# Pipeline Serving

(简体中文|[English](PIPELINE_SERVING.md))

Paddle Serving 通常用于单模型的一键部署，但端到端的深度学习模型当前还不能解决所有问题，多个深度学习模型配合起来使用还是解决现实问题的常规手段。

Paddle Serving 提供了用户友好的多模型组合服务编程框架，Pipeline Serving，旨在降低编程门槛，提高资源使用率（尤其是GPU设备），提升整体的预估效率。

## 整体架构设计

Server端基于 gRPC 和图执行引擎构建，两者的关系如下图所示。

<center>
<img src='pipeline_serving-image1.png' height = "250" align="middle"/>
</center>

### 图执行引擎

图执行引擎由 OP 和 Channel 构成，相连接的 OP 之间会共享一个 Channel。

- Channel 可以理解为一个缓冲队列。每个 OP 只接受一个 Channel 的输入和多个 Channel 的输出（每个输出相同）；一个 Channel 可以包含来自多个 OP 的输出，同一个 Channel 的数据可以作为多个 OP 的输入Channel
- 用户只需要定义 OP 间的关系，在编译期图引擎负责分析整个图的依赖关系，并声明Channel
- Request 进入图执行引擎服务后会产生一个 Request Id，Reponse 会通过 Request Id 进行对应的返回
- 对于 OP 之间需要传输过大数据的情况，可以考虑 RAM DB 外存进行全局存储，通过在 Channel 中传递索引的 Key 来进行数据传输

<center>
<img src='pipeline_serving-image2.png' height = "300" align="middle"/>
</center>


### OP的设计

- 单个OP默认的功能是根据输入的 Channel 数据，访问一个 Paddle Serving 的单模型服务，并将结果存在输出的 Channel
- 单个 OP 可以支持用户自定义，包括 preprocess，process，postprocess 三个函数都可以由用户继承和实现
- 单个 OP 可以控制并发数，从而增加处理并发数
- OP 可以由线程或进程启动

### Channel的设计

- Channel 是 OP 之间共享数据的数据结构，负责共享数据或者共享数据状态信息
- Channel 可以支持多个OP的输出存储在同一个 Channel，同一个 Channel 中的数据可以被多个 OP 使用
- 下图为图执行引擎中 Channel 的设计，采用 input buffer 和 output buffer 进行多 OP 输入或多 OP 输出的数据对齐，中间采用一个 Queue 进行缓冲

<center>
<img src='pipeline_serving-image3.png' height = "500" align="middle"/>
</center>


### 极端情况的考虑

- 请求超时的处理

  整个图执行引擎每一步都有可能发生超时，图执行引擎里面通过设置 timeout 值来控制，任何环节超时的请求都会返回超时响应。

- Channel 存储的数据过大

  Channel 中可能会存储过大的数据，导致拷贝等耗时过高，图执行引擎里面可以通过将 OP 计算结果数据存储到外存，如高速的内存 KV 系统

- Channel 设计中的 input buffer 和 output buffer 是否会无限增加

  - 不会。整个图执行引擎的输入会放到一个 Channel 的 internal queue 里面，直接作为整个服务的流量控制缓冲队列
  - 对于 input buffer，根据计算量的情况调整 OP1 和 OP2 的并发数，使得 input buffer 来自各个输入 OP 的数量相对平衡
  - 对于 output buffer，可以采用和 input buffer 类似的处理方法，即调整 OP3 和 OP4 的并发数，使得 output buffer 的缓冲长度得到控制
  - 注：input buffer 的长度取决于 internal queue 中每个 item 完全 ready 的速度，output buffer 的长度取决于下游 OP 从 output buffer 获取数据的速度

## 详细设计

### 用户接口设计

#### 1. 普通 OP 定义

普通 OP 作为图执行引擎中的基本单元，其构造函数如下：

```python
def __init__(name=None,
             input_ops=[],
             server_endpoints=[],
             fetch_list=[],
             client_config=None,
             concurrency=1,
             timeout=-1,
             retry=1)
```

各参数含义如下

|      参数名      |                             含义                             |
| :--------------: | :----------------------------------------------------------: |
|       name       |    （str）用于标识 OP 类型的字符串，该字段必须全局唯一。     |
|    input_ops     |            （list）当前 OP 的所有前继 OP 的列表。            |
| server_endpoints | （list）远程 Paddle Serving Service 的 endpoints 列表。如果不设置该参数，则不访问远程 Paddle Serving Service，即 不会执行 process 操作。 |
|    fetch_list    |     （list）远程 Paddle Serving Service 的 fetch 列表。      |
|  client_config   | （str）Paddle Serving Service 对应的 Client 端配置文件路径。 |
|   concurrency    |                     （int）OP 的并发数。                     |
|     timeout      | （int）process 操作的超时时间，单位为秒。若该值小于零，则视作不超时。 |
|      retry       |       （int）超时重试次数。当该值为 1 时，不进行重试。       |

#### 2. 普通 OP二次开发接口

|                   变量或接口                   |                             说明                             |
| :--------------------------------------------: | :----------------------------------------------------------: |
|       def preprocess(self, input_dicts)        | 对从 Channel 中获取的数据进行处理，处理完的数据将作为 **process** 函数的输入。 |
|          def process(self, feed_dict)          | 基于 Paddle Serving Client 进行 RPC 预测，处理完的数据将作为 **postprocess** 函数的输入。 |
| def postprocess(self, input_dicts, fetch_dict) | 处理预测结果，处理完的数据将被放入后继 Channel 中，以被后继 OP 获取。 |
|               def init_op(self)                |                  用于加载资源（如字典等）。                  |
|              self.concurrency_idx              |   当前线程（进程）的并发数索引（不同种类的 OP 单独计算）。   |

OP 在一个运行周期中会依次执行 preprocess，process，postprocess 三个操作（当不设置 `server_endpoints` 参数时，不执行 process 操作），用户可以对这三个函数进行重写，默认实现如下：

```python
def preprocess(self, input_dicts):
  # multiple previous Op
  if len(input_dicts) != 1:
    raise NotImplementedError(
      'this Op has multiple previous inputs. Please override this func.'
    ）
  (_, input_dict), = input_dicts.items()
  return input_dict

def process(self, feed_dict):
  err, err_info = ChannelData.check_npdata(feed_dict)
  if err != 0:
    raise NotImplementedError(
      "{} Please override preprocess func.".format(err_info))
  call_result = self.client.predict(
    feed=feed_dict, fetch=self._fetch_names)
  return call_result

def postprocess(self, input_dicts, fetch_dict):
  return fetch_dict
```


**preprocess** 的参数是前继 Channel 中的数据 `input_dicts`，该变量是一个以前继 OP 的 name 为 Key，对应 OP 的输出为 Value 的字典。

**process** 的参数是 Paddle Serving Client 预测接口的输入变量 `fetch_dict`（preprocess 函数的返回值），该变量是一个以 feed_name 为 Key，对应 ndarray 格式的数据为 Value 的字典。

**postprocess** 的参数是 `input_dicts` 和 `fetch_dict`，`input_dicts` 与 preprocess 的参数一致，`fetch_dict` 是 process 函数的返回值（如果没有执行 process ，则该值为 preprocess 的返回值）。

用户还可以对 **init_op** 函数进行重写，已加载自定义的一些资源（比如字典等），默认实现如下：

```python
def init_op(self):
  pass
```

需要注意的是，在线程版 OP 中，每个 OP 只会调用一次该函数，故加载的资源必须要求是线程安全的。

#### 3. RequestOp 定义

RequestOp 用于处理 Pipeline Server 接收到的 RPC 数据，处理后的数据将会被加入到图执行引擎中。其构造函数如下：

```python
def __init__(self)
```

#### 4. RequestOp 二次开发接口

|                变量或接口                 |                    说明                    |
| :---------------------------------------: | :----------------------------------------: |
|             def init_op(self)             | 用于加载资源（如字典等），与普通 OP 一致。 |
| def unpack_request_package(self, request) |          处理接收到的 RPC 数据。           |

**unpack_request_package** 的默认实现是将 RPC request 中的 key 和 value 做成字典：

```python
def unpack_request_package(self, request):
  dictdata = {}
  for idx, key in enumerate(request.key):
    data = request.value[idx]
    try:
      data = eval(data)
    except Exception as e:
      pass
    dictdata[key] = data
  return dictdata
```

要求返回值是一个字典类型。

#### 5. ResponseOp 定义

ResponseOp 用于处理图执行引擎的预测结果，处理后的数据将会作为 Pipeline Server 的RPC 返回值，其构造函数如下：

```python
def __init__(self, input_ops)
```

其中，`input_ops` 是图执行引擎的最后一个 OP，用户可以通过设置不同的 `input_ops` 以在不修改 OP 的拓扑关系下构造不同的 DAG。

#### 6. ResponseOp 二次开发接口

|                  变量或接口                  |                    说明                     |
| :------------------------------------------: | :-----------------------------------------: |
|              def init_op(self)               | 用于加载资源（如字典等），与普通 OP 一致。  |
| def pack_response_package(self, channeldata) | 处理图执行引擎的预测结果，作为 RPC 的返回。 |

**pack_response_package** 的默认实现是将预测结果的字典转化为 RPC response 中的 key 和 value：

```python
def pack_response_package(self, channeldata):
  resp = pipeline_service_pb2.Response()
  resp.ecode = channeldata.ecode
  if resp.ecode == ChannelDataEcode.OK.value:
    if channeldata.datatype == ChannelDataType.CHANNEL_NPDATA.value:
      feed = channeldata.parse()
      np.set_printoptions(threshold=np.nan)
      for name, var in feed.items():
        resp.value.append(var.__repr__())
        resp.key.append(name)
    elif channeldata.datatype == ChannelDataType.DICT.value:
      feed = channeldata.parse()
      for name, var in feed.items():
        if not isinstance(var, str):
          resp.ecode = ChannelDataEcode.TYPE_ERROR.value
          resp.error_info = self._log(
            "fetch var type must be str({}).".format(type(var)))
          break
        resp.value.append(var)
        resp.key.append(name)
    else:
      resp.ecode = ChannelDataEcode.TYPE_ERROR.value
      resp.error_info = self._log(
        "Error type({}) in datatype.".format(channeldata.datatype))
  else:
    resp.error_info = channeldata.error_info
  return resp
```

#### 7. PipelineServer定义

PipelineServer 的定义比较简单，如下所示：

```python
server = PipelineServer()
server.set_response_op(response_op)
server.prepare_server(config_yml_path)
server.run_server()
```

其中，`response_op` 为上面提到的 ResponseOp，PipelineServer 将会根据各个 OP 的拓扑关系初始化 Channel 并构建计算图。`config_yml_path` 为 PipelineServer 的配置文件，示例文件如下：

```yaml
port: 18080  # gRPC端口号
worker_num: 1  # gRPC线程池大小（进程版 Servicer 中为进程数），默认为 1
build_dag_each_worker: false  # 是否使用进程版 Servicer，默认为 false
dag:
    is_thread_op: true  # 是否使用线程版Op，默认为 true
    client_type: brpc  # 使用 brpc 或 grpc client，默认为 brpc
    retry: 1  # DAG Executor 在失败后重试次数，默认为 1，即不重试
    use_profile: false  # 是否在 Server 端打印日志，默认为 false
```



## 例子

这里通过搭建简单的 imdb model ensemble 例子来展示如何使用 Pipeline Serving，相关代码在 `python/examples/pipeline/imdb_model_ensemble` 文件夹下可以找到，例子中的 Server 端结构如下图所示：



<center>
<img src='pipeline_serving-image4.png' height = "200" align="middle"/>
</center>


### 获取模型文件并启动 Paddle Serving Service

```shell
cd python/examples/pipeline/imdb_model_ensemble
sh get_data.sh
python -m paddle_serving_server.serve --model imdb_cnn_model --port 9292 &> cnn.log &
python -m paddle_serving_server.serve --model imdb_bow_model --port 9393 &> bow.log &
```

### 启动 PipelineServer

运行下面代码

```python
from paddle_serving_server.pipeline import Op, RequestOp, ResponseOp
from paddle_serving_server.pipeline import PipelineServer
from paddle_serving_server.pipeline.proto import pipeline_service_pb2
from paddle_serving_server.pipeline.channel import ChannelDataEcode
import numpy as np
import logging
from paddle_serving_app.reader import IMDBDataset

logging.basicConfig(level=logging.DEBUG)

_LOGGER = logging.getLogger()


class ImdbRequestOp(RequestOp):
    def init_op(self):
        self.imdb_dataset = IMDBDataset()
        self.imdb_dataset.load_resource('imdb.vocab')

    def unpack_request_package(self, request):
        dictdata = {}
        for idx, key in enumerate(request.key):
            if key != "words":
                continue
            words = request.value[idx]
            word_ids, _ = self.imdb_dataset.get_words_and_label(words)
            dictdata[key] = np.array(word_ids)
        return dictdata


class CombineOp(Op):
    def preprocess(self, input_data):
        combined_prediction = 0
        for op_name, data in input_data.items():
            _LOGGER.info("{}: {}".format(op_name, data["prediction"]))
            combined_prediction += data["prediction"]
        data = {"prediction": combined_prediction / 2}
        return data


read_op = ImdbRequestOp()
bow_op = Op(name="bow",
            input_ops=[read_op],
            server_endpoints=["127.0.0.1:9393"],
            fetch_list=["prediction"],
            client_config="imdb_bow_client_conf/serving_client_conf.prototxt",
            concurrency=1,
            timeout=-1,
            retry=1)
cnn_op = Op(name="cnn",
            input_ops=[read_op],
            server_endpoints=["127.0.0.1:9292"],
            fetch_list=["prediction"],
            client_config="imdb_cnn_client_conf/serving_client_conf.prototxt",
            concurrency=1,
            timeout=-1,
            retry=1)
combine_op = CombineOp(
    name="combine",
    input_ops=[bow_op, cnn_op],
    concurrency=5,
    timeout=-1,
    retry=1)

# use default ResponseOp implementation
response_op = ResponseOp(input_ops=[combine_op])

server = PipelineServer()
server.set_response_op(response_op)
server.prepare_server('config.yml')
server.run_server()
```

### 通过 PipelineClient 执行预测

```python
from paddle_serving_client.pipeline import PipelineClient
import numpy as np

client = PipelineClient()
client.connect(['127.0.0.1:18080'])

words = 'i am very sad | 0'

futures = []
for i in range(3):
    futures.append(
        client.predict(
            feed_dict={"words": words},
            fetch=["prediction"],
            asyn=True))

for f in futures:
    res = f.result()
    if res["ecode"] != 0:
        print(res)
        exit(1)
```



## 如何通过 Timeline 工具进行优化

为了更好地对性能进行优化，PipelineServing 提供了 Timeline 工具，对整个服务的各个阶段时间进行打点。

### 在 Server 端输出 Profile 信息

Server 端用 yaml 中的 `use_profile` 字段进行控制：

```yaml
dag:
    use_profile: true
```

开启该功能后，Server 端在预测的过程中会将对应的日志信息打印到标准输出，为了更直观地展现各阶段的耗时，提供脚本对日志文件做进一步的分析处理。

使用时先将 Server 的输出保存到文件，以 profile 为例，脚本将日志中的时间打点信息转换成 json 格式保存到trace 文件，trace 文件可以通过 chrome 浏览器的 tracing 功能进行可视化。

```shell
python timeline_trace.py profile trace
```

具体操作：打开 chrome 浏览器，在地址栏输入 chrome://tracing/ ，跳转至 tracing 页面，点击 load 按钮，打开保存的 trace 文件，即可将预测服务的各阶段时间信息可视化。

### 在 Client 端输出 Profile 信息

Client 端在 `predict` 接口设置 `profile=True`，即可开启 Profile 功能。

开启该功能后，Client 端在预测的过程中会将该次预测对应的日志信息打印到标准输出，后续分析处理同 Server。
