编译器和解释器

:label:sec_hybridize

目前为止，本书主要关注的是命令式编程（imperative programming）。 命令式编程使用诸如print、“+”和if之类的语句来更改程序的状态。 考虑下面这段简单的命令式程序：

#@tab all
def add(a, b):
    return a + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g

print(fancy_func(1, 2, 3, 4))

Python是一种解释型语言（interpreted language）。因此，当对上面的fancy_func函数求值时，它按顺序执行函数体的操作。也就是说，它将通过对e = add(a, b)求值，并将结果存储为变量e，从而更改程序的状态。接下来的两个语句f = add(c, d)和g = add(e, f)也将执行类似地操作，即执行加法计算并将结果存储为变量。 :numref:fig_compute_graph说明了数据流。

:label:fig_compute_graph

尽管命令式编程很方便，但可能效率不高。一方面原因，Python会单独执行这三个函数的调用，而没有考虑add函数在fancy_func中被重复调用。如果在一个GPU（甚至多个GPU）上执行这些命令，那么Python解释器产生的开销可能会非常大。此外，它需要保存e和f的变量值，直到fancy_func中的所有语句都执行完毕。这是因为程序不知道在执行语句e = add(a, b)和f = add(c, d)之后，其他部分是否会使用变量e和f。

符号式编程

考虑另一种选择符号式编程（symbolic programming），即代码通常只在完全定义了过程之后才执行计算。这个策略被多个深度学习框架使用，包括Theano和TensorFlow（后者已经获得了命令式编程的扩展）。一般包括以下步骤：

1. 定义计算流程；
2. 将流程编译成可执行的程序；
3. 给定输入，调用编译好的程序执行。

这将允许进行大量的优化。首先，在大多数情况下，我们可以跳过Python解释器。从而消除因为多个更快的GPU与单个CPU上的单个Python线程搭配使用时产生的性能瓶颈。其次，编译器可以将上述代码优化和重写为print((1 + 2) + (3 + 4))甚至print(10)。因为编译器在将其转换为机器指令之前可以看到完整的代码，所以这种优化是可以实现的。例如，只要某个变量不再需要，编译器就可以释放内存（或者从不分配内存），或者将代码转换为一个完全等价的片段。下面，我们将通过模拟命令式编程来进一步了解符号式编程的概念。

#@tab all
def add_():
    return '''
def add(a, b):
    return a + b
'''

def fancy_func_():
    return '''
def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g
'''

def evoke_():
    return add_() + fancy_func_() + 'print(fancy_func(1, 2, 3, 4))'

prog = evoke_()
print(prog)
y = compile(prog, '', 'exec')
exec(y)

命令式（解释型）编程和符号式编程的区别如下：

• 命令式编程更容易使用。在Python中，命令式编程的大部分代码都是简单易懂的。命令式编程也更容易调试，这是因为无论是获取和打印所有的中间变量值，或者使用Python的内置调试工具都更加简单；
• 符号式编程运行效率更高，更易于移植。符号式编程更容易在编译期间优化代码，同时还能够将程序移植到与Python无关的格式中，从而允许程序在非Python环境中运行，避免了任何潜在的与Python解释器相关的性能问题。

混合式编程

历史上，大部分深度学习框架都在命令式编程与符号式编程之间进行选择。例如，Theano、TensorFlow（灵感来自前者）、Keras和CNTK采用了符号式编程。相反地，Chainer和PyTorch采取了命令式编程。在后来的版本更新中，TensorFlow2.0和Keras增加了命令式编程。

:begin_tab:mxnet 开发人员在设计Gluon时思考了这个问题，有没有可能将这两种编程模式的优点结合起来。于是得到了一个混合式编程模型，既允许用户使用纯命令式编程进行开发和调试，还能够将大多数程序转换为符号式程序，以便在需要产品级计算性能和部署时使用。

这意味着我们在实际开发中使用的是HybridBlock类或HybridSequential类在构建模型。默认情况下，它们都与命令式编程中使用Block类或Sequential类的方式相同。其中，HybridSequential类是HybridBlock的子类（就如Sequential是Block的子类一样）。当hybridize函数被调用时，Gluon将模型编译成符号式编程中使用的形式。这将允许在不牺牲模型实现方式的情况下优化计算密集型组件。下面，我们通过将重点放在Sequential和Block上来详细描述其优点。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 如上所述，PyTorch是基于命令式编程并且使用动态计算图。为了能够利用符号式编程的可移植性和效率，开发人员思考能否将这两种编程模型的优点结合起来，于是就产生了torchscript。torchscript允许用户使用纯命令式编程进行开发和调试，同时能够将大多数程序转换为符号式程序，以便在需要产品级计算性能和部署时使用。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 命令式编程现在是TensorFlow2的默认选择，对那些刚接触该语言的人来说是一个很好的改变。不过，符号式编程技术和计算图仍然存在于TensorFlow中，并且可以通过易于使用的装饰器tf.function进行访问。这为TensorFlow带来了命令式编程范式，允许用户定义更加直观的函数，然后使用被TensorFlow团队称为autograph的特性将它们封装，再自动编译成计算图。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 如上所述，飞桨是基于命令式编程并且使用动态计算图。为了能够利用符号式编程的可移植性和效率，开发人员思考能否将这两种编程模型的优点结合起来，于是就产生了飞桨2.0版本。飞桨2.0及以上版本允许用户使用纯命令式编程进行开发和调试，同时能够将大多数程序转换为符号式程序，以便在需要产品级计算性能和部署时使用。 :end_tab:

Sequential的混合式编程

要了解混合式编程的工作原理，最简单的方法是考虑具有多层的深层网络。按照惯例，Python解释器需要执行所有层的代码来生成一条指令，然后将该指令转发到CPU或GPU。对于单个的（快速的）计算设备，这不会导致任何重大问题。另一方面，如果我们使用先进的8-GPU服务器，比如AWS P3dn.24xlarge实例，Python将很难让所有的GPU都保持忙碌。在这里，瓶颈是单线程的Python解释器。让我们看看如何通过将Sequential替换为HybridSequential来解决代码中这个瓶颈。首先，我们定义一个简单的多层感知机。

from d2l import mxnet as d2l
from mxnet import np, npx
from mxnet.gluon import nn
npx.set_np()

# 生产网络的工厂模式
def get_net():
    net = nn.HybridSequential()  
    net.add(nn.Dense(256, activation='relu'),
            nn.Dense(128, activation='relu'),
            nn.Dense(2))
    net.initialize()
    return net

x = np.random.normal(size=(1, 512))
net = get_net()
net(x)

#@tab pytorch
from d2l import torch as d2l
import torch
from torch import nn

# 生产网络的工厂模式
def get_net():
    net = nn.Sequential(nn.Linear(512, 256),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(256, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 2))
    return net

x = torch.randn(size=(1, 512))
net = get_net()
net(x)

#@tab tensorflow
from d2l import tensorflow as d2l
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import Dense

# 生产网络的工厂模式
def get_net():
    net = tf.keras.Sequential()
    net.add(Dense(256, input_shape = (512,), activation = "relu"))
    net.add(Dense(128, activation = "relu"))
    net.add(Dense(2, activation = "linear"))
    return net

x = tf.random.normal([1,512])
net = get_net()
net(x)

#@tab paddle
from d2l import paddle as d2l
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
import paddle
from paddle import nn
from paddle.jit import to_static
from paddle.static import InputSpec

# 生产网络的工厂模式
def get_net():
    blocks = [
        nn.Linear(512, 256),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(256, 128),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, 2)
    ]
    net = nn.Sequential(*blocks)
    return net

x = paddle.randn((1, 512))
net = get_net()
net(x)

:begin_tab:mxnet 通过调用hybridize函数，我们就有能力编译和优化多层感知机中的计算，而模型的计算结果保持不变。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 通过使用torch.jit.script函数来转换模型，我们就有能力编译和优化多层感知机中的计算，而模型的计算结果保持不变。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 一开始，TensorFlow中构建的所有函数都是作为计算图构建的，因此默认情况下是JIT编译的。但是，随着TensorFlow2.X和EargeTensor的发布，计算图就不再是默认行为。我们可以使用tf.function重新启用这个功能。tf.function更常被用作函数装饰器，如下所示，它也可以直接将其作为普通的Python函数调用。模型的计算结果保持不变。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 通过使用paddle.jit.to_static函数来转换模型，我们就有能力编译和优化多层感知机中的计算，而模型的计算结果保持不变。 :end_tab:

net.hybridize()
net(x)

#@tab pytorch
net = torch.jit.script(net)
net(x)

#@tab tensorflow
net = tf.function(net)
net(x)

#@tab paddle
net = paddle.jit.to_static(net)
net(x)

:begin_tab:mxnet 我们只需将一个块指定为HybridSequential，然后编写与之前相同的代码，再调用hybridize，当完成这些任务后，网络就将得到优化（我们将在下面对性能进行基准测试）。不幸的是，这种魔法并不适用于每一层。也就是说，如果某个层是从Block类而不是从HybridBlock类继承的，那么它将不会得到优化。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 我们编写与之前相同的代码，再使用torch.jit.script简单地转换模型，当完成这些任务后，网络就将得到优化（我们将在下面对性能进行基准测试）。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 我们编写与之前相同的代码，再使用tf.function简单地转换模型，当完成这些任务后，网络将以TensorFlow的MLIR中间表示形式构建为一个计算图，并在编译器级别进行大量优化以满足快速执行的需要（我们将在下面对性能进行基准测试）。通过将jit_compile = True标志添加到tf.function()的函数调用中可以显式地启用TensorFlow中的XLA（线性代数加速）功能。在某些情况下，XLA可以进一步优化JIT的编译代码。如果没有这种显式定义，图形模式将会被启用，但是XLA可以使某些大规模的线性代数的运算速度更快（与我们在深度学习程序中看到的操作类似），特别是在GPU环境中。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 我们编写与之前相同的代码，再使用paddle.jit.to_static简单地转换模型，当完成这些任务后，网络就将得到优化（我们将在下面对性能进行基准测试）。 :end_tab:

通过混合式编程加速

为了证明通过编译获得了性能改进，我们比较了混合编程前后执行net(x)所需的时间。让我们先定义一个度量时间的类，它在本章中在衡量（和改进）模型性能时将非常有用。

#@tab all
#@save
class Benchmark:
    """用于测量运行时间"""
    def __init__(self, description='Done'):
        self.description = description

    def __enter__(self):
        self.timer = d2l.Timer()
        return self

    def __exit__(self, *args):
        print(f'{self.description}: {self.timer.stop():.4f} sec')

:begin_tab:mxnet 现在我们可以调用网络两次，一次使用混合式，一次不使用混合式。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 现在我们可以调用网络两次，一次使用torchscript，一次不使用torchscript。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 现在我们可以调用网络三次，一次使用eager模式，一次是使用图模式，一次使用JIT编译的XLA。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 现在我们可以调用网络两次，一次使用动态图命令式编程，一次使用静态图符号式编程。 :end_tab:

net = get_net()
with Benchmark('无混合式'):
    for i in range(1000): net(x)
    npx.waitall()

net.hybridize()
with Benchmark('混合式'):
    for i in range(1000): net(x)
    npx.waitall()

#@tab pytorch
net = get_net()
with Benchmark('无torchscript'):
    for i in range(1000): net(x)

net = torch.jit.script(net)
with Benchmark('有torchscript'):
    for i in range(1000): net(x)

#@tab tensorflow
net = get_net()
with Benchmark('Eager模式'):
    for i in range(1000): net(x)

net = tf.function(net)
with Benchmark('Graph模式'):
    for i in range(1000): net(x)

#@tab paddle
net = get_net()
with Benchmark('飞桨动态图命令式编程'):
    for i in range(1000): net(x)

# InputSpec用于描述模型输入的签名信息，包括shape、dtype和name
x_spec = InputSpec(shape=[-1, 512], name='x') 
net = paddle.jit.to_static(get_net(),input_spec=[x_spec])
with Benchmark('飞桨静态图符号式编程'):
    for i in range(1000): net(x)

:begin_tab:mxnet 如以上结果所示，在HybridSequential的实例调用hybridize函数后，通过使用符号式编程提高了计算性能。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 如以上结果所示，在nn.Sequential的实例被函数torch.jit.script脚本化后，通过使用符号式编程提高了计算性能。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 如以上结果所示，在tf.keras.Sequential的实例被函数tf.function脚本化后，通过使用TensorFlow中的图模式执行方式实现的符号式编程提高了计算性能。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 如以上结果所示，在nn.Sequential的实例被函数paddle.jit.to_static脚本化后，通过使用符号式编程提高了计算性能。 :end_tab:

序列化

:begin_tab:mxnet 编译模型的好处之一是我们可以将模型及其参数序列化（保存）到磁盘。这允许这些训练好的模型部署到其他设备上，并且还能方便地使用其他前端编程语言。同时，通常编译模型的代码执行速度也比命令式编程更快。让我们看看export的实际功能。 :end_tab:

:begin_tab:pytorch 编译模型的好处之一是我们可以将模型及其参数序列化（保存）到磁盘。这允许这些训练好的模型部署到其他设备上，并且还能方便地使用其他前端编程语言。同时，通常编译模型的代码执行速度也比命令式编程更快。让我们看看save的实际功能。 :end_tab:

:begin_tab:tensorflow 编译模型的好处之一是我们可以将模型及其参数序列化（保存）到磁盘。这允许这些训练好的模型部署到其他设备上，并且还能方便地使用其他前端编程语言。同时，通常编译模型的代码执行速度也比命令式编程更快。在TensorFlow中保存模型的底层API是tf.saved_model，让我们来看看saved_model的运行情况。 :end_tab:

:begin_tab:paddle 编译模型的好处之一是我们可以将模型及其参数序列化（保存）到磁盘。这允许这些训练好的模型部署到其他设备上，并且还能方便地使用其他前端编程语言。同时，通常编译模型的代码执行速度也比命令式编程更快。让我们看看paddle.jit.save的实际功能。 :end_tab:

net.export('my_mlp')
!ls -lh my_mlp*

#@tab pytorch
net.save('my_mlp')
!ls -lh my_mlp*

#@tab tensorflow
net = get_net()
tf.saved_model.save(net, 'my_mlp')
!ls -lh my_mlp*

#@tab paddle
paddle.jit.save(net, './my_mlp')
!ls -lh my_mlp*

:begin_tab:mxnet 模型被分解成两个文件，一个是大的二进制参数文件，一个是执行模型计算所需要的程序的JSON描述文件。这些文件可以被其他前端语言读取，例如C++、R、Scala和Perl，只要这些语言能够被Python或者MXNet支持。让我们看看模型描述中的前几行。 :end_tab:

!head my_mlp-symbol.json

:begin_tab:mxnet 之前，我们演示了在调用hybridize函数之后，模型能够获得优异的计算性能和可移植性。注意，混合式可能会影响模型的灵活性，特别是在控制流方面。

此外，与Block实例需要使用forward函数不同的是HybridBlock实例需要使用hybrid_forward函数。 :end_tab:

class HybridNet(nn.HybridBlock):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(HybridNet, self).__init__(**kwargs)
        self.hidden = nn.Dense(4)
        self.output = nn.Dense(2)

    def hybrid_forward(self, F, x):
        print('module F: ', F)
        print('value  x: ', x)
        x = F.npx.relu(self.hidden(x))
        print('result  : ', x)
        return self.output(x)

:begin_tab:mxnet 上述代码实现了一个具有$4$个隐藏单元和$2$个输出的简单网络。hybrid_forward函数增加了一个必需的参数F，因为是否采用混合模式将影响代码使用稍微不同的库（ndarray或symbol）进行处理。这两个类执行了非常相似的函数，于是MXNet将自动确定这个参数。为了理解发生了什么，我们将打印参数作为了函数调用的一部分。 :end_tab:

net = HybridNet()
net.initialize()
x = np.random.normal(size=(1, 3))
net(x)

:begin_tab:mxnet 重复的前向传播将导致相同的输出（细节已被省略）。现在看看调用hybridize函数会发生什么。 :end_tab:

net.hybridize()
net(x)

:begin_tab:mxnet 程序使用symbol模块替换了ndarray模块来表示F。而且，即使输入是ndarray类型，流过网络的数据现在也转换为symbol类型，这种转换正是编译过程的一部分。再次的函数调用产生了令人惊讶的结果： :end_tab:

net(x)

:begin_tab:mxnet 这与我们在前面看到的情况大不相同。hybrid_forward中定义的所有打印语句都被忽略了。实际上，在net(x)被混合执行时就不再使用Python解释器。这意味着任何Python代码（例如print语句）都会被忽略，以利于更精简的执行和更好的性能。MXNet通过直接调用C++后端替代Python解释器。另外请注意，symbol模块不能支持某些函数（例如asnumpy），因此a += b和a[:] = a + b等操作必须重写为a = a + b。尽管如此，当速度很重要时，模型的编译也是值得的。速度的优势可以从很小的百分比到两倍以上，主要取决于模型的复杂性、CPU的速度以及GPU的速度和数量。 :end_tab:

小结

• 命令式编程使得新模型的设计变得容易，因为可以依据控制流编写代码，并拥有相对成熟的Python软件生态。
• 符号式编程要求我们先定义并且编译程序，然后再执行程序，其好处是提高了计算性能。

:begin_tab:mxnet

• MXNet能够根据用户需要，结合这两种方法（命令式编程和符号式编程）的优点。
• 由HybridSequential和HybridBlock类构造的模型能够通过调用hybridize函数将命令式程序转换为符号式程序。 :end_tab:

练习

:begin_tab:mxnet

1. 在本节的HybridNet类的hybrid_forward函数的第一行中添加x.asnumpy()，执行代码并观察遇到的错误。为什么会这样？
2. 如果我们在hybrid_forward函数中添加控制流，即Python语句if和for，会发生什么？
3. 回顾前几章中感兴趣的模型，能通过重新实现它们来提高它们的计算性能吗？ :end_tab:

:begin_tab:pytorch,tensorflow

1. 回顾前几章中感兴趣的模型，能提高它们的计算性能吗？ :end_tab:

:begin_tab:mxnet Discussions :end_tab:

:begin_tab:pytorch Discussions :end_tab:

:begin_tab:tensorflow Discussions :end_tab:

:begin_tab:paddle Discussions :end_tab: