从零开始山寨Caffe·叁：全局线程管理器

你需要一个管家，随手召唤的那种，想吃啥就吃啥。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ——设计一个全局线程管理器

一个机器学习系统，需要管理一些公共的配置信息，如何存储这些配置信息，是一个难题。

设计模式

MVC框架

在传统的MVC编程框架中，通常采取设立数据中心的做法，将所有配置信息存在其中。

同时，将数据中心指针共享至所有类，形成一个以数据为中心，多重引用的设计模式。

如图，以MFC默认编程思路为例：

这种编程框架，虽然思路清晰，但是需要将共享指针传来传去，显得相当赘余。

全局静态框架

这是一种新手程序员经常习惯干的事。

不设立封装型的数据中心，而是将配置信息写在全局静态变量中。

必要时，直接用Get()函数获取。

Caffe恰恰使用了这种naive的做法，不过配上Boost之后，就相当powerful了。

多线程

一个线程除了需要些基础的配置信息，还需要什么？

在机器学习系统中，还需要随机数发生器。

随机数难题

产生一个随机数很简单，time(0)看起来不错，但是波动很有规律，是质量很低的随机数种子。

计算领域最常用的随机数发生器是 梅森旋转法 ，Caffe也使用了，这是一个兼有速度和质量的发生器。

ACM大神ACdreamers给出了一段模仿代码，ACM选手大概写了40行。

在CPU串行情况下，这40行代码怎么跑都行，但是在异步多线程中，问题就来了。

假设一个管理器中包含梅森旋转法实例对象，实例对象里有生成函数，且这个管理器只属于主进程，

当一个线程A需要随机数时，它可以访问主进程的梅森旋转法实例对象，执行该实例对象的产生函数。

梅森发生器每执行一次，其内部数据将有一次变动，我们可以将其视为对发生器的修改操作。

这个修改操作的触发对象大致有两个来源：

①DataTransformer，它在一个线程中调用。

②所有Layer参数的初始化，它在主进程中调用。

这样，如果梅森发生器只有一份，必然成为线程争夺的临界资源，它还包含修改操作。

临界资源不加mutex是危险的，如果我们为其加mutex，又有两处不便：

① 编程复杂，写mutex需要一番精力。

② 对临界资源产生阻塞访问，一定程度上降低了多线程的效率。

综合以上两点，随机数发生器最好设计成线程独立的资源。

设备难题

在多GPU情况下，我们需要为每一个GPU准备一个CPU线程来监督工作。

全局管理器会包含GPU设备信息(set device、get device）。

假设只有一个管理器，那么多个GPU该怎么去访问这个管理器，获得自己的设备编号？

显然，如果将管理器设计成线程独立的，那么这个问题就很好解决了。

同理，可以推广到root_solver这个属性。

显然，在主进程中，root_solver应该为true，默认它调度GPU0。

在监督其它GPU的CPU线程中，root_solver应该为false。

如果只有一个管理器，显然也是不妥的。

因而，随机数发生器必须具有线程独立性，进而，全局管理器必须有线程独立性。

Boost库提供了一个线程独立性智能指针，方便了线程独立资源的设计。

线程智能指针

boost::thread_specific_ptr<Class>是较为特殊的一个智能指针，但它不属于智能指针组，

位于"boost/thread/tss.hpp"下，属于boost::thread组。

通常将thread_specific_ptr指针设为全局static变量，进程和线程访问该指针时，将提供不同的结果。

其内部实现原理，应该是记录进程pid和线程tid，来做一个hash，以达到线程独立资源的管理。

static boost::thread_specific_ptr<Dragon> thread_instance;
Dragon& Dragon::Get(){
    if (!thread_instance.get()) thread_instance.reset(new Dragon());
    return *(thread_instance.get());
}

将类静态函数Get封装之后，我们可以获得线程独立的管理器对象Dragon。

实例对象的代码空间将由Boost::thread控制，不在主进程的控制范围，

这样，Dragon管理器里的复杂代码，在执行时不会因为异步而被截断。

代码实战

随机数系统设计

建立rng.hpp，包含"boost/random/mersenne_twister.hpp"

typedef boost::mt19937 rng_t;

mt19937是梅森旋转法的一个32位实现版本，由boost提供，将至重命名为rng_t

建立common.hpp，创建管理器类Dragon。

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首先，我们需要一个低质量的随机数种子，来初始化梅森旋转法。

同时，这个随机数种子，还必须是进程相关而不是线程相关的，避免多线程造成梅森随机数数值波动。

在Dragon管理器内部，声明静态成员函数：static int64_t cluster_seedgen();

建立common.cpp，实现这个低质量随机数种子发生器：

int64_t Dragon::cluster_seedgen(){
    int64_t seed, pid, t;
    pid = _getpid();
    t = time();
    seed = abs(((t * ) *((pid - ) * )) % ); //set it as you want casually
    return seed;
}

★int64_t Dragon::cluster_seedgen()

Caffe利用pid、和默认时间、以及几个奇怪的数计算了一个低质量的随机数种子，

最外层的104729保证了种子的范围，你可以随便改成任何喜欢的数。

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在Dragon内部声明且定义RNG类：

class RNG{
    public:
        RNG() { generator.reset(new Generator()); }
        RNG(unsigned int seed) {generator.reset(new Generator(seed));}
        rng_t* get_rng() { return generator->get_rng(); }
            class Generator{
            public:
                //using pid generators a simple seed to construct RNG
                Generator() :rng(new rng_t((uint32_t)Dragon::cluster_seedgen())) {}
                //assign a specific seed to construct RNG
                Generator(unsigned int seed) :rng(new rng_t(seed)) {}
                rng_t* get_rng() { return rng.get(); }
            private:
                boost::shared_ptr<rng_t> rng;
            };
    private:
        boost::shared_ptr<Generator> generator;
    };

★class RNG

RNG类内嵌一个Generator发生器类，Generator内部又封装一个rng_t。

梅森发生器支持两种构造模式，指定种子或使用进程相关的低质量种子。

梅森发生器以动态内存的形式管理rng_t，rng_t* get_rng()函数需要特别注意。

Boost的rng_t，也就是boost::mt19937，本质是一个类，这个类内部设置了复制构造函数。

复制构造函数的内容很有趣——重置梅森算法状态，这意味着，如下代码会是个灾难：

rng_t a;
rng_t b=a;

如果梅森发生器a已经产生了一定随机数，那么将a赋值给b，b将重复a的前几个值，因为发生器被重置了。

如果需要获得发生器a的副本，应当使用指针来获取，这是为什么get_rng()要返回指针的原因。

在Dragon里定义一个静态成员函数的get_rng()，方便外部直接调用：

static rng_t* get_rng(){
    if (!Get().random_generator){
        Get().random_generator.reset(new RNG());
    }
    rng_t* rng = Get().random_generator.get()->get_rng();
    return rng;
}

★static rng_t* get_rng()

它利用了线程独立管理器来构建管理器内部的RNG对象，并返回rng_t指针。

获得一个随机数很简单：

static unsigned int get_random_value(){
    rng_t* rng = get_rng();
    return (*rng)();
}

boost::mt19937同时重载了()函数，调用它直接可产生随机数，切记以指针解引用形式调用。

数据结构

class Dragon{
public:
    Dragon();
    ~Dragon();
    static Dragon& Get();
    enum Mode{ CPU, GPU };
    static Mode get_mode() { return Get().mode; }
    static void set_mode(Mode mode) {Get().mode = mode;}
    static int get_solver_count() { return Get().solver_count; }
    static void set_solver_count(int val) { Get().solver_count = val; }
    static bool get_root_solver() {return Get().root_solver;}
    static void set_root_solver(bool val) {Get().root_solver = val;}
    static void set_random_seed(unsigned int seed);
    static void set_device(const int device_id);
    static rng_t* get_rng();
    static unsigned int get_random_value();
    static int64_t cluster_seedgen();
    class RNG{....}
#ifndef CPU_ONLY
    static cublasHandle_t get_cublas_handle() { return Get().cublas_handle; }
    static curandGenerator_t get_curand_generator() {return Get().curand_generator;}
#endif
private:
    Mode mode;
    int solver_count;
    bool root_solver;
    boost::shared_ptr<RNG> random_generator;
#ifndef CPU_ONLY
    cublasHandle_t cublas_handle;
    curandGenerator_t curand_generator;
#endif
};

★class Dragon

成员变量包括：

★工作模式：mode

★solver相关：solver_count和root_solver

★RNG：random_generator

★CUDA相关：cublas句柄cublas_handle、curand发生器curand_generator

成员函数包括：

★get系封装

★set系封装

★随机数系统相关

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比较难以理解的是solver_count和root_solver，这涉及到分布式计算上。

新版Caffe允许多GPU间并行，与AlexNet不同，多GPU模式的内涵在于：“不共享数据，却共享网络”

所以，允许多个solver存在，且应用到不同的GPU上去。

直接使用solver_count的地方是DataReader，每一个DataLayer都有一个DataReader，

DataReader工作在异步线程，我们允许在一个主程序上跑多个DataLayer，但是不可以有多个ConvLayer。

关于多GPU的介绍请看第肆章。

第一个solver会成为root_solver，第二、第三个solver就会成为shared_solver。

root_solver有很大一部分特权，具体有以下几点：

★LOG(INFO)允许信息：显然我们不需要让几个GPU，产生几份重复的信息。

★测试：只有root_solver才能测试，猜测是为了减少冗余计算？

★统计结果：只有root_solver才能输出统计结果，这点同第一点。

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CUDA则需要做cublas和curand的初始化。

默认提供了更改当前GPU设备的函数，set_device()。

device更改的时候，会让当前cublas和curand无效，需要释放并且重新申请。

宏

common.hpp，如其名“通用”二字，我们可以将一些重要的通用宏放置其中。

这些宏如下：

//    MACRO: Instance a class
//    more info see http://bbs.csdn.net/topics/380250382
#define INSTANTIATE_CLASS(classname) \
  template class classname<float>; \
  template class classname<double>

//    instance for forward/backward in cu file
//    note that INSTANTIATE_CLASS is meaningless in NVCC complier
//    you must INSTANTIATE again
#define INSTANTIATE_LAYER_GPU_FORWARD(classname) \
  template void classname<float>::forward_gpu( \
      const vector<Blob<float>*>& bottom, \
      const vector<Blob<float>*>& top); \
  template void classname<double>::forward_gpu( \
      const vector<Blob<double>*>& bottom, \
      const vector<Blob<double>*>& top);

#define INSTANTIATE_LAYER_GPU_BACKWARD(classname) \
  template void classname<float>::backward_gpu( \
      const vector<Blob<float>*>& top, \
      const vector<bool> &data_need_bp, \
      const vector<Blob<float>*>& bottom); \
  template void classname<double>::backward_gpu( \
      const vector<Blob<double>*>& top, \
      const vector<bool> &data_need_bp, \
      const vector<Blob<double>*>& bottom)

#define INSTANTIATE_LAYER_GPU_FUNCS(classname) \
  INSTANTIATE_LAYER_GPU_FORWARD(classname); \
  INSTANTIATE_LAYER_GPU_BACKWARD(classname)

★宏

宏的作用在第壹章已做详解。

实现

大部分简短实现都和成员函数声明写在了一起。

这里完善一下Dragon管理器的构造和析构函数。

#ifdef CPU_ONLY
//    implements for CPU Manager
Dragon::Dragon():
    mode(Dragon::CPU), solver_count(), root_solver(true) {}
Dragon::~Dragon() { }
void Dragon::set_device(const int device_id) {}
#else
//    implements for CPU/GPU Manager
Dragon::Dragon() :
    mode(Dragon::CPU), solver_count(), root_solver(true),
    cublas_handle(NULL), curand_generator(NULL){
    if (cublasCreate_v2(&cublas_handle) != CUBLAS_STATUS_SUCCESS)
        LOG(ERROR) << "Couldn't create cublas handle.";
    if (curandCreateGenerator(&curand_generator, CURAND_RNG_PSEUDO_DEFAULT) != CURAND_STATUS_SUCCESS
        || curandSetPseudoRandomGeneratorSeed(curand_generator, cluster_seedgen()) != CURAND_STATUS_SUCCESS)
        LOG(ERROR) << "Couldn't create curand generator.";
}

Dragon::~Dragon(){
    if (cublas_handle) cublasDestroy_v2(cublas_handle);
    if (curand_generator) curandDestroyGenerator(curand_generator);
}

构造与析构

CPU和GPU用宏隔开编译了，默认模式是CPU，solver_count为1，root_sovler为真

GPU的构造和析构函数还需要追加cublas和curand的初始化和释放。

void Dragon::set_device(const int device_id) {
    int current_device;
    CUDA_CHECK(cudaGetDevice(&current_device));
    if (current_device == device_id) return;
    // The call to cudaSetDevice must come before any calls to Get, which
    // may perform initialization using the GPU.

    //    reset Device must reset handle and generator???
    CUDA_CHECK(cudaSetDevice(device_id));
    if (Get().cublas_handle) cublasDestroy_v2(Get().cublas_handle);
    if (Get().curand_generator) curandDestroyGenerator(Get().curand_generator);
    cublasCreate_v2(&Get().cublas_handle);
    curandCreateGenerator(&Get().curand_generator, CURAND_RNG_PSEUDO_DEFAULT);
    curandSetPseudoRandomGeneratorSeed(Get().curand_generator, cluster_seedgen());
}

当CUDA人工强制切换设备后(通常不建议这么做)，原有的cublas句柄和curand发生器会失效。

因为它们是绑定GPU的，这时候需要销毁重新构造，绑定新的GPU。

另外，在Windows上，短时间内关闭打开，多次启动程序，绑定cublas句柄频率过快，也可能导致绑定失败。

完整代码

common.hpp:

https://github.com/neopenx/Dragon/blob/master/Dragon/include/common.hpp

common.cpp:

https://github.com/neopenx/Dragon/blob/master/Dragon/src/common.cpp