2015年11月9日谷歌開源了人工智能平臺TensorFlow，同時成為2015年最受關(guān)注的開源項目之一。經(jīng)歷了從v0.1到v0.12的12個版本迭代后，谷歌于2017年2月15日發(fā)布了TensorFlow 1.0 版本，并同時在美國加州山景城舉辦了首屆TensorFlow Dev Summit會議。

TensorFlow 1.0及Dev Summit(2017)回顧

和以往版本相比，TensorFlow 1.0 的特性改進主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 速度更快 ：TensorFlow 1.0版本采用了XLA的編譯技術(shù)，改進了TensorFlow的運行性能及內(nèi)存利用。從Benchmark問題的測試結(jié)果來看，對單機Inception v3模型，實現(xiàn)了在單機8 GPUs上7.3倍的運算加速;對分布式Inception v3模型，實現(xiàn)了在多機64 GPUs上58倍的運算加速。
• 更加靈活 ：該版本除了支持tf.layers，tf.metrics及tf.losses模型的High-Level API外，實現(xiàn)了對keras(high-level neural networks library)API的全面兼容。
• 更產(chǎn)品化 ：TensorFlow Python API在v1.0版本中趨于穩(wěn)定，為產(chǎn)品兼容性打下堅實基礎(chǔ)。

在TensorFlow 1.0版本發(fā)布的當天，谷歌公司還舉辦了TensorFlow 2017 DEV Summit。該 日程主要包括以下幾個方面的主題演講：

• Hands-on TensorBoard可視化技術(shù)：介紹了如何使用TensorBoard，以及TensorFlow圖模型、訓練數(shù)據(jù)的可視化等。
• TensorFlow High-Level API：介紹了使用Layers, Estimators, and Canned Estimators High-Level API定義訓練模型。
• Integrating Keras & TensorFlow: 介紹了如何在TensorFlow中使用Keras API進行模型定義及訓練。
• TensorFlow at DeepMind：介紹了在DeepMind中使用TensorFlow平臺的典型案例，包括AlphaGo等應(yīng)用。
• Skin Cancer Image Classification：介紹了斯坦福醫(yī)學院使用TensorFlow分類皮膚癌照片，用于醫(yī)學診斷。
• Mobile and Embedded TensorFlow：介紹了如何把TensorFlow模型運行在移動終端、嵌入式設(shè)備，包括安卓，iOS等系統(tǒng)。
• Distributed TensorFlow：系統(tǒng)性地介紹了分布式TensorFlow的相關(guān)技術(shù)，以及如何應(yīng)用于大規(guī)模模型訓練。
• TensorFlow Ecosystem：講解了TensorFlow的生態(tài)系統(tǒng)，包括生成訓練數(shù)據(jù)，分布式運行TensorFlow和serving models的產(chǎn)品化流程。
• Serving Models in Production with TensorFlow Serving：系統(tǒng)性講解了如何在生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)用TensorFlow Serving模型。
• ML Toolkit：介紹了TensorFlow的機器學習庫，如線性回歸，KMeans等算法模型的使用。
• Sequence Models and the RNN API：介紹了如何構(gòu)建高性能的sequence-to-sequence模型，以及相關(guān)API。
• Wide & Deep Learning: 介紹了如何結(jié)合Wide模型和Deep模型構(gòu)建綜合訓練模型。
• Magenta，Music and Art Generation：使用增強型深度學習模型生成音樂聲音和藝術(shù)圖片。
• Case Study，TensorFlow in Medicine – Retinal Imaging：使用TensorFlow機器學習平臺對醫(yī)學視網(wǎng)膜圖片進行分類，輔助醫(yī)學診斷。

TensorFlow系統(tǒng)架構(gòu)

TensorFlow作為分布式機器學習平臺，主要架構(gòu)如下圖所示。RPC和RDMA為網(wǎng)絡(luò)層，主要負責傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法參數(shù)。CPU和GPU為設(shè)備層，主要負責神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中具體的運算操作。Kernel為TensorFlow中算法操作的具體實現(xiàn)，如卷積操作，激活操作等。Distributed Master用于構(gòu)建子圖;切割子圖為多個分片，不同的子圖分片運行在不同的設(shè)備上;Master還負責分發(fā)子圖分片到Executor/Work端。Executor/Work在設(shè)備(CPUs，GPUs，etc.)上，調(diào)度執(zhí)行子圖操作;并負責向其它Worker發(fā)送和接收圖操作的運行結(jié)果。C API把TensorFlow分割為前端和后端，前端(Python/C++/Java Client)基于C API觸發(fā)TensorFlow后端程序運行。Training libraries和Inference libs是模型訓練和推導(dǎo)的庫函數(shù)，為用戶開發(fā)應(yīng)用模型使用。

下圖為Client、Master及Worker的內(nèi)部工作原理。”/job:worker/task:0″ 和 “/job:ps/task:0” 表示worker中的執(zhí)行服務(wù)。”job:ps”表示參數(shù)服務(wù)器，用于存儲及更新模型參數(shù)。”job:worker”用于優(yōu)化模型參數(shù)，并發(fā)參數(shù)發(fā)送到參數(shù)服務(wù)器上。Distributed Master和Worker Service只存在于分布式TensorFlow中。單機版本的TensorFlow實現(xiàn)了Local的Session，通過本地進程的內(nèi)部通訊實現(xiàn)上述功能。

用戶編寫TensorFlow應(yīng)用程序生成計算圖，Client組件會創(chuàng)建Session，并通過序列化技術(shù)，發(fā)送圖定義到Distributed Master組件。下圖中，Client創(chuàng)建了一個 s+=w*x+b的圖計算模型。

當Client觸發(fā)Session運算的時候，Maser構(gòu)建將要運行的子圖。并根據(jù)設(shè)備情況，切割子圖為多個分片。下面為Master構(gòu)建的運行子圖：

接著切割子圖，把模型參數(shù)分組在參數(shù)服務(wù)器上，圖計算操作分組在運算Worker上。下圖為一種可行的圖切割策略：

Distributed Master會根據(jù)模型參數(shù)的分區(qū)情況進行切割邊，在Task間插入發(fā)送和接收Tensor信息的通信節(jié)點，如下圖所示：

接著Distributed Master通過RegisterGraph方法發(fā)送子圖分片給Task，如下圖所示：

Master通過RunGraph觸發(fā)子圖運算，Worker會使用GPU/CPU運算設(shè)備執(zhí)行TensorFlow Kernel運算。在本節(jié)點的CPU和GPU之間，使用cudaMemcpyAsync傳輸數(shù)據(jù);在本節(jié)點GPU和GPU之間，使用peer-to-peer DMA傳輸數(shù)據(jù)，避免通過CPU復(fù)制數(shù)據(jù)。TensorFlow使用gRPC(TCP)和RDMA (Converged Ethernet)技術(shù)，實現(xiàn)Worker間的數(shù)據(jù)通信及傳輸，如下圖所示：

高性能程序設(shè)計

TensorFlow內(nèi)核采用C/C++開發(fā)，并提供了C++，Python，Java，Go語言的Client API。特別是Python API，是目前主流的TensorFlow模型開發(fā)接口。但為什么還需要采用C++ API去訓練模型呢?本文基于如下 兩點考慮 ，首先當我們采用Python API去訓練模型的時候，需要不斷地用Python API調(diào)用C/C++底層接口，重復(fù)的接口調(diào)用一定程度上影響了程序的執(zhí)行性能。更為重要的是，在GPU上訓練模型的時候需要大量的內(nèi)存交換;如果采用C++ API去訓練模型，可提供更好的運算性能及更好地控制GPU內(nèi)存的分配。

下圖為Python API的運算架構(gòu)：在模型訓練的每次迭代中，程序通過Python API讀取Batch Data，然后通過TensorFlow Session Run接口，傳遞數(shù)據(jù)給C++，并觸發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練。如下圖所示：

下圖為C++ API的運算架構(gòu)：在模型訓練的每次迭代中，通過C++ API讀取Batch Data后，直接觸發(fā)模型訓練。減少了不同語言間API接口的循環(huán)調(diào)用及數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示：

為了采用C++ API進行模型訓練，我們首先需要編寫訓練模型，這個編寫過程可以采用Python語言來完成。我們首先采用Python API編寫訓練模型，然后把圖模型轉(zhuǎn)換為Protobuf的序列化文件。接著通過C++ API加載該模型文件，創(chuàng)建TensorFlow Session，初始化模型變量，以及加載訓練數(shù)據(jù)并執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練。程序架構(gòu)如下圖所示：

下面為使用Python API定義訓練模型的示例：

with tf.Session() as sess:

#定義Placeholder Tensor接入訓練數(shù)據(jù) 
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 32], name="x") 
    y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 8], name="y") 
 
    #定義訓練模型 
    w1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([32, 16], stddev=0.1)) 
    b1 = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[16])) 
    w2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([16, 8], stddev=0.1)) 
    b2 = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[8])) 
    a = tf.nn.tanh(tf.nn.bias_add(tf.matmul(x, w1), b1)) 
    y_out = tf.nn.tanh(tf.nn.bias_add(tf.matmul(a, w2), b2), name="y_out") 
    cost = tf.reduce_sum(tf.square(y-y_out), name="cost") 
    optimizer = tf.train.AdamOptimizer().minimize(cost, name="train") 
 
    #定義變量初始化操作 
    init = tf.initialize_variables(tf.all_variables(), name='init_all_vars_op') 
 
    #把圖模型轉(zhuǎn)換為Protobuf文件 
tf.train.write_graph(sess.graph_def, './', 'mlp.pb', as_text=False) 

下面為使用C++ API加載Protobuf圖模型，并執(zhí)行訓練的示例：

#include "tensorflow/core/public/session.h" 
#include "tensorflow/core/graph/default_device.h" 
using namespace tensorflow; 
 
int main(int argc, char* argv[]) { 
    //Protobuf模型文件名 
    std::string graph_definition = "mlp.pb"; 
    //Tensorflow Sesssion 
    Session* session; 
 
    //定義圖模型對象 
    GraphDef graph_def; 
    SessionOptions opts; 
 
    //存儲Session會話的運行結(jié)果 
    std::vector<Tensor> outputs;  
 
    #加載Protobuf模型文件到圖模型對象中 
    TF_CHECK_OK(ReadBinaryProto(Env::Default(), graph_definition, &graph_def)); 
 
    // 默認在gpu 0上執(zhí)行模型的訓練操作 
    graph::SetDefaultDevice("/gpu:0", &graph_def); 
 
    //設(shè)定GPU顯存使用參數(shù) 
    opts.config.mutable_gpu_options()->set_per_process_gpu_memory_fraction(0.5); 
    opts.config.mutable_gpu_options()->set_allow_growth(true); 
 
    //創(chuàng)建TensorFlow會話 
    TF_CHECK_OK(NewSession(opts, &session)); 
 
    // 加載圖對象到會話中 
    TF_CHECK_OK(session->Create(graph_def)); 
 
    // 執(zhí)行模型參數(shù)初始化操作 
    TF_CHECK_OK(session->Run({}, {}, {"init_all_vars_op"}, nullptr)); 
 
    //定義模型輸入數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)類型和維度信息 
    Tensor x(DT_FLOAT, TensorShape({100, 32})); 
    Tensor y(DT_FLOAT, TensorShape({100, 8})); 
 
    //把Tensor轉(zhuǎn)換為矩陣，并初始化Tensor數(shù)據(jù) 
    auto _XTensor = x.matrix<float>(); 
    auto _YTensor = y.matrix<float>(); 
    _XTensor.setRandom(); 
    _YTensor.setRandom(); 
 
    for (int i = 0; i < 10; ++i) { 
        //執(zhí)行模型的訓練操作，{{"x", x}, {"y", y}}表示輸入數(shù)據(jù)Tensor名稱和Tensor對象；{"cost"}表示要獲取輸出值的操作名稱；&outputs表示執(zhí)行"cost"操作后返回的Tensor對象 
        TF_CHECK_OK(session->Run({{"x", x}, {"y", y}}, {"cost"}, {}, &outputs));  
 
        //獲取執(zhí)行“cost“操作后的運算結(jié)果 
        float cost = outputs[0].scalar<float>()(0); 
        std::cout << "Cost: " << cost << std::endl; 
 
        //執(zhí)行"train"操作 
        TF_CHECK_OK(session->Run({{"x", x}, {"y", y}}, {}, {"train"}, nullptr)); // Train 
        outputs.clear(); 
    } 
 
    //關(guān)閉Session及刪除Session對象 
    session->Close(); 
    delete session; 
    return 0; 
} 

當C++程序?qū)懞煤?，編譯時候需要鏈接的頭文件，開源已經(jīng)幫我們整理好了，存放于目錄/usr/lib/python2.7/site-packages/tensorflow/include下。編譯和運行的時候需要鏈接libtensorflow_cc.so，可以按照下面的方式編譯該庫文件：bazel build -c opt //tensorflow:libtensorflow_cc.so –copt=-m64 –linkopt=-m64 –spawn_strategy=standalone –genrule_strategy=standalone –verbose_failures。具體可參考TensorFlow源代碼的官方編譯文檔。

總結(jié)

本文首先回顧了TensorFlow 1.0主要新特性及TensorFlow 2017 Dev Summit的主要議程。到目前為止TensorFlow的GitHub Star排名為51000+， Fork排名已達24000+，有15000+ commits。并隨著TensorFlow新版本的不斷發(fā)布以及新特性的不斷增加，TensorFlow使用更加靈活，運行速度更快，使用方式更產(chǎn)品化，已成為目前主流的深度學習平臺之一。

接著介紹了TensorFlow的系統(tǒng)架構(gòu)，包括Client，Master，Worker，Kernel的相關(guān)概念及運行方式，是一種適合大規(guī)模分布式訓練的機器學習平臺。從上述系統(tǒng)架構(gòu)中可以看到，TensorFlow內(nèi)核采用C/C++開發(fā)，當采用Python API去訓練模型的時候，需要不斷地用Python調(diào)用C/C++底層接口，重復(fù)的接口調(diào)用一定程度上影響了程序的執(zhí)行性能。如果有最求高性能運算的朋友，可以嘗試用下本文高性能運算章節(jié)推薦的方法。

參考文獻

1. http://www.tensorflow.org
2. 深度學習利器：分布式TensorFlow及實例分析
3. 深度學習利器：TensorFlow使用實戰(zhàn)

作者介紹

武維，博士，現(xiàn)為IBM Spectrum Computing 研發(fā)工程師。主要從事大數(shù)據(jù)，深度學習，云計算等領(lǐng)域的研發(fā)工作。