsemble(n_models=4))

# Normally you would pull this input out of an embedding table, but for the
# purpose of this demo let's just use random data.
x = torch.rand(T, B, C)

# Let's run the model once to warm up things like the memory allocator
ens(x)

x = torch.rand(T, B, C)

# Let's see how fast it runs!
s = time.time()
ens(x)
print('Inference took', time.time() - s, ' seconds')

在我的机器上，这个网络运行需要 2.05 秒。我们可以做得更好！

并行化前向和反向层

我们可以做一件非常简单的事情，就是在 BidirectionalRecurrentLSTM 中并行化前向和反向层。对于这种情况，计算结构是静态的，因此我们甚至不需要任何循环。我们像这样重写 BidirectionalRecurrentLSTM 的 forward 方法：

def forward(self, x : torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    # Forward layer - fork() so this can run in parallel to the backward
    # layer
    future_f = torch.jit.fork(self.cell_f, x)

    # Backward layer. Flip input in the time dimension (dim 0), apply the
    # layer, then flip the outputs in the time dimension
    x_rev = torch.flip(x, dims=[0])
    output_b, _ = self.cell_b(torch.flip(x, dims=[0]))
    output_b_rev = torch.flip(output_b, dims=[0])

    # Retrieve the output from the forward layer. Note this needs to happen
    # *after* the stuff we want to parallelize with
    output_f, _ = torch.jit.wait(future_f)

    return torch.cat((output_f, output_b_rev), dim=2)

在此示例中，forward() 将 cell_f 的执行委托给另一个线程，同时继续执行 cell_b。这使得两个 cell 的执行相互重叠。

再次运行带有此简单修改的脚本，运行时长为 1.71 秒，提升了 17%！

附注：可视化并行

我们还没有完成模型优化，但值得介绍一下我们用于可视化性能的工具。一个重要的工具是 PyTorch 性能分析器。

让我们使用性能分析器以及 Chrome 跟踪导出功能来可视化并行化模型的性能

with torch.autograd.profiler.profile() as prof:
    ens(x)
prof.export_chrome_trace('parallel.json')

这段代码片段将写入一个名为 parallel.json 的文件。如果您在 Google Chrome 中导航到 chrome://tracing，点击 Load 按钮，然后加载该 JSON 文件，您应该会看到类似以下的 timeline：

timeline 的水平轴表示时间，垂直轴表示执行线程。正如我们所见，我们一次运行两个 lstm 实例。这是我们努力并行化双向层的成果！

并行化集成模型

您可能已经注意到，我们的代码中还有进一步的并行化机会：我们还可以并行运行 LSTMEnsemble 中包含的模型。实现这一点的方法非常简单，我们应该这样修改 LSTMEnsemble 的 forward 方法：

def forward(self, x : torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    # Launch tasks for each model
    futures : List[torch.jit.Future[torch.Tensor]] = []
    for model in self.models:
        futures.append(torch.jit.fork(model, x))

    # Collect the results from the launched tasks
    results : List[torch.Tensor] = []
    for future in futures:
        results.append(torch.jit.wait(future))

    return torch.stack(results).sum(dim=0)

或者，如果您喜欢简洁，可以使用列表推导式：

def forward(self, x : torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    futures = [torch.jit.fork(model, x) for model in self.models]
    results = [torch.jit.wait(fut) for fut in futures]
    return torch.stack(results).sum(dim=0)

正如引言中所述，我们使用循环为集成中的每个模型分叉任务。然后，我们使用另一个循环等待所有任务完成。这进一步增加了计算的重叠。

通过这个小更新，脚本在 1.4 秒内运行完成，总共提速 32%！对于两行代码来说相当不错了。

我们还可以再次使用 Chrome 跟踪器来查看发生了什么：

现在我们可以看到所有 LSTM 实例都完全并行运行。

结论

在本教程中，我们学习了 fork() 和 wait()，这是在 TorchScript 中进行动态操作间并行的基本 API。我们看到了一些使用这些函数来并行化 TorchScript 代码中函数、方法或 Modules 执行的典型用法模式。最后，我们通过一个示例来使用这项技术优化模型，并探讨了 PyTorch 中可用的性能测量和可视化工具。