对比PyTorch、TensorFlow、JAX、Theano，我发现都在关注两大问题

作者｜王益

OneFlow社区编译

翻译｜杨婷

最近，我在处理 PyTorch 分布式和 TorchRec 相关的工作，为此，我开始学习 PyTorch 2.0。在业余时间，我也在跟着Alpa作者学习JAX和XLA。如今回顾这些技术，我发现它们的关注点似乎都是如下两个问题：

1. 包含自动求导和并行在内的函数转换，例如 vmap, pmap 和 pjit 等；

2. 异构计算，CPU 负责控制流，GPU/TPU 负责张量计算和集合通信。

本文档中的所有例子都支持在 Colab 中运行：

Theano/Aesara	https://colab.research.google.com/drive/1eg7C5WMNokhXgXQ46pNA30dXUCklquPz
TensorFlow 1.x	https://colab.research.google.com/drive/1jc0ePg2AAXBihevtoZM_33mmhC70rzqz?usp=sharing
TensorFlow 2.x	https://colab.research.google.com/drive/1PbftzJ9E2_FyIiuozTpExMvlFky_G2nv
PyTorch 1.x	https://colab.research.google.com/drive/1v4hENL-IJ-C6VT5H9W1NC2te85D8VdJK
JAX	https://colab.research.google.com/drive/1PlFijLIzAttIBd3tBjiEbSgPXvq9lVlg
functorch/PyTorch 2.x	https://colab.research.google.com/drive/1o-yJ-5g1V084RDaiRw2PqfAjOG7Ty951

1

函数转换

“函数转换”意为将一个程序转变成另一个程序，最常见的例子是自动求导（autograd）。自动求导采用用户编写的前向过程并创建后向过程，对于用户来说，编写自动求导通常都太过复杂。函数转换的主要难点在于：在编写函数转换算法时以何种方式表示输入和输出过程。

Theano：显式地构建 IR

Theano是最早的深度学习工具之一，也就是如今为人们所熟知的Aesara项目。Theano有一个允许用户在内存中将IR构建为数据结构的API，因此Theano可实现自动求导，并将结果输出为 Python 函数。
 

import aesara
from aesara import tensor as at


a = at.dscalar("a") # Define placeholders, which have no values.
b = at.dscalar("b")


c = a * b              # c now contains the IR of an expression.TT
dc = aesara.grad(c, a) # Convert the IR in c into another one, dc


f_dc = aesara.function([a, b], dc) # Convert the IR into a Python function,
assert f_dc(1.5, 2.5) == 2.5       # so we can call it.

TensorFlow 1.x：用于运行 IR 的虚拟机

TensorFlow 1.x明确保留了构建IR的想法。若在TensorFlow中运行上述示例，结果不会有什么差别；但倘若在TensorFlow 1.x中来运行，最大的差别在于：我们不会将后向 IR 转换为 Python 函数，并使用 Python 解释器来运行。相反，我们会在TensorFlow runtime中来运行。
 

import tensorflow.compat.v1 as tf # TensorFlow 1.x API
import numpy as np
tf.disable_eager_execution()


a = tf.placeholder(tf.float32, shape=())
b = tf.placeholder(tf.float32, shape=())


c = a * b
dc = tf.gradients(c, [a], stop_gradients=[a, b])


with tf.compat.v1.Session() as sess:  # TensorFlow has a runtime to execute the IR, 
  x = np.single(2)                    # so, no converting it into Python code. 
  y = np.single(3)     
  print(sess.run(dc, feed_dict={a:x, b:y}))

PyTorch 1.x：没有前向IR

PyTorch不会像Theano或TensorFlow那样将前向传播转换为IR。反之，PyTorch 使用 Python 解释器来运行前向传播。这样做的弊端在于会在运行期间生成表示后向传播的 IR，我们称之为Eager模式（动态图模式）。
 

import torch


a = torch.tensor(1.0, requires_grad=True) # These are not placeholders, but values.
b = torch.tensor(2.0)


c = a * b    # Evaluates c and derives the IR of the backward in c.grad_fn_.
c.backward() # Executes c.grad_fn_.
print(c.grad)

TensorFlow 2.x: 梯度带

TensorFlow 2.x增加了一个像PyTorch API的Eager模式API。此 API 追踪前向传播如何运行名为梯度带（GradientTape）的 IR 。TensorFlow 2.x可以从这个跟踪中找出后向传播。

import tensorflow as tf


a = tf.Variable(1.0) # Like PyTorch, these are values, not placehodlers. 
b = tf.Variable(2.0)


with tf.GradientTape() as tape:
  c = a * b
dcda = tape.gradient(c, a)
print(dcda)

JAX

JAX 不会向用户公开诸如梯度带等方面的低级别细节。简单说来，JAX的思维方式为：将输入和输出都用Python函数来表示。

import jax 


a = 2.0
b = 3.0
jax.grad(jax.lax.mul)(a, b)  # Compute c = a * b w.r.t. a.  The result is b=3. 


jax.jit(jax.grad(jax.lax.mul))(a,b)


jax.experimental.pjit(jax.grad(jax.lax.mul), 
                      device_mesh(ntpus))(a,b)

对于想要自己编写的函数转换的高级用户，他们可以调用make_jaxpr等低级 API 来访问 IR，称为 JAXPR。

jax.make_jaxpr(jax.lax.mul)(2.0, 3.0)  # Returns the IR representing jax.lax.mul(2,3)
jax.make_jaxpr(jax.grad(jax.lax.mul))(2.0, 3.0)  # Returns the IR of grad(mul)(2,3)

FuncTorch

FuncTorch和JAX类似，都是基于PyTorch的函数转换。

import torch, functorch


a = torch.tensor([2.0])
b = torch.tensor([3.0])
functorch.grad(torch.dot)(a, b)

JAX的make_jaxpr类似于functorch的make_fx。

def f(a, b):
  return torch.dot(a, b) # Have to wrap the builtin function dot into f. # 必须将内置函数dot转换成f.
  
print(functorch.make_fx(f)(a, b).code)
print(functorch.make_fx(functorch.grad(f))(a, b).code)

TensorFlow 2.x、JAX 和 functorch 都为前向传递构建了一个 IR，但 PyTorch Eager模式没有。IR 不仅可用于自动求导，还可用于其他类型的函数转换。在下列例子中，functorch.compile.aot_function调用了回调函数print_compile_fn两次，分别用于前向和后向传播。

from functorch.compile import aot_function
import torch.fx as fx


def print_compile_fn(fx_module, args):
    print(fx_module)
    return fx_module
aot_fn = aot_function(torch.dot, print_compile_fn)
aot_fn(a, b)

2
高阶导数

PyTorch
 

import torch
from torch import autograd


x = torch.tensor(1., requires_grad = True)
y = 2*x**3 + 8


first_derivative = autograd.grad(y, x, create_graph=True)
print(first_derivative)


second_derivative = autograd.grad(first_derivative, x)
print(second_derivative)

TensorFlow 2.x
 

import tensorflow as tf


x = tf.Variable(1.0)


with tf.GradientTape() as outer_tape:
    with tf.GradientTape() as tape:
        y = 2*x**3 + 8
        dy_dx = tape.gradient(y, x)
        print(dy_dx)
    d2y_dx2 = outer_tape.gradient(dy_dx, x)
    print(d2y_dx2)

JAX
 

def f(a):
  return 2*a**3 + 8


print(jax.grad(f)(1.0))
print(jax.grad(jax.grad(f))(1.0))

3
动态控制流

动态控制流（dynamic control flows）有两个层级：在 CPU 上运行的粗粒度级别和在 GPU /TPU 上运行的细粒度级别。本部分主要介绍在 CPU 上运行的粗粒度级别的动态控制流。下面我们将用(if/else)条件语句作为例子检验深度学习工具。

TensorFlow 1.x

在 TensorFlow 1.x 中，我们需要将条件语句显式构建到 IR 中。此时条件语句是一个特殊的运算符 tf.cond。

def f1(): return tf.multiply(a, 17)
def f2(): return tf.add(b, 23)
r = tf.cond(tf.less(a, b), f1, f2)


with tf.compat.v1.Session() as sess:  # TensorFlow has a runtime to execute the IR,
  print(sess.run(r, feed_dict={a:x, b:y}))

TensorFlow 2.x

TensorFlow 2.x 支持使用 tf.cond 和 tf.while_loop 显式构建控制流。此外，实验项目google/tangent中有AutoGraph功能，它可以将Python控制流转换为tf.cond或tf.while_loop。此功能利用了 Python 解释器支持的函数和函数源代码。例如下面的g函数调用了 Python 的标准库将源代码解析为 AST，然后调用 SSA 表单来理解控制流。

def g(x, y):
    if tf.reduce_any(x < y):
        return tf.multiply(x, 17)
    return tf.add(y, 23)
    
converted_g = tf.autograph.to_graph(g)


import inspect
print(inspect.getsource(converted_g))

JAX

由于部分Python语法很复杂，所以通过解析源代码来理解控制流就显得很困难，这就导致AutoGraph经常出错。但如果这种方法很简单，那么Python开发者社区也不会在构建Python编译器时失败这么多次了。正是由于有这种挑战的存在，必须要明确地将控制流构建到 IR 中。为此，JAX 提供了 jax.lax.cond 和 jax.lax.for_loop函数。

jax.lax.cond(a < b, lambda : a*17, lambda: b+23)

考虑到这一点，你可能会觉得我们可以使用递归算法。但是下面用于计算阶乘的递归无法用JAX跟踪。

def factorial(r, x):
  return jax.lax.cond(x <= 1.0, lambda: r, lambda: factorial(r*x, x-1))
factorial(1.0, 3.0)

可能你还想调用factorial来计算 3！=6。但这会让递归深度超过最大值，因为递归不仅依赖于条件，还依赖于函数定义和调用。

PyTorch

PyTorch最初是Python-native。正如前文所说，由于多功能调度机制，grad 和 vamp 的函数转换都是即时的。值得注意的是：

1. 相比Theano 和 TensorFlow构建IR后的函数转换，即时函数转换效率更高。

2. 在进行grad和vmap 时，JAX也是即时函数转换。然而像pamp和pjit等更复杂的函数转换需要对整个计算过程进行概述，在这个过程中IR是必不可少的。

由于IR在pmap 和 pjit中的必要性，PyTorch社区最近添加了torch.condpytorch/pytorch#83154
 

4
分布式计算

根据执行代码或 IR 的不同方式，在使用 Python 解释器或runtime时，有两种分布式计算方法。

Python-Native

Theano和PyTorch采用了Python-native分布式计算方式。这种分布式训练工作包含多个Python解释器进程。这导致出现了以下结果。

1. 打包和运行（Pack and run）。由于这些 Python 进程在不同的host上运行，因此我们需要打包用户程序和依赖项，并将它们发送到这些host上去运行。一直以来TorchX负责了这个打包过程。它支持例如Docker和torch.package等各种打包格式，并且可以与各种集群管理器配合使用，如Kubernetes和SLURM。

2. 单程序多数据（SPMD）。由于将用户程序发送到各种host上要依赖于打包，与其他权重较轻的方式（如通过 RPC 发送代码）相比，这种方式不太灵活，因此，我们通常只发送一个程序。当所有这些进程运行同一程序时，这个作业就变成了单程序多数据（SPMD）作业。

Python-native SPMD

下面是一个简单的SPMD PyTorch程序，我们可以在相同或不同的host上使用进程运行这个程序。在这个过程中，我们只需要调用all_gather。真正的分布式训练程序会调用更高级别的API，例如torch.nn.parallel.DistributedDataParallel 和 torchrec.DistributedModelParallel, 然后再调用低级 API，例如 all_gather 和 all_reduce。

import os
import torch
from torch import distributed as dist


def main():
    use_gpu = torch.cuda.is_available()
    local_rank = int(os.environ.get("LOCAL_RANK", "0"))
    local_world_size = int(os.environ.get("LOCAL_WORLD_SIZE", "0"))
    device = torch.device(f"cuda:{local_rank}" if use_gpu else "cpu")
    dist.init_distributed(backend="nccl")


    lst = torch.tensor([local_rank + 100]).to(device)


    # placeholder 
    rlt_lst = [torch.zeros_like(lst) for _ in range(local_world_size)]
    dist.all_gather(rlt_lst, lst, async_op=False)
    print("After broadcasting:", rlt_lst)

Python-native Non-SPMD

PyTorch 不仅限于 SPMD 式的分布式训练。它还通过torch.distributed.pipeline.sync.Pipe和PiPPy project提供流水并行，其中流水并行的各个阶段在不同的设备上运行不同的程序。这些阶段常通过 torch.rpc 包来沟通。

分布式运行时机制

分布式 TensorFlow 作业由运行 TensorFlow runtime 程序的进程组成，而不是由 Python 解释器组成。此分布式运行时作业执行 TensorFlow graph (IR)，它是由执行用户程序的 Python 解释器生成。

用户程序可以使用低级API（如 tf.device）去指定作业要运行什么操作、在哪台设备和主机上运行等等。因为API有runtime，所以可以做到这一点。

with tf.device('/job:bar/task:0/device:gpu:2'):
    # ops created here have the fully specified device above

与PyTorch一样，TensorFlow也为分布式训练提供了高级API tf.distributed.strategy，Keras和DTensor。

strategy = tf.distribute.MirroredStrategy() \
           if tf.config.list_physical_devices('GPU') \
           else tf.distribute.get_strategy()


with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential([tf.keras.layers.Dense(1, input_shape=(1,))])


model.compile(loss='mse', optimizer='sgd')

分布式运行时极大地方便了训练服务的维护，因为我们不再将用户程序打包到集群上运行。相反，我们打包运行时程序，因为相比用户程序，运行时程序更加统一。

混合理念

JAX 支持 Python-native 和分布式运行时。

JAX 提供例如vmap、pmap 和 pjit的函数转换，这可以将 Python 函数转换为分布式程序。

（本文经授权后由OneFlow社区编译，译文转载请联系获得授权。原文：https://quip.com/Y8qtAyV4EXRg）

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