diff --git a/paddle/operators/rnn_design.md b/paddle/operators/rnn_design.md new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..3d38b9a0ad225fd8e0c1bb037474b292b1887f5b --- /dev/null +++ b/paddle/operators/rnn_design.md @@ -0,0 +1,239 @@ +# RNN 变长输入设计 +对变长序列的学习，现有主流框架比如 tensorflow, pytorch, caffe2, mxnet 等均使用了padding的方式， +即将一个mini-batch内不同长度的序列补0到固定长度参与计算。 + +现有Paddle包括 `RecurrentLayerGroup` 在内的RNN均实现了无padding的变长序列支持，本文也将基于该模块的思路，设计重构后的变长序列支持。 + +## 背景介绍 +由于tensor必须有明确的shape，因此基于tensor 的主流框架在存储变长序列时， +必须用zero-padding的方式将变长序列补全为固定shape的tensor。 + +由于padding是一种框架实现变长序列的妥协， 从用户角度，在使用RNN类模型时自然会比较介意padding的存在， +因此会有pytorch中对非padding方式变长序列支持长篇的讨论[3]。 + +由于padding对内存和计算会有额外的消耗，tensorflow和mxnet均使用了bucketing来进行优化[1][2]， +但不管是padding还是bucket，对于用户都是额外的使用负担。 + +因此，**paddle原生支持变长序列的方式，能直接满足用户对变长序列的最直接的需求，在当前主流平台中可以算是一大优势**。 + +但对变长序列的支持，需要对目前框架做一些修改，下面讨论如何在最小修改下支持变长序列。 + +## 多层序列数据格式 `LODTensor` +目前 Paddle 会将一个mini-batch内的数据存储在一维的内存上， +额外使用 `Argument.sequenceStartPositions` 来存储每个句子的信息。 + +Paddle里使用 `Argument.subSequenceStartPositions` 来存储2层的序列信息，更高维度的序列则无法直接支持； + +为了支持 `N-level` 序列的存储，本文将序列信息定义成如下数据结构: + +```c++ +std::shared_ptr>> lod_start_pos_; +``` + +或者更明确的定义 + +```c++ +typedef std::vector level_t; +std::vector lod_start_pos; +``` + +这里的每一个 `level_t` 存储一个粒度(level)的偏移信息，和paddle目前做法一致。 + +为了更透明地传递序列信息，我们引入了一种新的tensor 称为 `LODTensor`[4]， +其关于tensor相关的接口都直接继承自 `Tensor`，但另外添加了序列相关接口。 +如此，在操作一个 `LODTensor` 时，普通 `Op` 直接当成 `Tensor` 使用， +而操作序列的 `Op` 会额外操作 `LODTensor` 的变长序列操作的相关接口。 + +`LODTensor` 具体定义如下： + +```c++ +class LODTensor : public Tensor { +public: + size_t Levels() const { return seq_start_positions_.size(); } + size_t Elements(int level = 0) const { + return seq_start_positions_[level].size(); + } + // slice of level[elem_begin: elem_end] + // NOTE low performance in slice seq_start_positions_. + // TODO should call Tensor's Slice. + LODTensor LODSlice(int level, int elem_begin, int elem_end) const; + + // slice with tensor's data shared with this. + LODTensor LODSliceShared(int level, int elem_begin, int elem_end) const; + + // copy other's lod_start_pos_, to share LOD info. + // NOTE the LOD info sould not be changed. + void ShareConstLODFrom(const LODTensor &other) { + lod_start_pos_ = other.lod_start_pos_; + } + // copy other's lod_start_pos_'s content, free to mutate. + void ShareMutableLODFrom(const LODTensor &other) { + lod_start_pos_ = std::make_shared < + std::vector>(other.lod_start_pos_.begin(), + other.lod_start_pos_.end()); + } + +private: + std::shared_ptr>> lod_start_pos_; +}; +``` + +其中， `lod_start_pos_` 使用了 `shared_ptr` 来减少存储和复制的代价， +可以认为 `LODTensor` 是 `Tensor` 的扩展，几乎完全兼容原始 `Tensor` 的使用。 + +## 框架支持 +### 框架现有的 `Tensor` 调用替换为 `LODTensor` +为了实现 `LODTensor` 的传递，框架里很多 `Tensor` 都需要变成 `LODTensor`， +简单实现，直接 **把之前所有的`Tensor` 全部替换成 `LODTensor`，这里可以直接修改 `pybind.cc` 里面创建`Tensor`的接口**。 + +此外，用户有可能需要感知序列的存在（比如序列的可视化需要解析模型中输出的序列），因此一些序列操作的API也需要暴露到 python 层。 + +### `lod_start_pos` 随着Op调用链传递 +框架需要支持下列特性，以实现`lod_start_pos`的传递： + +1. 以 `shared_ptr` 的方式实现传递 + - 不修改 `lod_start_pos` 内容的作为 consumer + - 修改 `lod_start_pos` 的作为 producer + - 约定 consumer 只需要复制传递过来的 `shared_ptr` + - producer 需要创建自己的独立的内存，以存储自己独立的修改，并暴露 `shared_ptr` 给后续 consumer + - 由于传递过程是以复制`shared_ptr`的方式实现，因此框架只需要传递一次 `lod_start_pos` + +2. 对于不感知 `lod_start_pos` 的Op足够透明 +3. 需要修改 `lod_start_pos` 的producer Op可以在 `Run` 时更新自己的 `lod_start_pos` 数据 + +具体的设计分为以下3小节 + +#### `load_start_pos` 的传递 + +- 对于不需要修改 `lod_start_pos` 的情况，调用 LODTensor的 `ShareConstLODFrom` 接口实现复制 +- 需要修改的，调用`ShareMutableLODFrom` 接口自己分配内存以存储修改 + +#### 框架透明 +传递这一步需要加入到网络跑之前的初始化操作中，并且只需要初始化一次，基于当前框架设计的初步方案如下 + +- 在 Op 的 `attrs` 中添加一项 `do_mutate_lod_info` 的属性，默认为 `false` + - 有需要修改 `lod_start_pos` 的Op需要在定义 `OpProto` 时设置为 `true` +- `OperatorBase` 的 `InferShape` 中会读取 `do_mutate_lod_info` ，并且调用 `LODTensor` 相关的方法实现 `lod_start_pos` 的复制。 +- `OperatorBase` 中添加一个 member `is_lod_inited{false}` 来保证传递只进行一次 + +一些逻辑如下 + +```c++ +class OperatorBase { +public: + // ... + void InferShape() { + if (!is_load_inited) { + bool do_mutate_lod_info = GetAttr("do_mutate_load_info"); + // find a input having LOD to copy + auto lod_input = ValidLODInput(); + for (auto &output : outputs) { + if (do_mutate_load_info) { + output.ShareMutableLODFrom(lod_input); + } else { + output.ShareConstLODFrom(load_input); + } + } + is_pod_inited = true; + } + + // call op's InferShape + // ... + } + +private: + // ... + bool is_lod_inited{false}; +}; +``` + +如此，`lod_start_pos` 的信息的传递对非OLD的Op的实现是完全透明的。 + +#### `lod_start_pos` 的更新 +上一小节介绍到，对于需要修改 `load_start_pos` 的Op，`OperatorBase` 会分配一块自己的内存以存储修改， +Op在 `Run` 的实现中，操作更新自己的 `load_start_pos` ， +而所有依赖其 outputs 的 op 会通过共享的指针自动获取到其更新。 + +## 根据长度排序 +按照长度排序后，从前往后的时间步的batch size会自然地递减，可以直接塞入 Net 做batch计算 + +比如原始的输入： + +``` +origin: +xxxx +xx +xxx + +-> sorted: +xxxx +xxx +xx +``` + +经过 `SegmentInputs` 之后，每个会有4个时间步，每个时间步的输入如下（纵向排列） + +``` +0 1 2 3 +x x x x +x x x +x x +``` + +为了追踪排序前后序列的变化，这里用 +```c++ +struct SortedSeqItem { + void *start{nullptr}; + void *end{nullptr}; +}; + +std::vector sorted_seqs; +``` +来追踪序列排序后的位置，并添加一个新的接口 + +```c++ +std::vector SortBySeqLen(const LODTensor& tensor); +``` + +由于输入序列的顺序变化，以下现有的接口需要针对性地修改： + +- InitMemories, memory需要根据 `sorted_seqs` 重新排列 +- SetmentInputs +- ConcatOutputs + +此外，由于 `sorted_seqs` 需要被 `RecurrentGradientOp` 复用，因此会变成 `RecurrentOp` 一个新的output输出， +之后作为 `RecurrentGradientOp` 的一个输入传入。 + +## InitMemories +由于序列顺序的变化，`boot_memories` 的batch上的element的顺序也需要对应重新排列。 + +## SegmentInputs +`SegmentInputs` 会依赖 `sorted_seqs` 的信息，将原始的序列按照排序后的序列顺序，从横向切割，转为每个step中的inputs。 + +即下面的转变： +``` +origin: +xxxx +xx +xxx + + | + | + \ / + ! +0 1 2 3 +x x x x +x x x +x x +``` +## ConcatOutputs +`ConcatOutputs` 需要 + +- 将每个时间步的输出重新还原为原始输入的序列顺序（以防止Infer阶段顺序打乱） +- 将每个序列concat 为规则的mini-batch表示 + +## 参考文献 +1. [Tensorflow Bucketing](https://www.tensorflow.org/versions/r0.12/api_docs/python/contrib.training/bucketing) +2. [mxnet Bucketing](http://mxnet.io/how_to/bucketing.html) +3. [variable length input in RNN scenario](https://discuss.pytorch.org/t/about-the-variable-length-input-in-rnn-scenario/345/5) +4. [Level of details](https://en.wikipedia.org/wiki/Level_of_detail)