# 如何写新的Operator - [概念简介](#概念简介) - [实现C++类](#实现c类) - [定义ProtoMaker类](#定义protomaker类) - [定义Operator类](#定义operator类) - [定义OpKernel类](#定义opkernel类) - [注册Operator](#注册operator) - [编译](#编译) - [绑定Python](#绑定python) - [实现单元测试](#实现单元测试) - [前向Operator单测](#前向operator单测) - [反向Operator单测](#反向operator单测) - [编译和执行](#编译和执行) - [注意事项](#注意事项) ## 概念简介 简单介绍需要用到基类，详细介绍请参考设计文档。 - `framework::OperatorBase`: Operator(简写，Op)基类。 - `framework::OpKernel`: Op计算函数的基类，称作Kernel。 - `framework::OperatorWithKernel`：继承自OperatorBase，Op有计算函数，称作有Kernel。 - `class OpProtoAndCheckerMaker`：描述该Op的输入、输出、属性、注释,主要用于Python API接口生成 依据是否包含kernel，可以将Op分为两种：包含Kernel的Op和不包含kernel的Op，前者Op的定义继承自`OperatorWithKernel`，后者继承自`OperatorBase`。本教程主要介绍带Kernel的Op如何写，简单总结Op需要包含的内容如下：
内容 定义位置
OpProtoMake定义 .cc 文件，Backward Op不需要定义OpProtoMake
Op定义 .cc 文件
Kernel实现 CPU、CUDA共享Kernel实现在.h 文件中，否则，CPU 实现在.cc 文件中，CUDA 实现在.cu 文件中。
注册Op Op注册实现在.cc 文件；Kernel注册CPU实现在.cc 文件中，CUDA实现在.cu 文件中
实现新的op都添加至目录[paddle/fluid/operators](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/tree/develop/paddle/fluid/operators)下，文件命名以`*_op.h`（如有） 、 `*_op.cc` 、`*_op.cu`（如有）结尾。**系统会根据文件名自动构建op和其对应的Python扩展。** 下面以矩阵乘操作，即[MulOp](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc)为例来介绍如何写带Kernel的Operator。 ## 实现C++类 ### 定义ProtoMaker类 矩阵乘法的公式：$Out = X * Y$, 可见该计算由两个输入，一个输出组成。 首先定义`ProtoMaker`来描述该Op的输入、输出，并添加注释： ```cpp class MulOpMaker : public framework::OpProtoAndCheckerMaker { public: MulOpMaker(OpProto *proto, OpAttrChecker *op_checker) : OpProtoAndCheckerMaker(proto, op_checker) { AddInput("X", "(Tensor), 2D tensor of size (M x K)"); AddInput("Y", "(Tensor), 2D tensor of size (K x N)"); AddOutput("Out", "(Tensor), 2D tensor of size (M x N)"); AddComment(R"DOC( Two Element Mul Operator. The equation is: Out = X * Y )DOC"); } }; ``` [`MulOpMaker`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc#L76-L127)继承自`framework::OpProtoAndCheckerMaker`，构造函数含有2个参数： - `framework::OpProto` ： 前者存储Op的输入输出和参数属性，将用于Python API接口的生成。 - `framework::OpAttrChecker` ：后者用于检查参数属性的合法性。 构造函数里通过`AddInput`添加输入参数，通过`AddOutput`添加输出参数，通过`AddComment`添加Op的注释。这些函数会将对应内容添加到`OpProto`中。 上面的代码在`MulOp`中添加两个输入`X`和`Y`，添加了一个输出`Out`，并解释了各自含义，命名请遵守[命名规范](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/doc/fluid/dev/name_convention.md)。 再以[`ScaleOp`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/scale_op.cc#L38-L55)为例： ```cpp template class ScaleOpMaker : public framework::OpProtoAndCheckerMaker { public: ScaleOpMaker(OpProto *proto, OpAttrChecker *op_checker) : OpProtoAndCheckerMaker(proto, op_checker) { AddInput("X", "(Tensor) Input tensor of scale operator."); AddOutput("Out", "(Tensor) Output tensor of scale operator."); AddComment(R"DOC( Scale operator $$Out = scale*X$$ )DOC"); AddAttr("scale", "(float, default 1.0)" "The scaling factor of the scale operator.") .SetDefault(1.0); } }; ``` 这个例子有`AddAttr("scale", "...").SetDefault(1.0);` : 增加`scale`系数，作为参数属性，并且设置默认值为1.0。 ### 定义GradProtoMaker类 每个Op的必须有一个对应的GraProtoMaker，若未定制对应前向Op的GradProtoMaker，fluid提供了DefaultGradProtoMaker，默认注册会使用全部输入输出，包括Input, Output, Output@Grad等，使用不需要的变量的会造成显存浪费。 下面示例定义了ScaleOp的GradProtoMaker。 ```cpp class ScaleGradMaker : public framework::SingleGradOpDescMaker { public: using framework::SingleGradOpDescMaker::SingleGradOpDescMaker; std::unique_ptr Apply() const override { auto *grad_op = new framework::OpDesc(); grad_op->SetType("scale"); grad_op->SetInput("X", OutputGrad("Out")); grad_op->SetOutput("Out", InputGrad("X")); grad_op->SetAttr("scale", GetAttr("scale")); return std::unique_ptr(grad_op); } }; ``` ### 定义Operator类 下面实现了MulOp的定义： ```cpp class MulOp : public framework::OperatorWithKernel { public: using framework::OperatorWithKernel::OperatorWithKernel; protected: void InferShape(const framework::InferShapeContext &ctx) const override { //never use Input or Output if you want a to get a LoDTensor. auto dim0 = ctx.Input("X")->dims(); auto dim1 = ctx.Input("Y")->dims(); PADDLE_ENFORCE_EQ(dim0.size(), 2, "input X(%s) should be a tensor with 2 dims, a matrix", ctx.op_.Input("X")); PADDLE_ENFORCE_EQ(dim1.size(), 2, "input Y(%s) should be a tensor with 2 dims, a matrix", ctx.op_.Input("Y")); PADDLE_ENFORCE_EQ( dim0[1], dim1[0], "First matrix's width must be equal with second matrix's height."); ctx.Output("Out")->Resize({dim0[0], dim1[1]}); } }; ``` [`MulOp`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc#L22)继承自`OperatorWithKernel`。`public`成员： ```cpp using framework::OperatorWithKernel::OperatorWithKernel; ``` 这句表示使用基类`OperatorWithKernel`的构造函数，也可写成： ```cpp MulOp(const std::string &type, const framework::VariableNameMap &inputs, const framework::VariableNameMap &outputs, const framework::AttributeMap &attrs) : OperatorWithKernel(type, inputs, outputs, attrs) {} ``` 还需要重写`InferShape`接口。`InferShape`为const函数，不能修改Op的成员变量，参数为`const framework::InferShapeContext &ctx`，通过该参数可获取到输入输出以及属性。它的功能是： - 做检查， 尽早报错：检查输入数据维度、类型等是否合法。 - 设置输出Tensor的形状。 通常`OpProtoMaker`和`Op`类的定义写在`.cc`文件中，和下面将要介绍的注册函数一起放在`.cc`中 ### 定义OpKernel类 `MulKernel`继承自`framework::OpKernel`，带有下面两个模板参数: - `typename DeviceContext`: 表示设备类型，不同设备(CPU、CUDA)共享同一个Kernel时，需加该模板参数，不共享则不加，一个不共享的例子是[`OnehotCrossEntropyOpKernel`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/cross_entropy_op.h#L43)。 - `typename T` : 表示数据类型，如`float`, `double`等。 需要为`MulKernel`类重写`Compute`接口。 - `Compute`接受一个输入参数：`const framework::ExecutionContext& context`。 - 与`InferShapeContext`相比，`ExecutionContext`增加了设备类型，同样可获取到输入输出和属性参数。 - `Compute`函数里实现`OpKernel`的具体计算逻辑。 Op的输入和输出可分别通过`ExecutionContext::Input()`和`ExecutionContext::Output()`获得。 **注意：** 若op的输入/输出的变量类型是`LoDTensor`（fluid默认所有的Tensor默认都是LoDTensor类型），请写成`ExecutionContext::Input()`和`ExecutionContext::Output()`，不要写`ExecutionContext::Input()`和`ExecutionContext::Output()`。因为若实际的变量类型为`SelectedRows`，`Input()`和`Output()`方法会将`SelectedRows`类型特化为`Tensor`，导致潜在的错误。 下面是 `MulKernel` `Compute`的实现： ```cpp template class MulKernel : public framework::OpKernel { public: void Compute(const framework::ExecutionContext& context) const override { auto* X = context.Input("X"); auto* Y = context.Input("Y"); auto* Z = context.Output("Out"); Z->mutable_data(context.GetPlace()); auto& device_context = context.template device_context(); math::matmul(*X, false, *Y, false, 1, Z, 0, device_context); } }; ``` 需要注意：**不同设备(CPU、CUDA)共享一个Op定义，是否则共享同一个`OpKernel`，取决于`Compute`调用的函数是否支持不同设备。** `MulOp`的CPU、CUDA实现共享同一个`Kernel`。`OpKernel`不共享的例子可以参考：[`OnehotCrossEntropyOpKernel`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/cross_entropy_op.h#L43)。 为了使`OpKernel`的计算过程书写更加简单，并且CPU、CUDA的代码可以复用，我们通常借助 Eigen unsupported Tensor模块来实现`Compute`接口。关于在PaddlePaddle中如何使用Eigen库，请参考[使用文档](https://github.com/PaddlePaddle/FluidDoc/blob/release/1.0/doc/fluid/dev/use_eigen_cn.md)。 到此，前向Op实现完成。接下来，需要在`.cc`文件中注册该op和kernel。 反向Op类的定义，反向OpKernel的定义与前向Op类似，这里不再赘述。**但需注意反向Op没有`ProtoMaker`**。 ### 注册Operator - 在`.cc`文件中注册前向、反向Op类，注册CPU Kernel。 ```cpp namespace ops = paddle::operators; REGISTER_OPERATOR(mul, ops::MulOp, ops::MulOpMaker, paddle::framework::DefaultGradOpDescMaker) REGISTER_OPERATOR(mul_grad, ops::MulGradOp) REGISTER_OP_CPU_KERNEL(mul, ops::MulKernel); REGISTER_OP_CPU_KERNEL(mul_grad, ops::MulGradKernel); ``` 在上面的代码中： - `REGISTER_OPERATOR` ： 注册`ops::MulOp`类，类型名为`mul`，该类的`ProtoMaker`为`ops::MulOpMaker`，注册`ops::MulOpGrad`，类型名为`mul_grad`。 - `REGISTER_OP_CPU_KERNEL` ：注册`ops::MulKernel`类，并特化模板参数为`paddle::platform::CPUPlace`和`float`类型，同理，注册`ops::MulGradKernel`类。 - 在 `.cu`文件中注册CUDA Kernel。 - 请注意，如果CUDA Kernel的实现基于Eigen unsupported模块，那么在 `.cu`的开始请加上宏定义 `#define EIGEN_USE_GPU`，代码示例如下： ```cpp // if use Eigen unsupported module before include head files #define EIGEN_USE_GPU namespace ops = paddle::operators; REGISTER_OP_CUDA_KERNEL(mul, ops::MulKernel); REGISTER_OP_CUDA_KERNEL(mul_grad, ops::MulGradKernel); ``` ### 编译 运行下面命令可以进行编译： ``` make mul_op ``` ## 绑定Python 系统会对新增的op自动绑定Python，并链接到生成的lib库中。 ## 实现单元测试 单测包括对比前向Op不同设备(CPU、CUDA)的实现、对比反向OP不同设备(CPU、CUDA)的实现、反向Op的梯度测试。下面介绍介绍[`MulOp`的单元测试](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/fluid/tests/unittests/test_mul_op.py)。 ### 前向Operator单测 Op单元测试继承自`OpTest`。各项更加具体的单元测试在`TestMulOp`里完成。测试Operator，需要： 1. 在`setUp`函数定义输入、输出，以及相关的属性参数。 2. 生成随机的输入数据。 3. 在Python脚本中实现与前向operator相同的计算逻辑，得到输出值，与operator前向计算的输出进行对比。 4. 反向计算已经自动集成进测试框架，直接调用相应接口即可。 ```python import unittest import numpy as np from op_test import OpTest class TestMulOp(OpTest): def setUp(self): self.op_type = "mul" self.inputs = { 'X': np.random.random((32, 84)).astype("float32"), 'Y': np.random.random((84, 100)).astype("float32") } self.outputs = {'Out': np.dot(self.inputs['X'], self.inputs['Y'])} def test_check_output(self): self.check_output() def test_check_grad_normal(self): self.check_grad(['X', 'Y'], 'Out', max_relative_error=0.5) def test_check_grad_ingore_x(self): self.check_grad( ['Y'], 'Out', max_relative_error=0.5, no_grad_set=set("X")) def test_check_grad_ingore_y(self): self.check_grad( ['X'], 'Out', max_relative_error=0.5, no_grad_set=set('Y')) ``` 上面的代码首先导入依赖的包，下面是对`setUp`函数中操作的重要变量的详细解释： - `self.op_type = "mul" ` : 定义类型，与operator注册时注册的类型一致。 - `self.inputs` : 定义输入，类型为`numpy.array`，并初始化。 - `self.outputs` : 定义输出，并在Python脚本中完成与operator同样的计算逻辑，返回Python端的计算结果。 ### 反向operator单测 而反向测试中： - `test_check_grad_normal`中调用`check_grad`使用数值法检测梯度正确性和稳定性。 - 第一个参数`["X", "Y"]` : 指定对输入变量`X`、`Y`做梯度检测。 - 第二个参数`"Out"` : 指定前向网络最终的输出目标变量`Out`。 - 第三个参数`max_relative_error`：指定检测梯度时能容忍的最大错误值。 - `test_check_grad_ingore_x`和`test_check_grad_ingore_y`分支用来测试只需要计算一个输入梯度的情况。 ### 编译和执行 `python/paddle/fluid/tests/unittests/` 目录下新增的 `test_*.py` 单元测试会被自动加入工程进行编译。 请注意，**不同于Op的编译测试，运行单元测试测时需要编译整个工程**，并且编译时需要打开`WITH_TESTING`, 即`cmake paddle_dir -DWITH_TESTING=ON`。编译成功后，执行下面的命令来运行单元测试： ```bash make test ARGS="-R test_mul_op -V" ``` 或者: ```bash ctest -R test_mul_op ``` ## 注意事项 - 注册Op时的类型名，需要和该Op的名字一样。即不允许在`A_op.cc`里面，注册`REGISTER_OPERATOR(B, ...)`等，这将会导致单元测试出错。 - 如果Op没有实现CUDA Kernel，请不要创建空的`*_op.cu`，这将会导致单元测试出错。 - 如果多个Op依赖一些共用的函数，可以创建非`*_op.*`格式的文件来存放，如`gather.h`文件。 ### PADDLE_ENFORCE使用注意 实现Op时检查数据的合法性需要使用PADDLE_ENFORCE以及PADDLE_ENFORCE_EQ等宏定义，基本格式如下： ``` PADDLE_ENFORCE(表达式, 错误提示信息) PADDLE_ENFORCE_EQ(比较对象A, 比较对象B, 错误提示信息) ``` 如果表达式为真，或者比较对象A=B，则检查通过，否则会终止程序运行，向用户反馈相应的错误提示信息。 为了确保提示友好易懂，开发者需要注意其使用方法。 #### 总体原则 任何使用了PADDLE_ENFORCE与PADDLE_ENFORCE_**检查的地方，必须有详略得当的备注解释！**错误提示信息**不能为空！ #### 提示信息书写标准 1. [required] 哪里错了？为什么错了？ - 例如：`ValueError: Mismatched label shape` 2. [optional] 期望的输入是什么样的？实际的输入是怎样的？ - 例如：`Expected labels dimension=1. Received 4.` 3. [optional] 能否给出修改意见？ - 例如：`Suggested Fix:If your classifier expects one-hot encoding label,check your n_classes argument to the estimatorand/or the shape of your label.Otherwise, check the shape of your label.` 如果并非必要或者简洁的描述即可表达清楚以上要点，根据情况书写亦可。 #### FAQ 典型问题 1. 无报错信息或报错信息过于简单，不能给用户提供有效的提示！ 问题示例1 ：未写提示信息 ``` PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("X"), ""); ``` 问题示例2 ：提示信息过于简单 ``` PADDLE_ENFORCE(i != nullptr, "i must be set"); // i是什么？ ``` 2. 在报错信息中使用开发人员定义的变量缩写，不易理解！ 问题示例： ``` PADDLE_ENFORCE(forward_pd != nullptr, "Fail to find eltwise_fwd_pd in device context"); //eltwise_fwd_pd用户可能看不懂 ``` 3. OP内部调用非法接口：Op内部如果出现Output = ShareDataWith(Input) 问题示例： ```cpp auto *out = ctx.Output("Out"); auto *in = ctx.Input("X"); out->ShareDataWith(*in); ``` Op内部如果出现Output = ShareDataWith(Input)，相当于operator图的中有一条隐藏边，连接了Input和Output，这条边无法在图分析中表达，引发基于图优化的错误。 4. OP实现的性能实践 调用了eigen的broadcast, chop等操作，性能会比手写cuda kernel差几倍以上。此时cpu的实现可以复用eigen，gpu实现可以实现cuda kernel. #### OP InferShape检查提示信息特别说明 - 检查输入输出变量，请统一遵循以下格式 `Input(变量名) of OP名 operator should not be null.` 正确示例： ``` PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("Input"), "Input(Input) of LSTMP operator should not be null."); ``` - 反向Op的输入输出检查，要写明反向Op的名字 正确示例： ``` PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("X"), "Input(X) of LoDResetGrad opreator should not be null."); ```