深度学习入门（三十五）计算性能 编译器和解释器

前言

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计算性能——编译器和解释器

教材

目前为止，主要关注的是命令式编程（imperative programming）。 命令式编程使用诸如print、“+”和if之类的语句来更改程序的状态。 考虑下面这段简单的命令式程序：

def add(a, b):
    return a + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g

print(fancy_func(1, 2, 3, 4))
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输出：

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Python是一种解释型语言（interpreted language）。因此，当对上面的fancy_func函数求值时，它按顺序执行函数体的操作。也就是说，它将通过对e = add(a, b)求值，并将结果存储为变量e，从而更改程序的状态。接下来的两个语句f = add(c, d)和g = add(e, f)也将执行类似地操作，即执行加法计算并将结果存储为变量。 下图说明了数据流。

尽管命令式编程很方便，但可能效率不高。一方面原因，Python会单独执行这三个函数的调用，而没有考虑add函数在fancy_func中被重复调用。如果在一个GPU（甚至多个GPU）上执行这些命令，那么Python解释器产生的开销可能会非常大。此外，它需要保存e和f的变量值，直到fancy_func中的所有语句都执行完毕。这是因为程序不知道在执行语句e = add(a, b)和f = add(c, d)之后，其他部分是否会使用变量e和f。

1 符号式编程

考虑另一种选择符号式编程（symbolic programming），即代码通常只在完全定义了过程之后才执行计算。这个策略被多个深度学习框架使用，包括Theano和TensorFlow（后者已经获得了命令式编程的扩展）。一般包括以下步骤：
1、定义计算流程。
2、将流程编译成可执行的程序。
3、给定输入，调用编译好的程序执行。
这将允许进行大量的优化。首先，在大多数情况下，我们可以跳过Python解释器。从而消除因为多个更快的GPU与单个CPU上的单个Python线程搭配使用时产生的性能瓶颈。其次，编译器可以将上述代码优化和重写为print((1 + 2) + (3 + 4))甚至print(10)。因为编译器在将其转换为机器指令之前可以看到完整的代码，所以这种优化是可以实现的。例如，只要某个变量不再需要，编译器就可以释放内存（或者从不分配内存），或者将代码转换为一个完全等价的片段。下面，我们将通过模拟命令式编程来进一步了解符号式编程的概念。

def add_():
    return '''
def add(a, b):
    return a + b
'''

def fancy_func_():
    return '''
def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g
'''

def evoke_():
    return add_() + fancy_func_() + 'print(fancy_func(1, 2, 3, 4))'

prog = evoke_()
print(prog)
y = compile(prog, '', 'exec')
exec(y)
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输出：

def add(a, b):
    return a + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g
print(fancy_func(1, 2, 3, 4))
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命令式（解释型）编程和符号式编程的区别如下：

• 命令式编程更容易使用。在Python中，命令式编程的大部分代码都是简单易懂的。命令式编程也更容易调试，这是因为无论是获取和打印所有的中间变量值，或者使用Python的内置调试工具都更加简单。
• 符号式编程运行效率更高，更易于移植。符号式编程更容易在编译期间优化代码，同时还能够将程序移植到与Python无关的格式中，从而允许程序在非Python环境中运行，避免了任何潜在的与Python解释器相关的性能问题。

• 2 混合式编程

  历史上，大部分深度学习框架都在命令式编程与符号式编程之间进行选择。例如，Theano、TensorFlow（灵感来自前者）、Keras和CNTK采用了符号式编程。相反地，Chainer和PyTorch采取了命令式编程。在后来的版本更新中，TensorFlow2.0和Keras增加了命令式编程

  由于PyTorch仅仅采用了命令式编程，所以本节剩余部分可跳过，感兴趣的可以去看原文。

  如上所述，PyTorch是基于命令式编程并且使用动态计算图。为了能够利用符号式编程的可移植性和效率，开发人员思考能否将这两种编程模型的优点结合起来，于是就产生了torchscript。torchscript允许用户使用纯命令式编程进行开发和调试，同时能够将大多数程序转换为符号式程序，以便在需要产品级计算性能和部署时使用。

  3 Sequential的混合式编程

  要了解混合式编程的工作原理，最简单的方法是考虑具有多层的深层网络。按照惯例，Python解释器需要执行所有层的代码来生成一条指令，然后将该指令转发到CPU或GPU。对于单个的（快速的）计算设备，这不会导致任何重大问题。另一方面，如果我们使用先进的8-GPU服务器，比如AWS P3dn.24xlarge实例，Python将很难让所有的GPU都保持忙碌。在这里，瓶颈是单线程的Python解释器。让我们看看如何通过将Sequential替换为HybridSequential来解决代码中这个瓶颈。首先，我们定义一个简单的多层感知机。

  import torch
  from torch import nn
  from d2l import torch as d2l
  
  
  # 生产网络的工厂模式
  def get_net():
      net = nn.Sequential(nn.Linear(512, 256),
              nn.ReLU(),
              nn.Linear(256, 128),
              nn.ReLU(),
              nn.Linear(128, 2))
      return net
  
  x = torch.randn(size=(1, 512))
  net = get_net()
  net(x)
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  输出：

  tensor([[ 0.0244, -0.0361]], grad_fn=<AddmmBackward0>)
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  通过使用torch.jit.script函数来转换模型，我们就有能力编译和优化多层感知机中的计算，而模型的计算结果保持不变

  net = torch.jit.script(net)
  net(x)
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  输出：

  tensor([[ 0.0244, -0.0361]], grad_fn=<AddmmBackward0>)
  1

  我们编写与之前相同的代码，再使用torch.jit.script简单地转换模型，当完成这些任务后，网络就将得到优化（我们将在下面对性能进行基准测试）。

  3.1 通过混合式编程加速

  class Benchmark:
      """用于测量运行时间"""
      def __init__(self, description='Done'):
          self.description = description
  
      def __enter__(self):
          self.timer = d2l.Timer()
          return self
  
      def __exit__(self, *args):
          print(f'{self.description}: {self.timer.stop():.4f} sec')
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  现在我们可以调用网络两次，一次使用torchscript，一次不使用torchscript。

  net = get_net()
  with Benchmark('无torchscript'):
      for i in range(1000): net(x)
  
  net = torch.jit.script(net)
  with Benchmark('有torchscript'):
      for i in range(1000): net(x)
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  输出;

  无torchscript: 1.8929 sec
  有torchscript: 1.8184 sec
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  如以上结果所示，在nn.Sequential的实例被函数torch.jit.script脚本化后，通过使用符号式编程提高了计算性能。

  3.2 序列化

  编译模型的好处之一是我们可以将模型及其参数序列化（保存）到磁盘。这允许这些训练好的模型部署到其他设备上，并且还能方便地使用其他前端编程语言。同时，通常编译模型的代码执行速度也比命令式编程更快。

  4 小结

  命令式编程使得新模型的设计变得容易，因为可以依据控制流编写代码，并拥有相对成熟的Python软件生态。

  符号式编程要求我们先定义并且编译程序，然后再执行程序，其好处是提高了计算性能。