【TVM源码学习笔记】3.1.2. Codegen低级化relay ir前的内存分配

在执行GraphExecutorCodegen::Codegen时，一开始就调用GraphPlanMemory分配内存，这个函数的实现：

StaticMemoryPlan GraphPlanMemory(const Function& func) { return StorageAllocator().Plan(func); }
 

这里实例化了一个StorageAllocator对象，并调用它的Plan方法。在StorageAllocator::Plan的一开始有： 

prototype_ = StorageAllocaInit(&arena_).GetInitTokenMap(func);

1 创建token表

 StorageAllocaInit::GetInitTokenMap的实现

std::unordered_map<const ExprNode*, std::vector> GetInitTokenMap(
      const Function& func) {
    this->Run(func);
    return std::move(token_map_);
}
 

 StorageAllocaInit继承自StorageAllocaBaseVisitor类，StorageAllocaBaseVisitor::Run方法：

void Run(const Function& func) { VisitExpr(func); }

因为 StorageAllocaBaseVisitor继承自DeviceAwareExprVisitor， DeviceAwareExprVisitor继承自ExprVisitor。这个StorageAllocaBaseVisitor调用VisitExpr，就是调用ExprVisitor::VisitExpr。ExprVisitor::VisitExpr会根据传入的数据类型调用对应的VisitExpr_。而DeviceAwareExprVisitor和StorageAllocaBaseVisitor共同重载了各种类型表达式的遍历函数VisitExpr_。这样在Run中调用VisitExpr的时候，最终会走到各重载的VisitExpr_中，执行相应的操作：

 详细的流程和机制可以参考【TVM源码学习笔记】3.1.1 VisitExpr流程分析

从上图可以看到，对函数定义、调用以及let这种复合表达式的遍历处理都在DeviceAwareExprVisitor中，而比较基础的语法单元，如变量，全局变量，常量，元组，元组访问以及if语句等的遍历处理定义在StorageAllocaBaseVisitor中。

这里还有几个接口我们了解下继承和重载关系：

 我们先分析下函数节点的VisitExpr_的实现：

// TODO(mbs): We'd probably have less tedious code duplication if we redefined the memoizing
// mutator on top of the generic Functor.
 
void DeviceAwareExprVisitor::VisitExpr_(const FunctionNode* function_node) {
  if (function_node->HasNonzeroAttr(attr::kPrimitive)) {
    // No tracking inside primitive functions.
    DeviceAwareVisitExpr_(function_node);
  } else {
    // Function parameters come into scope.
    for (auto param : function_node->params) {
      PushBoundVar(param, param->virtual_device());
    }
    // Entering scope of function body.
    PushVirtualDevice(function_node->virtual_device());
    EnterFunctionBody();
 
    DeviceAwareVisitExpr_(function_node);
 
    // Leaving scope of function body.
    ExitFunctionBody();
    PopVirtualDevice();
    // Function parameters go out of scope.
    for (size_t i = 0; i < function_node->params.size(); ++i) {
      PopBoundVar(function_node->params[i]);
    }
  }
}

处理函数定义节点的时候分两种情况：

1. 函数有attr::kPrimitive属性（即名字为Primitive的属性）且非零，调用DeviceAwareVisitExpr_处理函数定义；

2. 否则，将函数参数压栈，然后调用调用DeviceAwareVisitExpr_处理函数定义，处理完后出栈。

这里DeviceAwareVisitExpr_的参数是FunctionNode，根据前面类图我们可以知道，这里是调用的StorageAllocaBaseVisitor的DeviceAwareVisitExpr_：

  void DeviceAwareVisitExpr_(const FunctionNode* func_node) final {
    if (function_nesting() > 1) {
      // do not recurse into sub functions.
      return;
    }
    if (func_node->HasNonzeroAttr(attr::kPrimitive)) {
      // No storage needed for primitive functions.
      return;
    }
    for (const auto& param : func_node->params) {
      CreateToken(param.get(), /*can_realloc=*/false);
    }
    // Process the function body, and make sure all result tokens are considered 'alive'.
    for (StorageToken* tok : GetToken(func_node->body)) {
      tok->ref_counter += 1;
    }
  }

这里对函数的处理仅仅只是对函数参数创建标识符节点。CreateToken定义在StorageAllocaBaseVisitor，调用CreateTokenOnDevice方法。该方法在StorageAllocaInit和StorageAllocator中分别实现。这里是StorageAllocaInit实例调进来的，所以在该类中找方法的实现：

  void CreateTokenOnDevice(const ExprNode* op, const VirtualDevice& virtual_device,
                           bool can_realloc) override {
    ICHECK(!token_map_.count(op));
    std::vector tokens;
    for (const auto& ttype : FlattenTupleType(op->checked_type())) {
      auto* token = arena_->make();
      token->ttype = ttype;
      token->virtual_device = virtual_device;
      tokens.push_back(token);
    }
    token_map_[op] = tokens;
  }

op->checked_type()是每个算子自己定义的类型推理接口，详见【TVM源码学习笔记】Relay算子实现流程

这里对每个函数参数创建一个标识符结构体StorageToken，加入token_map_表；已经在token_map_表中的不会重复添加。

这里只是创建了StorageToken来创建token表，并没有为标记符对应的实际数据（例如tensor）分配空间。

在创建token表的过程中，StorageAllocaBaseVisitor中会对函数定义，函数调用，常量和tuple相关语法单元中的token加入token表，而对变量，全局变量，op， if等语法单元不做处理。这是为什么呢？

2  StorageAllocator::Run

回到StorageAllocator::Plan中，在创建token表后，执行了StorageAllocator::Run:

  // Run storage allocation for a function.
  StaticMemoryPlan Plan(const Function& func) {
    VLOG_CONTEXT << "StorageAllocator";
    VLOG(1) << "planning:" << std::endl << PrettyPrint(func);
    prototype_ = StorageAllocaInit(&arena_).GetInitTokenMap(func);
    this->Run(func);

因为StorageAllocator并没有实现Run方法，所以这里Run和前面StorageAllocaInit::GetInitTokenMap一样，调用的是StorageAllocaBaseVisitor::Run，并且参数都一样。这样两者对各语法单元的遍历接口VisitExpr和VisitExpr_也都一样。那么两次Run的调用差别在哪里呢？最重要的差别在CreateTokenOnDevice()上：

StorageAllocaInit通过Run接口遍历模型的所有表达式，对各种语法单元的最后处理都落在CreateTokenOnDevice()里面，这里只是将token分配一个StorageToken内存，加入token表。

同样的流程，同样的处理，StorageAllocator最后调用到CreateTokenOnDevice()的时候，会为每个token分配实际的数据内存。这里内存分配涉及到内存管理。当前不做分析，后面会专门深入讨论。

我们继续看内存分配函数Plan：

  // Run storage allocation for a function.
  StaticMemoryPlan Plan(const Function& func) {
    VLOG_CONTEXT << "StorageAllocator";
    VLOG(1) << "planning:" << std::endl << PrettyPrint(func);
    prototype_ = StorageAllocaInit(&arena_).GetInitTokenMap(func);
    this->Run(func);
 
    // The value of smap contains two integer arrays where the first array
    // contains the planned storage ids and the second holds the device types.
    // smap的值包含两个整数数组，第一个数组是分配的空间id，第二个是（内存？）设备类型。
    Map smap;
    int num_annotated_nodes = 0;
    int num_nodes = 0;
    //遍历token表
    for (const auto& kv : token_map_) {
      //三个vector分别记录storage_id, 表达式执行的设备,占用内存大小
      std::vector<int64_t> storage_ids;
      storage_ids.reserve(kv.second.size());
      std::vector virtual_devices;
      virtual_devices.reserve(kv.second.size());
      std::vector<int64_t> sid_sizes_byte;
      sid_sizes_byte.reserve(kv.second.size());
 
      //遍历表达式中的token
      for (StorageToken* tok : kv.second) {
        VLOG(1) << "token: " << tok->ToString();
        if (tok->is_valid()) {
          num_annotated_nodes++;
        }
        num_nodes++;
        //记录token的storage_id,设备和内存大小
        storage_ids.push_back(tok->storage_id);
        virtual_devices.push_back(tok->virtual_device);
        sid_sizes_byte.push_back(GetMemorySize(tok));
      }
      //为每个表达式都实例化一个backend::StorageInfo,加入smap表
      auto storage_info = backend::StorageInfo(std::move(storage_ids), std::move(virtual_devices),
                                               std::move(sid_sizes_byte));
      //kv.first是表达式类型(constant, let, tuple)
      smap.Set(GetRef(kv.first), storage_info);
    }
    // Either all or none of the nodes should be annotated.
    if (num_annotated_nodes != 0 && num_annotated_nodes != num_nodes) {
      LOG(FATAL) << num_annotated_nodes << " out of " << num_nodes
                 << "expressions are assigned with virtual device types. Either all "
                    "or none of the expressions are expected to be annotated.";
    }
    
    return backend::StaticMemoryPlan(smap);
  }

整个流程：

1. 遍历模型的各表达式，创建token表；

2. 遍历模型各表达式，为token分配内存；

3. 将分配的内存编号，内存所在的（device）位置，内存大小打包返回