TensorFlow架构与设计：OP本质论

作者：刘光聪 ，中兴通讯高级系统架构师，专注机器学习算法，分布式系统架构与优化。
原文：TensorFlow架构与设计：OP本质论
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TensorFlow的系统结构以C API为界，将整个系统分为「前端」和「后端」两个子系统。前端系统扮演了Client的角色，完成计算图的构造，通过转发Protobuf格式的GraphDef给后端系统的Master，并启动计算图的执行过程。

最终，Master将图进行分裂，通过RegisterGraph接口，将GraphDef的子图片段注册到Worker上。因此，GraphDef是描述计算图的知识模型，整个TensorFlow的计算过程都是围绕GraphDef所展开的。

领域模型

TensorFlow计算的单位是OP，它表示了某种抽象计算。本章首先阐述NodeDef, OpDef的元数据模型，然后通过一个简单的例子，讲述元数据的流动过程。

元数据

OP表示某种抽象计算，它拥有0个或多个「输入/输出」，及其0个或多个「属性」。其中，输入/输出以Tensor的形式存在。

在系统实现中，OP的元数据使用Protobuf格式的OpDef描述，实现前端与后端的数据交换，及其领域模型的统一。

OpDef定义

OpDef定义包括OP的名字，输入输出列表，属性列表，优化选项等。其中，属性常常用于描述输入/输出的类型，大小，默认值，约束，及其OP的其他特性。

OpDef表示

OP命名

OP通过名字索引，因此必须保证OP的名字全局唯一。按照规范，OP的名字采用「驼峰」的命名风格，而Python前端则使用「小写下划线」的命名风格。后者也常常称为「OP构造器」，也是公开给用户的编程接口(API)。

另外，以下划线开头的OP被系统内部实现保留。例如，_Send, _Recv，它们用于设备间通信的OP；_Source, _Sink标识计算图的开始节点和结束节点。

输入/输出

OP的输入/输出以Tensor的形式存在，存在如下4种情况。

0个Tensor
- 零输入
- 零输出
1个Tensor
- 类型确定
- 类型不确定
多个Tensor
- 类型相同
- 类型不相同

相对于OP的属性，OP的输入是动态的，其值每次迭代(Step)时，都会发生变化。

属性

OP可以拥有「属性集」，用于描述OP输入输出的类型，大小，默认值，约束，及其其他OP的特征。其中，计算图构造时，属性值(AttrValue)被确定(由NodeDef携带，通过GraphDef传递给后端执行系统)。

也就是说，OP的「属性定义」与「属性值设置」是两个分离的过程。其中，属性定义在OP注册时确定，通过AttrDef描述；属性值设置在计算图构造时确定(OP添加到计算图时)，由AttrValue描述。

相对于OP的输入，OP的属性则是静态的。OP属性值在计算图构造期间确定，包括输入输出的类型，大小，形状等，在计算迭代过程之中不会发生变化。

NodeDef定义

NodeDef表示

OP索引

NodeDef通过op从OpRegistry中索引OpDef。

输入列表

通过input指定节点的输入列表，它也是构造计算图最重要的知识所在。它存在2种情况，分别表示普通边与控制依赖边。

按照约定，为了解析方便，input列表前面存储普通边，随后存储控制依赖边。

node:src_output

表示此边为普通边，承载Tensor的数据流。其中，node为前驱节点的名称，src_output为前驱节点输出边的索引。特殊地，当src_output为0时，可以略去0。

^node

表示该边为控制依赖边。其中，node为前驱节点的名称。

设备规范

通过device可以支持用户自定义设备分配方案。例如，

“@other/node”: 与other/node节点分配在同一设备；
“/job:worker/replica:0/task:1/gpu:3”：完整规范
“/job:worker/gpu:3”：部分规范
“”：空规范

属性值列表

在计算图的构造期，OP属性值得以确定，包括输入/输出的类型，Shape等信息。OP的属性值承载于OpDef的attr属性列表之中。

符号编程

TensorFlow的计算过程是一个延迟计算，是一种典型的基于符号的编程范式。从计算时间轴看，计算过程基本分为2个阶段：

图构造期：负责计算图的构造；
图执行期：负责计算图的执行。

其中，在系统初始化时，系统实现对所有OP进行扫描注册，并保存于OpRegistry之中。

注册OP

理论上，OP的注册发生在系统初始化阶段。后端系统，可以使用REGISTER_OP实用宏注册OP。前端系统，也存在类似的OP注册机制。

使用REGISTER_OP注册OP过程，实际上是一个REGISTER_OP描述到OpDef表示的翻译过程。OpDefBuilder通过链式调用Input, Output, Attr方法分别构造OP的输入、输出列表，及其属性列表。最后，通过调用Finalize成员函数，经过解析字符串表示，将其翻译为OpDef的内在表示，最后注册到OpRegistry之中。

OP构建过程

例如，REGISTER_OP(“ZerosLike”)向系统注册了一个zeros_like的OP，在运行时实现了OpDef的翻译表达。

OP注册

构造OP

在前端，用户使用OP构造器实现OP的构造，并将OP注册到计算图中。在计算图构造期间，OP的输入/输出的类型，Shape得以确定，OP属性值也得以确定。

计算图的构造过程，实际上就是GraphDef定义过程。其中，OP的属性值承载于NodeDef，计算图构造期间，NodeDef的属性值得以确定。

在计算图执行启动时，通过调用Session.run，将整个GraphDef传递给后端，并启动计算图的执行。例如，存在如下的计算图构造过程：

tensor = tf.constant([1, 2], name="n1")
zeros  = tf.zeros_like(tensor, name="n2")

ZerosLike的上游节点为n1，其src_output=0输出边流入ZerosLike。此时，ZerosLike的属性T的值自动推演为DT_INT32，两个节点构造了一个简单的计算图。

OP构造

执行OP

在计算图执行期间，输入由上游OP流入得以确定，根据特定设备类型，输入输出类型，多态选择合适的Kernel实现，并启动Kernel的计算过程。

例如，如果zeros_like上游输入为[1, 2, 3, 4]，进过zeros_like的OP运算，输出为[0, 0, 0, 0]。

OP执行