对Tensorflow中Device实例的生成和管理详解

时间:2021-05-23

1. 关键术语描述

kernel

在神经网络模型中,每个node都定义了自己需要完成的操作,比如要做卷积、矩阵相乘等。

可以将kernel看做是一段能够跑在具体硬件设备上的算法程序,所以即使同样的2D卷积算法,我们有基于gpu的Convolution 2D kernel实例、基于cpu的Convolution 2D kernel实例。

device

负责运行kernel的具体硬件设备抽象。每个device实例,对应系统中一个具体的处理器硬件,比如gpu:0 device, gpu:1 device, cpu:0 device。一般来说,每个device实例同时包括处理器资源、内存资源。device的抽象支持硬件设备提供的并行处理能力。

2. device是什么

为方便描述,下面我们把在tensorflow里面运行的神经网络模型都统一称为graph。

我们知道,tensorflow主要针对的是跨硬件平台、分布式、并发运行的场景,参与运算的每个硬件资源,我们都抽象为device实例,便于管理。

device的主要职责:

管理处理器资源,为支持device内部的并行计算,进一步将其抽象为thread pool或streams:

cpu:使用thread pool来管理,thread之间可支持不同程度的并行计算能力

gpu: 针对nvidia gpu, 使用cuda streams来管理,根据不同的gpu型号,可支持不同数量的stream做并行计算

管理内存资源:为kernel的运行,分配和释放内存,进一步抽象为Allocator及其各种子类的实例来管理。

主机内存:

cpu kernel 计算时需要的内存。

gpu kernel的输出结果如果要放置到主机内存中时,gpu kernel也需要申请主机内存。

显存: gpu kernel 计算时需要的内存。

3. device的种类及应用场景

由于device要抽象的设备种类较多,我们主要描述一下本地运行的cpu device、gpu device实例类型。先用一个UML图来表示一下各种device抽象类的关系:

可以看到,cpu device实例使用的类是GPUCompatibleCPUDevice,主要是在ThreadPoolDevice的基础上,增加了gpu<-> cpu之间内存传输数据的优化措施。

gpu device实例使用的类是 GPUDevice 。

4. device实例的关键数据结构

我们以常用的cpu device,gpu device为例, 用下图描述一下device实例的关键数据结构:

可以看到每个device实例内部都具备并行处理的能力:

GPUCompatibleCPUDevice实例 将 cpu 的计算资源抽象为thread pool,以支持多thread之间的并发执行; 将主机内存抽象为 CPUAllocator 实例来进行管理,为cpu kernel、gpu kernel提供主机内存的申请、释放功能;GPUDevice实例 将gpu的计算资源抽象为streams, 由于目前只支持NVIDIA的gpu,所以这里我们可以看作抽象为cuda streams,多个cuda streams之间的计算可以并发处理; 通过GPUBFCAllocator实例来管理显存,为gpu kernel提供显存的申请、释放功能。

5. device实例的创建

系统中可用的device实例,由session发起创建,归属于session实例。

device的创建,使用Factory 设计模式,session会调用所有注册的device factory,逐一产出 符合条件的device实例。

以DirectSession实例创建gpu device、cpu device为例,具体流程如下图所示。

为方便结合代码阅读,已包含主要的类、函数调用路径:

可以看到,最终产出 的gpu device、cpu device实例,都会保存至DirectSession实例的 devices_ 表中,由DirectSession实例进行分配和使用。

6. 在graph运行阶段device的使用

在graph的创建阶段,session为每个node分配一个具体的device实例,同时为每个node创建一个具体的kernel实例,这个kernel实例将会运行在分配的device实例上。(参见Tensorflow 核心流程剖析 2 – 神经网络模型的创建和分割)

接下来,在graph的运行阶段,session会依次处理graph中的node,调度node所分配的device实例,去运行node的kernel实例。

每个kernel 在运行时,会向其分配的device,申请需要的计算资源、内存资源等,完成具体的运算操作。

上述流程如下图所示。

为方便结合代码阅读,已包含主要的类、函数调用路径:

以上这篇对Tensorflow中Device实例的生成和管理详解就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。

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