基于TensorFlow Serving的深度学习在线预估
一、前言
随着深度学习在图像、语言、广告点击率预估等各个领域不断发展，很多团队开始探索深度学习技术在业务层面的实践与应用。而在广告CTR预估方面，新模型也是层出不穷： Wide and Deep[^1]、DeepCross Network[^2]、DeepFM[^3]、xDeepFM[^4]，美团很多篇深度学习博客也做了详细的介绍。但是，当离线模型需要上线时，就会遇见各种新的问题： 离线模型性能能否满足线上要求、模型预估如何镶入到原有工程系统等等。只有准确的理解深度学习框架，才能更好地将深度学习部署到线上，从而兼容原工程系统、满足线上性能要求。
本文首先介绍下美团平台用户增长组业务场景及离线训练流程，然后主要介绍我们使用TensorFlow Serving部署WDL模型到线上的全过程，以及如何优化线上服务性能，希望能对大家有所启发。
二、业务场景及离线流程
2.1 业务场景
在广告精排的场景下，针对每个用户，最多会有几百个广告召回，模型根据用户特征与每一个广告相关特征，分别预估该用户对每条广告的点击率，从而进行排序。由于广告交易平台（AdExchange）对于DSP的超时时间限制，我们的排序模块平均响应时间必须控制在10ms以内，同时美团DSP需要根据预估点击率参与实时竞价，因此对模型预估性能要求比较高。
2.2 离线训练
离线数据方面，我们使用Spark生成TensorFlow[^5]原生态的数据格式tfrecord，加快数据读取。
模型方面，使用经典的Wide and Deep模型，特征包括用户维度特征、场景维度特征、商品维度特征。Wide 部分有 80多特征输入，Deep部分有60多特征输入，经过Embedding输入层大约有600维度，之后是3层256等宽全连接，模型参数一共有35万参数，对应导出模型文件大小大约11M。
离线训练方面，使用TensorFlow同步 + Backup Workers[^6]的分布式框架，解决异步更新延迟和同步更新性能慢的问题。
在分布式ps参数分配方面，使用GreedyLoadBalancing方式，根据预估参数大小分配参数，取代Round Robin取模分配的方法，可以使各个PS负载均衡。
计算设备方面，我们发现只使用CPU而不使用GPU，训练速度会更快，这主要是因为尽管GPU计算上性能可能会提升，但是却增加了CPU与GPU之间数据传输的开销，当模型计算并不太复杂时，使用CPU效果会更好些。
同时我们使用了Estimator高级API，将数据读取、分布式训练、模型验证、TensorFlow Serving模型导出进行封装。 使用Estimator的主要好处在于：
- 单机训练与分布式训练可以很简单的切换，而且在使用不同设备：CPU、GPU、TPU时，无需修改过多的代码。
- Estimator的框架十分清晰，便于开发者之间的交流。
- 初学者还可以直接使用一些已经构建好的Estimator模型：DNN模型、XGBoost模型、线性模型等。
三、TensorFlow Serving及性能优化
3.1 TensorFlow Serving介绍
TensorFlow Serving是一个用于机器学习模型Serving的高性能开源库，它可以将训练好的机器学习模型部署到线上，使用gRPC作为接口接受外部调用。TensorFlow Serving支持模型热更新与自动模型版本管理，具有非常灵活的特点。
下图为TensorFlow Serving整个框架图。Client端会不断给Manager发送请求，Manager会根据版本管理策略管理模型更新，并将最新的模型计算结果返回给Client端。
TensorFlow Serving架构，图片来源于TensorFlow Serving官方文档
美团内部由数据平台提供专门TensorFlow Serving通过YARN分布式地跑在集群上，其周期性地扫描HDFS路径来检查模型版本，并自动进行更新。当然，每一台本地机器都可以安装TensorFlow Serving进行试验。
在我们站外广告精排的场景下，每来一位用户时，线上请求端会把该用户和召回所得100个广告的所有信息，转化成模型输入格式，然后作为一个Batch发送给TensorFlow Serving，TensorFlow Serving接受请求后，经过计算得到CTR预估值，再返回给请求端。
部署TensorFlow Serving的第一版时，QPS大约200时，打包请求需要5ms，网络开销需要固定3ms左右，仅模型预估计算需要10ms，整个过程的TP50线大约18ms，性能完全达不到线上的要求。接下来详细介绍下我们性能优化的过程。
3.2 性能优化
3.2.1 请求端优化
线上请求端优化主要是对一百个广告进行并行处理，我们使用OpenMP多线程并行处理数据，将请求时间性能从5ms降低到2ms左右。
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < request->ad_feat_size(); ++i) {
tensorflow::Example example;
data_processing();
}
3.2.2 构建模型OPS优化
在没有进行优化之前，模型的输入是未进行处理的原格式数据，例如，渠道特征取值可能为：’渠道1’、’渠道2’ 这样的string格式，然后在模型里面做One Hot处理。
最初模型使用了大量的高阶tf.feature_column对数据进行处理， 转为One Hot和embedding格式。 使用tf.feature_column的好处是，输入时不需要对原数据做任何处理，可以通过feature_column API在模型内部对特征做很多常用的处理，例如：tf.feature_column.bucketized_column可以做分桶，tf.feature_column.crossed_column可以对类别特征做特征交叉。但特征处理的压力就放在了模型里。
为了进一步分析使用feature_column的耗时，我们使用tf.profiler工具，对整个离线训练流程耗时做了分析。在Estimator框架下使用tf.profiler是非常方便的，只需加一行代码即可。
with tf.contrib.tfprof.ProfileContext(job_dir + ‘/tmp/train_dir’) as pctx:
estimator = tf.estimator.Estimator(model_fn=get_model_fn(job_dir),
config=run_config,
params=hparams)
下图为使用tf.profiler，网络在向前传播的耗时分布图，可以看出使用feature_column API的特征处理耗费了很大时间。
优化前profiler记录， 前向传播的耗时占总训练时间55.78%，主要耗费在feature_column OPS对原始数据的预处理
为了解决特征在模型内做处理耗时大的问题，我们在处理离线数据时，把所有string格式的原生数据，提前做好One Hot的映射，并且把映射关系落到本地feature_index文件，进而供线上线下使用。这样就相当于把原本需要在模型端计算One Hot的过程省略掉，替代为使用词典做O(1)的查找。同时在构建模型时候，使用更多性能有保证的低阶API替代feature_column这样的高阶API。下图为性能优化后，前向传播耗时在整个训练流程的占比。可以看出，前向传播的耗时占比降低了很多。
优化后profiler记录，前向传播耗时占总训练时间39.53%
3.2.3 XLA，JIT编译优化
TensorFlow采用有向数据流图来表达整个计算过程，其中Node代表着操作（OPS），数据通过Tensor的方式来表达，不同Node间有向的边表示数据流动方向，整个图就是有向的数据流图。
XLA（Accelerated Linear Algebra）是一种专门对TensorFlow中线性代数运算进行优化的编译器，当打开JIT（Just In Time）编译模式时，便会使用XLA编译器。整个编译流程如下图所示：
TensorFlow计算流程
首先TensorFlow整个计算图会经过优化，图中冗余的计算会被剪掉。HLO（High Level Optimizer）会将优化后的计算图 生成HLO的原始操作，XLA编译器会对HLO的原始操作进行一些优化，最后交给LLVM IR根据不同的后端设备，生成不同的机器代码。
JIT的使用，有助于LLVM IR根据 HLO原始操作生成 更高效的机器码；同时，对于多个可融合的HLO原始操作，会融合成一个更加高效的计算操作。但是JIT的编译是在代码运行时进行编译，这也意味着运行代码时会有一部分额外的编译开销。
网络结构、Batch Size对JIT性能影响[7]
上图显示为不同网络结构，不同Batch Size下使用JIT编译后与不使用JIT编译的耗时之比。可以看出，较大的Batch Size性能优化比较明显，层数与神经元个数变化对JIT编译优化影响不大。
在实际的应用中，具体效果会因网络结构、模型参数、硬件设备等原因而异。
3.2.4 最终性能
经过上述一系列的性能优化，模型预估时间从开始的10ms降低到1.1ms，请求时间从5ms降到2ms。整个流程从打包发送请求到收到结果，耗时大约6ms。
模型计算时间相关参数：QPS:1308，50line:1.1ms，999line:3.0ms。下面四个图分别为：耗时分布图显示大部分耗时控制在1ms内；请求次数显示每分钟请求大约8万次，折合QPS为1308；平均耗时时间为1.1ms；成功率为100%
3.3 模型切换毛刺问题
通过监控发现，当模型进行更新时，会有大量的请求超时。如下图所示，每次更新都会导致有大量请求超时，对系统的影响较大。通过TensorFlow Serving日志和代码分析发现，超时问题主要源于两个方面，一方面，更新、加载模型和处理TensorFlow Serving请求的线程共用一个线程池，导致切换模型时候无法处理请求；另一方面，模型加载后，计算图采用Lazy Initialization方式，导致第一次请求需要等待计算图初始化。
模型切换导致请求超时
问题一主要是因为加载和卸载模型线程池配置问题，在源代码中：
uint32 num_load_threads = 0; uint32 num_unload_threads = 0;
这两个参数默认为 0，表示不使用独立线程池，和Serving Manager在同一个线程中运行。修改成1便可以有效解决此问题。
模型加载的核心操作为RestoreOp，包括从存储读取模型文件、分配内存、查找对应的Variable等操作，其通过调用Session的run方法来执行。而默认情况下，一个进程内的所有Session的运算均使用同一个线程池。所以导致模型加载过程中加载操作和处理Serving请求的运算使用同一线程池，导致Serving请求延迟。解决方法是通过配置文件设置，可构造多个线程池，模型加载时指定使用独立的线程池执行加载操作。
对于问题二，模型首次运行耗时较长的问题，采用在模型加载完成后提前进行一次Warm Up运算的方法，可以避免在请求时运算影响请求性能。这里使用Warm Up的方法是，根据导出模型时设置的Signature，拿出输入数据的类型，然后构造出假的输入数据来初始化模型。
通过上述两方面的优化，模型切换后请求延迟问题得到很好的解决。如下图所示，切换模型时毛刺由原来的84ms降低为4ms左右。
优化后模型切换后，毛刺降低
四、总结与展望
本文主要介绍了用户增长组基于Tensorflow Serving在深度学习线上预估的探索，对性能问题的定位、分析、解决；最终实现了高性能、稳定性强、支持各种深度学习模型的在线服务。
在具备完整的离线训练与在线预估框架基础之后，我们将会加快策略的快速迭代。在模型方面，我们可以快速尝试新的模型，尝试将强化学习与竞价结合；在性能方面，结合工程要求，我们会对TensorFlow的图优化、底层操作算子、操作融合等方面做进一步的探索；除此之外，TensorFlow Serving的预估功能可以用于模型分析，谷歌也基于此推出What-If-Tools来帮助模型开发者对模型深入分析。最后，我们也会结合模型分析，对数据、特征再做重新的审视。
作者简介
- 仲达，2017年毕业于美国罗彻斯特大学数据科学专业，后在加州湾区Stentor Technology Company工作，2018年加入美团，主要负责用户增长组深度学习、强化学习落地业务场景工作。
- 鸿杰，2015年加入美团点评。美团平台与酒旅事业群用户增长组算法负责人，曾就职于阿里，主要致力于通过机器学习提升美团点评平台的活跃用户数，作为技术负责人，主导了美团DSP广告投放、站内拉新等项目的算法工作，有效提升营销效率，降低营销成本。
- 廷稳，2015年加入美团点评。在美团点评离线计算方向先后从事YARN资源调度及GPU计算平台建设工作。
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参考文献
- [^1]: Cheng, H. T., Koc, L., Harmsen, J., Shaked, T., Chandra, T., Aradhye, H., … & Anil, R. (2016, September). Wide & deep learning for recommender systems. In Proceedings of the 1st Workshop on Deep Learning for Recommender Systems (pp. 7-10). ACM.
- [^2]: Wang, R., Fu, B., Fu, G., & Wang, M. (2017, August). Deep & cross network for ad click predictions. In Proceedings of the ADKDD’17 (p. 12). ACM.
- [^3]: Guo, H., Tang, R., Ye, Y., Li, Z., & He, X. (2017). Deepfm: a factorization-machine based neural network for ctr prediction. arXiv preprint arXiv:1703.04247.
- [^4]: Lian, J., Zhou, X., Zhang, F., Chen, Z., Xie, X., & Sun, G. (2018). xDeepFM: Combining Explicit and Implicit Feature Interactions for Recommender Systems. arXiv preprint arXiv:1803.05170.
- [^5]: Abadi, M., Barham, P., Chen, J., Chen, Z., Davis, A., Dean, J., … & Kudlur, M. (2016, November). TensorFlow: a system for large-scale machine learning. In OSDI (Vol. 16, pp. 265-283).
- [^6]: Goyal, P., Dollár, P., Girshick, R., Noordhuis, P., Wesolowski, L., Kyrola, A., … & He, K. (2017). Accurate, large minibatch SGD: training imagenet in 1 hour. arXiv preprint arXiv:1706.02677.
- [^7]: Neill, R., Drebes, A., Pop, A. (2018). Performance Analysis of Just-in-Time Compilation for Training TensorFlow Multi-Layer Perceptrons.