spark支持深度学习批量推理

背景

在数据量较大的业务场景中，spark在数据处理、传统机器学习训练、
深度学习相关业务，能取得较明显的效率提升。
本篇围绕spark大数据背景下的推理，介绍一些优雅的使用方式。

spark适用场景

1. 大数据量自定义方法处理、类sql处理
2. 传统机器学习方法（k-means、xgboost、lr…）
3. 分布式深度学习推理
   

目前在10亿+数据量的推理场景中使用，需要用户自己实现批数据准备，基于RDD的方法完成模型推理输出。
业务使用中的问题：

1. 模型文件重复导入加载
2. 自定义批数据准备，脱离深度学习dataloader框架，操作略显麻烦，有性能和内存oom等问题。

实践

spark加速深度学习推理

spark加速深度学习推理，基本思路为：

1. 开启不定量worker并行执行（cpu或gpu）推理任务
2. 所有worker共享同一份模型参数
3. 依赖spark pandas udf功能，方便并行处理 dataframe 数据
4. 依赖深度学习框架，方便实现最优批数据划分
   下面以pytorch resnet 为实践demo

加载&&广播模型参数

广播模型参数，不仅能减少模型重复加载带来的流量和io，而且能加速推理前模型加载的速度。
driver广播模型参数：

# Load ResNet50 on driver node and broadcast its state.
model_state = models.resnet50(pretrained=True).state_dict()
bc_model_state = sc.broadcast(model_state)

worker读取模型参数：

def get_model_for_eval():
  """Gets the broadcasted model."""
  model = models.resnet50(pretrained=True)
  model.load_state_dict(bc_model_state.value)
  model.eval()
  return model

实现基于dataframe的dataset

目前主流的深度学习框架，dataset的实现大多基于本地存储，在读取分布式存储的场景 需要用户自定义实现。
自定义实现有2个方法：

1. 使用分布式存储的api接口读取文件内容
2. dataset读取dataframe二进制文件内容

方法一迭代与使用的存储类型会保持同步，且每次使用前需要明确使用的分布式存储，虽然实现方法容易但是使用流程略显麻烦。
方法二不需要关心分布式存储类型，只要需要获取并解析spark dataframe列传入内容即可。

本文采用方法二实现dataset:

# 从二进制流中解析图片信息
def pil_loader(binary_file):
    # open path as file to avoid ResourceWarning (https://github.com/python-pillow/Pillow/issues/835)
    image_io = io.BytesIO(binary_file)
    img = Image.open(image_io)
    return img.convert('RGB')
    
    
# Create a custom PyTorch dataset class.
class ImageDataset(Dataset):
    def __init__(self, data, transform=None):
        self.data = data
        self.transform = transform

    def __len__(self):
        return len(self.data)

    def __getitem__(self, index):
        image = pil_loader(self.data[index])
        if self.transform is not None:
            image = self.transform(image)
        return image

实现批量推理的pandas udf

Pandas udf是基于RDD的一个低门槛高性能的实现方法，pandas udf能自定义处理逻辑，以列的方式操作datafrme内容。
这是社区目前推荐的自定义处理方式。

# Define the function for model inference.
# PyArrow >= 1.0.0 must be installed;
@pandas_udf(ArrayType(FloatType()))
def predict_batch_udf(binaray_data: pd.Series) -> pd.Series:
    transform = transforms.Compose([
        transforms.Resize(224),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                             std=[0.229, 0.224, 0.225])
    ])
    images = ImageDataset(binaray_data, transform=transform)
    loader = torch.utils.data.DataLoader(images, batch_size=500, num_workers=8)
    model = get_model_for_eval()
    model.to(device)
    all_predictions = []
    with torch.no_grad():
        for batch in loader:
            predictions = list(model(batch.to(device)).cpu().numpy())
            for prediction in predictions:
                all_predictions.append(prediction)
    return pd.Series(all_predictions)

# 调用pandas udf
predictions_df = df. \
                 select(col("filename"), predict_batch_udf(col("data")).alias("prediction"))

更多代码细节：
https://github.com/Crazybean-lwb/deeplearning-pyspark/blob/master/examples/pytorch-inference.py

模型仓加速推理

打通到模型仓mlflow功能：

• 模型存储和版本管理
• 便捷取用
• 适用spark datarame更高阶的pandas udf实现

# Create the PySpark UDF
import mlflow.pyfunc
pyfunc_udf = mlflow.pyfunc.spark_udf(spark, model_uri=model_uri)

# 调用pandas udf
df = spark_df.withColumn("prediction", pyfunc_udf(struct([...])))

参考信息：

1. pytorch分布式批量推理
2. tensorflow分布式批量推理
3. 模型仓mlflow协助分布式批量推理