如何在 MegDNN 中添加算子¶
MegDNN 是算子（Operator）级别的 DNN 库，存放于 dnn 下， 类似于 MKL-DNN、OpenBlas 等库，提供了包括卷积、池化、矩阵乘法、点乘等在内的基本算术运算和神经网络原语。
对使用者可见的统一接口
MegDNN 为上层提供了对使用者可见的统一接口， 而在底层针对 CUDA、ARM、x86 等不同平台做了针对性实现，是一个跨平台的计算库。
MegDNN API 内部实现
MegDNN 组织架构¶
- Interface Class
定义算子的接口
- common
定义各个平台的公共代码，比如各个算子的
deduce_layout方法
OperatorBase方法
Handle方法- naive
简单粗暴的算子实现，不考虑性能、内存效率等，仅仅用于正确性验证。
- fallback
通用的代码实现，适合那些使用 SSE 或 NEON 等技术后并没有加速效果的算子。
- arm_common
针对 ARMv7 和 AArch64 的通用代码优化。
- armv7/aarch64/x86/CUDA/…
针对特定平台的代码优化，可能包含底层汇编代码等。
注解
MegDNN 中对于同一算子可能包含不同的算法实现。 例如卷积实现，在 MegDNN 中包含直接卷积、im2col-gemm、winograd、FFT 等。 因此在 MegDNN 中，可以采用指定或者启发式方法选择算法。
如何添加一个算子¶
以添加一个 C = A + B + m 加法算子 Add 的 naive 的实现为例。
其中 A、B 为输入 tensor, C 为输出 tensor, 而 m 为输入参数。
添加参数定义¶
在 dnn/scripts/opr_param_defs.py 中添加相关参数的定义：
(pdef('Add').
add_fields('int32', Doc('m', 'param of Add opr'), '3')
)
这段代码的作用是：添加了名为 Add 的 算子，输入参数为 m, 默认值为 3.
注解
add_fields 目前支持的数据类型可参考 dnn/scripts/gen_param_defs.py .
添加算子定义¶
在 dnn/include/megdnn/oprs/ 的对应文件中定义这个算子（假设定义在 general.h 中）：
class AddForward : public OperatorBase {
DEF_OPR_PARAM(Add);
DEF_OPR_IMPL(AddForward, OperatorBase, 2, 1);
public:
virtual void exec(_megdnn_tensor_in A, _megdnn_tensor_in B,
_megdnn_tensor_out C, _megdnn_workspace workspace) = 0;
void deduce_layout(const TensorLayout& A, const TensorLayout& B,
TensorLayout& C);
virtual size_t get_workspace_in_bytes(const TensorLayout& A,
const TensorLayout& B,
const TensorLayout& C) = 0;
protected:
void check_exec(const TensorLayout& A, const TensorLayout& B,
const TensorLayout& C, size_t workspace_in_bytes);
};
using Add = AddForward;
注解
此处 exec 为包含计算逻辑的接口，接受输入 A, B 输出 C 以及 workspace.
其中 workspace 表明计算中需要使用的临时空间大小，是一个字节数组。
添加 common 定义¶
在 dnn/src/common 中添加所有平台的共有类，在该目录下创建 add.cpp 文件。
接着实现刚才在 include/megdnn/oprs/ 定义的虚函数，
比如 deduce_layout_fwd 推断前向结果时的 layout.
#include "megdnn/oprs.h"
#include "src/common/utils.h"
namespace megdnn {
void Add::deduce_layout(const TensorLayout& A, const TensorLayout& B,
TensorLayout& C) {
megdnn_assert(A.ndim == 3);
size_t in = A.shape[0];
size_t ih = A.shape[1];
size_t iw = A.shape[2];
megdnn_assert_eq_layout(A, B);
megdnn_assert_eq_dtype(A, B);
C = TensorLayout(TensorShape({in, ih, iw}), A.dtype);
}
void Add::check_exec(const TensorLayout& A, const TensorLayout& B,
const TensorLayout& C, size_t workspace_in_bytes) {
TensorLayout C_expected;
megdnn_assert_eq_dtype(A, C);
megdnn_assert_eq_dtype(B, C);
deduce_layout(A, B, C_expected);
megdnn_assert_eq_layout(C_expected, C);
auto required_workspace_in_bytes = get_workspace_in_bytes(A, B, C);
megdnn_assert(workspace_in_bytes >= required_workspace_in_bytes);
}
} // namespace megdnn
添加 common callback¶
在 dnn/src/common/handle_impl.h 文件的 #define MEGDNN_FOREACH_OPR_CLASS(cb) 中添加 cb(Add).
这样 common 下面的各个平台中可以 include 这个文件，定义算子需要使用的通用功能。
添加平台实现¶
接下来定义各个平台的函数，以 naive 版本为例：
在 dnn/src/naive/ 中创建文件夹 add, 在其中实现以下文件：
namespace megdnn {
namespace naive {
class AddImpl: public Add {
public:
using Add::Add;
void exec(_megdnn_tensor_in A,
_megdnn_tensor_in B,
_megdnn_tensor_out C,
_megdnn_workspace workspace) override;
size_t get_workspace_in_bytes(const TensorLayout &,
const TensorLayout &,
const TensorLayout &) override {
return 0;
}
};
} // namespace naive
} // namespace megdnn
#include "src/naive/add/opr_impl.h"
#include "src/common/utils.h"
#include "src/naive/handle.h"
namespace {
template <typename T>
void exec_internal(const T * __restrict A,
const T * __restrict B,
T * __restrict C,
int m,
size_t n) MEGDNN_NOEXCEPT
{
rep(i, n) {
C[i] = A[i] + B[i] + m;
}
}
} // anonymous namespace
namespace megdnn {
namespace naive {
void AddImpl::exec(_megdnn_tensor_in A,
_megdnn_tensor_in B,
_megdnn_tensor_out C,
_megdnn_workspace workspace)
{
check_exec(A.layout, B.layout, C.layout, workspace.size);
auto n = A.layout.total_nr_elems();
#define cb(DType) \
if (A.layout.dtype == DType()) { \
using T = typename DTypeTrait<DType>::ctype; \
MEGDNN_DISPATCH_CPU_KERN_OPR(exec_internal<T>(A.ptr<T>(), \
B.ptr<T>(), \
C.ptr<T>(), param().m, n)); \
return; \
}
MEGDNN_FOREACH_COMPUTING_DTYPE(cb)
#undef cb
}
} // namespace megdnn
功能很简单：在 exec 中写实际的执行，每种 type 都生成一个执行，
然后通过 MEGDNN_DISPATCH_CPU_KERN_OPR 把将算子的执行 kernel 放到 handle 上执行。
添加 Handle¶
最后，在 dnn/src/naive/handle.cpp 头部添加 #include "src/naive/add/opr_impl.h",
里面调用了之前 handle_impl.cpp 中定义的宏。
注解
如果是 CUDA 平台，则是在 dnn/src/cuda/handle_create.cpp 中添加。
为 HandleImpl 添加函数 create_opr<>, 通过这个函数，创建平台的算子。
实际操作为：在 handle_impl.h 里添加 cb(Add).
至此， Add 算子创建完成。
添加测试¶
下面为上面的 Add 算子添加测试。
注解
一般 naive 实现不必测试，此处只是展现下。
在提供其他平台如 arm/x86/cuda 的实现时，测试结果应当和 naive 版本保持一致。
在 dnn/test/common/ 下创建 add.h, 其中构造所需要测试的参数：
#pragma once
#include "megdnn/opr_param_defs.h"
#include "megdnn/basic_types.h"
#include <iostream>
namespace megdnn {
namespace test {
namespace add {
struct TestArg {
param::Add param;
TensorShape src;
TestArg(param::Add param, TensorShape src):
param(param), src(src)
{}
};
inline std::vector<TestArg> get_args() {
std::vector<TestArg> args;
param::Add cur_param;
cur_param.m = 10;
args.emplace_back(cur_param, TensorShape{1, 8, 8});
return args;
}
} // namespace add
} // namespace test
} // namespace megdnn
修改 dnn/src/common/opr_trait.h, 添加该算子的 traits:
DEF(Add, 3, true, true);
其中 3 表示其有 3 个参数（假设分别是 A, B, C ），
第三个参数表示是否需要有 workspace, 第四个参数表示是否可以 deduce_layout.
其描述这个算子，为 exec_proxy.h 和 deduce_layout_proxy.h 导向正确的实现。
在 dnn/test/naive 下创建 add.cpp 文件，添加详细的测试代码。
其中
ADD这个测试用例本质上没有额外的意义，因为目前只有 naive 实现， 如果有其它后端的优化实现，可以基于Checker类来做正确性验证。ADD2这个测试用例基于用户指定的输入输出来验证结果， 即用户跑指定输入，然后得到的输出与用户给定的输出对比，一般用来检测 naive 正确性。
#include "test/common/add.h"
#include "megdnn/dtype.h"
#include "megdnn/oprs.h"
#include "test/common/checker.h"
#include "test/naive/fixture.h"
namespace megdnn {
namespace test {
TEST_F(NAIVE, ADD) {
std::vector<add::TestArg> args = add::get_args();
Checker<Add> checker(handle());
for (auto&& arg : args) {
checker.set_param(arg.param)
.set_dtype(0, dtype::Float32())
.set_dtype(1, dtype::Float32())
.set_dtype(2, dtype::Float32())
.execs({arg.src, arg.src, {}});
}
}
TEST_F(NAIVE, ADD2) {
Checker<Add> checker(handle(), false);
Add::Param param;
param.m = 3;
checker.set_param(param).exect(
Testcase{TensorValue({1, 2, 2}, dtype::Float32(), {1, 2, 3, 4}),
TensorValue({1, 2, 2}, dtype::Float32(), {2, 1, 3, 5}),
{}},
Testcase{{},
{},
TensorValue({1, 2, 2}, dtype::Float32(), {6, 6, 9, 12})});
}
} // namespace test
} // namespace megdnn
注解
其它 device 的测试（比如 CUDA）可以直接用 execs （而非 exect ）
测试指定 shape 输入的结果，会自动和 naive 的结果做对比。
编译和测试¶
警告
测试带 CUDA 后端的算子时，需要注意是否编译了对应显卡的代码， 显卡型号对应编译选项可以通过脚本 third_party/getcudacap.sh 来获取 CUDA 信息。
注解
编译方法请参考 如何安装 MegEngine 。
我们需要在跑 CMake 命令时设置 MGE_WITH_TEST=ON 以支持测试。
执行测试¶
$ ../../dnn/test/megdnn_test --gtest_filter="NAIVE.ADD:NAIVE.ADD2"
Note: Google Test filter = NAIVE.ADD:NAIVE.ADD2
[==========] Running 2 tests from 1 test case.
[----------] Global test environment set-up.
[----------] 2 tests from NAIVE
[ RUN ] NAIVE.ADD
[ OK ] NAIVE.ADD (0 ms)
[ RUN ] NAIVE.ADD2
[ OK ] NAIVE.ADD2 (0 ms)
[----------] 2 tests from NAIVE (0 ms total)
[----------] Global test environment tear-down
[==========] 2 tests from 1 test case ran. (1 ms total)
[ PASSED ] 2 tests.
常见问题¶
精度对不齐怎么办？
这里的精度指要测试的 backend(cuda, arm, OpenCL) 等和 naive 结果精度对不上，目前默认的误差是 1e-4. 常见原因：
cuda 的 float 精度计算与 naive 有误差，多次累加容易导致误差逐步放大
int8 round 的问题：比如 armv7 上的除法是牛顿除法，1/2 的结果不是 0.5, 而是 0.49998 等； cuda 上也常见这些问题，导致在 round 时 naive 向上 round, arm 或 cuda 向下 round, 结果相差 1. 这种误差暂时没找到很好的解决办法，只能调大 epsilon. 对于量化类型，我们需要保证计算结果是无偏的即可，可以通过
checker.set_max_avg_biased_error来调节。
调试方法：
选择一个最小复现，根据 test 的 index 来选择性打印一些中间结果来看。
出现错误 assertion 'm_nr_call && "cpu dispatch must be called"' failed 怎么办？
由于对于 CPU 后端，MegDNN 直接通过 handle 的 dispatch 接口将具体描述 kernel 语义的 function 对象发给 Graph,
也就是上面的 exec_internal<float> 函数指针；有时候可能忘记在调用的地方包宏 MEGDNN_DISPATCH_CPU_KERN_OPR,
导致这个 kernel 未发给 Graph, 这种错误无法在 MegDNN 测出来，因为 MegDNN 默认的 dispatcher 是 inplace 的，
而且这种错误是某种 race, 可能导致随机错误，所以 MegDNN 定义 CPUDispatchChecker 来检测这个行为。
出现错误 mgb::MegDNNError cuda error invalid device function(98) occurred; 怎么办；
这种错误是对应设备的 device 函数不存在，一般是你没有编译测试用的 GPU 对应的代码导致的。 可以参考编译与测试的注意事项，编译对应 GPU 的代码，重跑 megdnn_test.