模型辅助转换工具教程

2020/05/02 Tutorial

前言

Pytorch凭借其成熟性和易用性,受到了大家的欢迎,是目前学术界使用最为广泛的深度学习框架之一。

为了方便大家尽快地使用和了解Jittor,我们提供了一个简单的Pytorch模型代码转Jittor模型的脚本。我们经过大量用户调研,发现大家更容易接受Class+Module的代码书写风格,因此Jittor强调底层代码的优化和创新,在前端仍采用大家熟悉的Class+Module方式。这为Pytorch模型代码转Jittor提供了很大的便利。

我们提供了简单的脚本来转换模型model代码,其他代码(数据集、训练代码)暂不支持转换。

在本教程中,第一部分,我们会展示如何使用该脚本转换您的Pytorch代码,我们将torchvision.models里提供的AlexNet[1]、VGG[2]、ResNet[3]、SqueezeNet[4]、Wide ResNet[5]转换成了Jittor的模型;第二部分,我们将简单介绍转换原理,以便用户自行修改转换脚本。第三部分,我们将介绍如何正确地测试PytorchJittor的时间性能;第四部分,将展示PytorchmodelJittormodel在相同条件下的时间性能测试结果。

第一部分 如何使用转换脚本

首先,按照安装教程成功安装Jittor。将您的模型代码放在下面测试代码中的pytorch_code里或者通过文件读入,然后运行convert(pytorch_code)来完成转换。示例代码如下。

from jittor.utils.pytorch_converter import convert

pytorch_code="""
from torch import nn

class AlexNet(nn.Module):

    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(192, 384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes),
        )

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x
"""

jittor_code = convert(pytorch_code)
print(jittor_code)

你将会得到如下输出,成功转换!

import jittor as jt
from jittor import init
from jittor import nn

class AlexNet(nn.Module):

    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv(3, 64, 11, stride=4, padding=2), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Pool(3, stride=2, op='maximum'), 
            nn.Conv(64, 192, 5, padding=2), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Pool(3, stride=2, op='maximum'), 
            nn.Conv(192, 384, 3, padding=1), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Conv(384, 256, 3, padding=1), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Conv(256, 256, 3, padding=1), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Pool(3, stride=2, op='maximum')
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(), 
            nn.Linear(((256 * 6) * 6), 4096), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Dropout(), 
            nn.Linear(4096, 4096), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Linear(4096, num_classes)
        )

    def execute(self, x):
        x = self.features(x)
        x = jt.flatten(x, start_dim=1)
        x = self.classifier(x)
        return x

我们对torchvision.models里提供的AlexNet[1]、VGG[2]、ResNet[3]、SqueezeNet[4]、Wide ResNet[5]进行了转换,并进行了前向时间测试。

第二部分 转换原理

pytorch_converter.py里有一张映射表pjmap,通过这张表可以将Pytorch的函数转换为Jittor的函数。

下面举例说明PytorchAvgPool2d是如何转换为JittorPool的。

下面是PytorchAvgPool2d的实现。

class AvgPool2d(Module):
    def __init__(self, kernel_size, stride=None, padding=0, ceil_mode=False, count_include_pad=True, divisor_override=None):
        ...
    
    def forword(self, x):
        ...

假如您在Jittor中实现了Pool,如下。

class Pool(Module):
    def __init__(self, kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=None, return_indices=None, ceil_mode=False, op="maximum"):
        ...
    
    def execute(self, x):
        ...

那么您需要在pytorch_converter.pypjmap中添加下面这个转换映射项,来完成AvgPool2dPool的映射。

# Pytorch的函数名称
'AvgPool2d': {
        'pytorch': {
            'args': 'kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False', # Pytorch的参数
        },
        'jittor': {
            'module': 'nn', # 该函数在Jittor的哪个module
            'name': 'Pool', # Jittor对应的函数名称
            'args': 'kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=None, return_indices=None, ceil_mode=False, op="maximum"' # Jittor参数
        },
        'links': {},
        'extras': {
            "op": "'mean'",
        },
    },

其中,extras中填写给某个参数赋值。因为JittorPool默认opmaximum,如果不额外赋值为mean,上面的项是转的MaxPool2d

除了extras,还有linksdelete两个选项供大家使用。下面举例它们的用法。

links用于参数名称不一样,但是代表的含义一样的情况,可以使用links把参数对应起来。例如uniform_的参数名称不同的,但是含义相同,就可以按照下面的写法来写。

'uniform_': {
        'pytorch': {
            'args': "tensor, a=0.0, b=1.0", 
        },
        'jittor': {
            'module': 'init',
            'name': 'uniform_',
            'args': 'var, low, high'
        },
        'links': {'tensor': 'var', 'a': 'low', 'b': 'high'},
        'extras': {},
    },

delete用于删除一些参数,因为这些参数在Jittor中不再使用。例如ReLU中的inplaceJittor中已不再使用,可以直接把它添加到delete中。

'ReLU': {
        'pytorch': {
            'args': 'inplace=False', 
        },
        'jittor': {
            'module': 'nn',
            'name': 'ReLU',
            'args': ''
        },
        'links': {},
        'extras': {},
        'delete': ['inplace'],
    },

总结一下,需要将PytorchJittor对应函数的名称和参数列表填入,如果需要用到下面三项可按功能使用。若函数名称、参数列表完全相同,即不需转换,便可不用增加转换映射项。

  • extras:用于给变量额外赋值
  • links:用于将名称不一样但含义相同的参数对应起来
  • delete:用于删除Jittor不再使用的参数

我们提供了接口pjmap_append用于添加转换映射项,函数参数如下:

  • pytorch_func_name: Pytorch函数名称
  • pytorch_args: Pytorch参数列表
  • jittor_func_module: Jittor函数属于哪个Module
  • jittor_func_name: Jittor函数名称
  • jittor_args: Jittor参数列表
  • extras: 参数赋值
  • links: 连接参数
  • delete: 删除参数

下面展示使用该接口将PytorchAvgPool2d是如何转换为JittorPool

from jittor.utils.pytorch_converter import pjmap_append
pjmap_append(pytorch_func_name='AvgPool2d', 
            pytorch_args='kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False',
            jittor_func_module='nn',
            jittor_func_name='Pool',
            jittor_args='kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=None, return_indices=None, ceil_mode=False, op="maximum"',
            extras={"op": "'mean'"})

第三部分 时间性能测试方法

首先,为了保证速度测试不受任何其他因素干扰,我们先定义一张bs,3,224,224numpy图像,然后转换成torch.Tensor以及jittor.array,以此保证输入两个框架模型的矩阵相同。其次,Jittor加载Pytorch的初始化参数来保证参数完全相同,一来保证速度不受参数不同的影响,二来查看两个框架的输出是否一样来检查结果正确与否。

import torch
import jittor as jt
jt.flags.use_cuda = 1

# 定义numpy输入矩阵
bs = 32
test_img = np.random.random((bs,3,224,224)).astype('float32')

# 定义 pytorch & jittor 输入矩阵
pytorch_test_img = torch.Tensor(test_img).cuda()
jittor_test_img = jt.array(test_img)

# 跑turns次前向求平均值
turns = 100

# 定义 pytorch & jittor 的xxx模型,如vgg
pytorch_model = xxx().cuda()
jittor_model = xxx()

# 把模型都设置为eval来防止dropout层对输出结果的随机影响
pytorch_model.eval()
jittor_model.eval()

# jittor加载pytorch的初始化参数来保证参数完全相同
jittor_model.load_parameters(pytorch_model.state_dict())

下面是测试Pytorch前向传播的代码,在被测试代码pytorch_result = pytorch_model(pytorch_test_img)前后都执行torch.cuda.synchronize()来保证测得的时间是该测试代码的时间。

# 测试Pytorch一次前向传播的平均用时
for i in range(10):
    pytorch_result = pytorch_model(pytorch_test_img) # Pytorch热身
torch.cuda.synchronize()
sta = time.time()
for i in range(turns):
    pytorch_result = pytorch_model(pytorch_test_img)
torch.cuda.synchronize() # 只有运行了torch.cuda.synchronize()才会真正地运行,时间才是有效的,因此执行forward前后都要执行这句话
end = time.time()
tc_time = round((end - sta) / turns, 5) # 执行turns次的平均时间,输出时保留5位小数
tc_fps = round(bs * turns / (end - sta),0) # 计算FPS
print(f"- Pytorch {key} forward average time cost: {tc_time}, Batch Size: {bs}, FPS: {tc_fps}")

下面是测试Jittor前向传播的代码,在被测试代码jittor_result = jittor_model(jittor_test_img)前后都执行jt.sync_all(True)来保证测得的时间是该测试代码的时间。

# 测试Jittor一次前向传播的平均用时
for i in range(10):
    jittor_result = jittor_model(jittor_test_img) # Jittor热身
    jittor_result.sync()
jt.sync_all(True)
# sync_all(true)是把计算图发射到计算设备上,并且同步。只有运行了jt.sync_all(True)才会真正地运行,时间才是有效的,因此执行forward前后都要执行这句话
sta = time.time()
for i in range(turns):
    jittor_result = jittor_model(jittor_test_img)
    jittor_result.sync() # sync是把计算图发送到计算设备上
jt.sync_all(True)
end = time.time()
jt_time = round((time.time() - sta) / turns, 5) # 执行turns次的平均时间,输出时保留5位小数
jt_fps = round(bs * turns / (end - sta),0) # 计算FPS
print(f"- Jittor {key} forward average time cost: {jt_time}, Batch Size: {bs}, FPS: {jt_fps}")

同时我们使用JittorPytorch输出结果的相对误差保证模型的正确性。

threshold = 1e-3
# 计算 pytorch & jittor 前向结果相对误差. 如果误差小于threshold,则测试通过.
x = pytorch_result.detach().cpu().numpy() + 1
y = jittor_result.data + 1
relative_error = abs(x - y) / abs(y)
diff = relative_error.mean()
assert diff < threshold, f"[*] {yourmodelname} forward fails..., Relative Error: {diff}"
print(f"[*] {yourmodelname} forword passes with Relative Error {diff}")

第四部分 时间性能测试结果对比

介绍了这么多,终于到了惊心动魄的时刻!下面展示我们用第一部分介绍的转换脚本将torchvision.models里提供的AlexNet[1]、VGG[2]、ResNet[3]、SqueezeNet[4]、Wide ResNet[5]转换成Jittor的模型,并在不同的batch size下,Jittor与PyTorch的单次前向性能对比,图1中横轴为不同Batch size,纵轴为FPS(每秒处理的图像数)。实验环境为:GPU为1080ti,显存11GB,CPU为i7-6850K,内存32GB,使用32位浮点数计算。

可以看出Jittor在这些常用骨干网络上的速度非常可观,大多数网络Jittor会有速度的提升。欢迎大家使用Jittor来加速自己的模型训练。

如果大家对时间测试或者测试结果有什么问题的话,欢迎在Github提Issue、或者通过Email:jittor@qq.com联系我们。

参考文献

  1. Krizhevsky, Alex. “One weird trick for parallelizing convolutional neural networks.” arXiv preprint arXiv:1404.5997 (2014).
  2. Simonyan, Karen, and Andrew Zisserman. “Very deep convolutional networks for large-scale image recognition.” arXiv preprint arXiv:1409.1556 (2014).
  3. He, Kaiming, et al. “Deep residual learning for image recognition.” Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2016.
  4. Iandola, Forrest N., et al. “SqueezeNet: AlexNet-level accuracy with 50x fewer parameters and< 0.5 MB model size.” arXiv preprint arXiv:1602.07360 (2016).
  5. Zagoruyko, Sergey, and Nikos Komodakis. “Wide residual networks.” arXiv preprint arXiv:1605.07146 (2016).

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