Оптимизация входных трубопроводов TensorFlow для пиковой производительности

30 июля 2025 г.

Обзор контента

• Резюме лучшей практики
• Воспроизведение фигур
• Набор данных
• Итерационная петля
• Метод графика
• Используйте обертки для функции сопоставления
• Сравнение трубопроводов
• Оптимизированный

Резюме лучшей практики

Вот краткое изложение лучших практик для проектирования входных трубопроводов Tensorflow:

• ИспользуйтеprefetchПреобразование, чтобы перекрывать работу производителя и потребителя
• Параллелизировать преобразование считывания данных, используяinterleaveтрансформация
• ПараллелизироватьmapПреобразование путем установкиnum_parallel_callsаргумент
• ИспользуйтеcacheПреобразование в данные кэша в памяти во время первой эпохи
• Векторизировать пользовательские функции, передаваемые вmapтрансформация
• Уменьшить использование памяти при примененииinterleaveВprefetch, иshuffleпреобразования

Воспроизведение фигур

Чтобы пойти глубже вtf.data.DatasetПонимание API, вы можете играть со своими собственными трубопроводами. Ниже приведен код, используемый для построения изображений из этого руководства. Это может быть хорошей отправной точкой, показывая некоторые обходные пути для общих трудностей, таких как:

• Время исполнения воспроизводимость
• Намеченные функции Желающие выполнения
• interleaveПреобразование Callable

import itertools
from collections import defaultdict

import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt

Набор данных

Похоже наArtificialDatasetВы можете создать набор данных, возвращая время, проведенное на каждом шаге.

class TimeMeasuredDataset(tf.data.Dataset):
    # OUTPUT: (steps, timings, counters)
    OUTPUT_TYPES = (tf.dtypes.string, tf.dtypes.float32, tf.dtypes.int32)
    OUTPUT_SHAPES = ((2, 1), (2, 2), (2, 3))

    _INSTANCES_COUNTER = itertools.count()  # Number of datasets generated
    _EPOCHS_COUNTER = defaultdict(itertools.count)  # Number of epochs done for each dataset

    def _generator(instance_idx, num_samples):
        epoch_idx = next(TimeMeasuredDataset._EPOCHS_COUNTER[instance_idx])

        # Opening the file
        open_enter = time.perf_counter()
        time.sleep(0.03)
        open_elapsed = time.perf_counter() - open_enter

        for sample_idx in range(num_samples):
            # Reading data (line, record) from the file
            read_enter = time.perf_counter()
            time.sleep(0.015)
            read_elapsed = time.perf_counter() - read_enter

            yield (
                [("Open",), ("Read",)],
                [(open_enter, open_elapsed), (read_enter, read_elapsed)],
                [(instance_idx, epoch_idx, -1), (instance_idx, epoch_idx, sample_idx)]
            )
            open_enter, open_elapsed = -1., -1.  # Negative values will be filtered


    def __new__(cls, num_samples=3):
        return tf.data.Dataset.from_generator(
            cls._generator,
            output_types=cls.OUTPUT_TYPES,
            output_shapes=cls.OUTPUT_SHAPES,
            args=(next(cls._INSTANCES_COUNTER), num_samples)
        )

Этот набор данных предоставляет образцы формы[[2, 1], [2, 2], [2, 3]]и типа[tf.dtypes.string, tf.dtypes.float32, tf.dtypes.int32]Полем Каждый образец:

(
  [("Open"), ("Read")],
  [(t0, d), (t0, d)],
  [(i, e, -1), (i, e, s)]
)

Где:

• OpenиReadидентификаторы шагов
• t0это метка времени, когда начался соответствующий шаг
• dэто время, проведенное на соответствующем этапе
• iэто индекс экземпляра
• eэто индекс эпохи (количество раз, когда набор данных был итератирован)
• sэто индекс образца

Итерационная петля

Сделайте петлю итерации немного сложнее, чтобы объединить все время. Это будет работать только с наборами данных, генерирующих образцы, как подробно описано выше.

def timelined_benchmark(dataset, num_epochs=2):
    # Initialize accumulators
    steps_acc = tf.zeros([0, 1], dtype=tf.dtypes.string)
    times_acc = tf.zeros([0, 2], dtype=tf.dtypes.float32)
    values_acc = tf.zeros([0, 3], dtype=tf.dtypes.int32)

    start_time = time.perf_counter()
    for epoch_num in range(num_epochs):
        epoch_enter = time.perf_counter()
        for (steps, times, values) in dataset:
            # Record dataset preparation informations
            steps_acc = tf.concat((steps_acc, steps), axis=0)
            times_acc = tf.concat((times_acc, times), axis=0)
            values_acc = tf.concat((values_acc, values), axis=0)

            # Simulate training time
            train_enter = time.perf_counter()
            time.sleep(0.01)
            train_elapsed = time.perf_counter() - train_enter

            # Record training informations
            steps_acc = tf.concat((steps_acc, [["Train"]]), axis=0)
            times_acc = tf.concat((times_acc, [(train_enter, train_elapsed)]), axis=0)
            values_acc = tf.concat((values_acc, [values[-1]]), axis=0)

        epoch_elapsed = time.perf_counter() - epoch_enter
        # Record epoch informations
        steps_acc = tf.concat((steps_acc, [["Epoch"]]), axis=0)
        times_acc = tf.concat((times_acc, [(epoch_enter, epoch_elapsed)]), axis=0)
        values_acc = tf.concat((values_acc, [[-1, epoch_num, -1]]), axis=0)
        time.sleep(0.001)

    tf.print("Execution time:", time.perf_counter() - start_time)
    return {"steps": steps_acc, "times": times_acc, "values": values_acc}

Метод графика

Наконец, определите функцию, способную построить временную шкалу, учитывая значения, возвращаемыеtimelined_benchmarkфункция

def draw_timeline(timeline, title, width=0.5, annotate=False, save=False):
    # Remove invalid entries (negative times, or empty steps) from the timelines
    invalid_mask = np.logical_and(timeline['times'] > 0, timeline['steps'] != b'')[:,0]
    steps = timeline['steps'][invalid_mask].numpy()
    times = timeline['times'][invalid_mask].numpy()
    values = timeline['values'][invalid_mask].numpy()

    # Get a set of different steps, ordered by the first time they are encountered
    step_ids, indices = np.stack(np.unique(steps, return_index=True))
    step_ids = step_ids[np.argsort(indices)]

    # Shift the starting time to 0 and compute the maximal time value
    min_time = times[:,0].min()
    times[:,0] = (times[:,0] - min_time)
    end = max(width, (times[:,0]+times[:,1]).max() + 0.01)

    cmap = mpl.cm.get_cmap("plasma")
    plt.close()
    fig, axs = plt.subplots(len(step_ids), sharex=True, gridspec_kw={'hspace': 0})
    fig.suptitle(title)
    fig.set_size_inches(17.0, len(step_ids))
    plt.xlim(-0.01, end)

    for i, step in enumerate(step_ids):
        step_name = step.decode()
        ax = axs[i]
        ax.set_ylabel(step_name)
        ax.set_ylim(0, 1)
        ax.set_yticks([])
        ax.set_xlabel("time (s)")
        ax.set_xticklabels([])
        ax.grid(which="both", axis="x", color="k", linestyle=":")

        # Get timings and annotation for the given step
        entries_mask = np.squeeze(steps==step)
        serie = np.unique(times[entries_mask], axis=0)
        annotations = values[entries_mask]

        ax.broken_barh(serie, (0, 1), color=cmap(i / len(step_ids)), linewidth=1, alpha=0.66)
        if annotate:
            for j, (start, width) in enumerate(serie):
                annotation = "\n".join([f"{l}: {v}" for l,v in zip(("i", "e", "s"), annotations[j])])
                ax.text(start + 0.001 + (0.001 * (j % 2)), 0.55 - (0.1 * (j % 2)), annotation,
                        horizontalalignment='left', verticalalignment='center')
    if save:
        plt.savefig(title.lower().translate(str.maketrans(" ", "_")) + ".svg")

Используйте обертки для функции сопоставления

Чтобы запустить карту функцию в нетерпеливом контексте, вы должны обернуть их вtf.py_functionвызов.

def map_decorator(func):
    def wrapper(steps, times, values):
        # Use a tf.py_function to prevent auto-graph from compiling the method
        return tf.py_function(
            func,
            inp=(steps, times, values),
            Tout=(steps.dtype, times.dtype, values.dtype)
        )
    return wrapper

Сравнение трубопроводов

_batch_map_num_items = 50

def dataset_generator_fun(*args):
    return TimeMeasuredDataset(num_samples=_batch_map_num_items)

Наив

@map_decorator
def naive_map(steps, times, values):
    map_enter = time.perf_counter()
    time.sleep(0.001)  # Time consuming step
    time.sleep(0.0001)  # Memory consuming step
    map_elapsed = time.perf_counter() - map_enter

    return (
        tf.concat((steps, [["Map"]]), axis=0),
        tf.concat((times, [[map_enter, map_elapsed]]), axis=0),
        tf.concat((values, [values[-1]]), axis=0)
    )

naive_timeline = timelined_benchmark(
    tf.data.Dataset.range(2)
    .flat_map(dataset_generator_fun)
    .map(naive_map)
    .batch(_batch_map_num_items, drop_remainder=True)
    .unbatch(),
    5
)

WARNING:tensorflow:From /tmpfs/tmp/ipykernel_112933/64197174.py:32: calling DatasetV2.from_generator (from tensorflow.python.data.ops.dataset_ops) with output_types is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
Use output_signature instead
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/tmp/ipykernel_112933/64197174.py:32: calling DatasetV2.from_generator (from tensorflow.python.data.ops.dataset_ops) with output_shapes is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
Use output_signature instead
Execution time: 13.208576904999973

Оптимизированный

@map_decorator
def time_consuming_map(steps, times, values):
    map_enter = time.perf_counter()
    time.sleep(0.001 * values.shape[0])  # Time consuming step
    map_elapsed = time.perf_counter() - map_enter

    return (
        tf.concat((steps, tf.tile([[["1st map"]]], [steps.shape[0], 1, 1])), axis=1),
        tf.concat((times, tf.tile([[[map_enter, map_elapsed]]], [times.shape[0], 1, 1])), axis=1),
        tf.concat((values, tf.tile([[values[:][-1][0]]], [values.shape[0], 1, 1])), axis=1)
    )


@map_decorator
def memory_consuming_map(steps, times, values):
    map_enter = time.perf_counter()
    time.sleep(0.0001 * values.shape[0])  # Memory consuming step
    map_elapsed = time.perf_counter() - map_enter

    # Use tf.tile to handle batch dimension
    return (
        tf.concat((steps, tf.tile([[["2nd map"]]], [steps.shape[0], 1, 1])), axis=1),
        tf.concat((times, tf.tile([[[map_enter, map_elapsed]]], [times.shape[0], 1, 1])), axis=1),
        tf.concat((values, tf.tile([[values[:][-1][0]]], [values.shape[0], 1, 1])), axis=1)
    )


optimized_timeline = timelined_benchmark(
    tf.data.Dataset.range(2)
    .interleave(  # Parallelize data reading
        dataset_generator_fun,
        num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE
    )
    .batch(  # Vectorize your mapped function
        _batch_map_num_items,
        drop_remainder=True)
    .map(  # Parallelize map transformation
        time_consuming_map,
        num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE
    )
    .cache()  # Cache data
    .map(  # Reduce memory usage
        memory_consuming_map,
        num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE
    )
    .prefetch(  # Overlap producer and consumer works
        tf.data.AUTOTUNE
    )
    .unbatch(),
    5
)

Execution time: 6.8234945540007175

draw_timeline(naive_timeline, "Naive", 15)

/tmpfs/tmp/ipykernel_112933/2966908191.py:17: MatplotlibDeprecationWarning: The get_cmap function was deprecated in Matplotlib 3.7 and will be removed in 3.11. Use ``matplotlib.colormaps[name]`` or ``matplotlib.colormaps.get_cmap()`` or ``pyplot.get_cmap()`` instead.
  cmap = mpl.cm.get_cmap("plasma")

draw_timeline(optimized_timeline, "Optimized", 15)

/tmpfs/tmp/ipykernel_112933/2966908191.py:17: MatplotlibDeprecationWarning: The get_cmap function was deprecated in Matplotlib 3.7 and will be removed in 3.11. Use ``matplotlib.colormaps[name]`` or ``matplotlib.colormaps.get_cmap()`` or ``pyplot.get_cmap()`` instead.
  cmap = mpl.cm.get_cmap("plasma")

---

Оригинал