用 C 语言进行大模型推理：探索 llama2.c 仓库(一)_c语言 模型推理

前提

最近发现了一个只用c语言就可以推理大模型的仓库llama2.c，作者是openAI的员工。对这个仓库产生了很大的兴趣，所以特地学习一番，这里做个记录。

有关huggingface社区

huggingface 应该是截至目前为止，世界上最大的llm社区了吧，huggingface社区收录了各种各样的模型共开发者使用，同时huggingface自己提供了一个Transformer库可以用来进行llm的推理。

之所以介绍huggingface社区，是因为在下文中我们要使用huggingface社区的模型。直接使用Meta发布的llama2来对程序进行运行分析的话，我的计算机因为配置问题运行不了，所以我们在huggingface社区中找一个和llama2有相同结构的模型，但是decode的层数要少很多的模型进行运行。

chinese-baby-llama2

chinese-baby-llama2是一个参数量115M左右的超微型小模型，采用Llama2架构，我们选择这个模型替代Meta的llama2对llama2.c仓库中的代码进行分析。

注意：在本文中，我们只关心推理代码的架构，以及代码是怎么写的，不关心llm的输出结果是否正确、是否合理。

llama2.c

我们将llama2.c和chinese-baby-llama2的仓库clone到本地。
关于llama.c仓库中每个文件是什么意思，这里不做过多的介绍，你将仓库中的README.md读完就明白了。简单地说下chinese-baby-llama2仓库中我们可能要用到的几个文件：

模型的权重文件是huggingface的格式。

export.py

因为权重文件和分词文件是huggingface的格式，因此按照README.md中指出的，为了可以使用run.c进行推理，我们首先要将hf模型文件转换为.bin文件，那么export.py这个文件就是用来做这个事情的。同理tokenizer.py也是干这个事情的，只不过对象换成了分词器。
export.py导出bin文件的大致流程如下：

读取模型信息

重建模型

对重建出的模型初始化权重

这里说明一下：从pytorch.model中提取的权重参数都存在hf_dict这个字典里，这个字典的长度为111，分别保存了每一层的参数、embedding的参数、最后一个norm的参数以及lm_head的参数。下面给出一个简易的网络结构图。

大概就是这个样子，我们根据这个也可以分析出为什么hf_dict的长度等于112，111 = 12 * 9(every layer) + 1(embedding) + 1(norm) +1(lm_head)。

导出run.c要求的.bin文件

第一步还是将模型结构等信息写入到.bin文件中，然后依次写入embedding权重文件等，写完以后，.bin文件的具体结构如下。

这里暂时没有搞清楚为什么不将lm_head的权重也写入到bin文件中。

tokenizer.py

tokenizer.py的逻辑更为简单，主要是借助了sentencepiece这个库。同样加载tokenizer.model然后将其保存为.bin文件。

一些思考

如果让我们自己使用C语言实现一个llama2的推理，我们会怎么做？对于我来说，一个很简单的想法就是翻译，我们已经知道用python语言是如何对llama2进行推理的，那我将python语言翻译为C语言。当然，这个翻译也没有那么简单，要保证python和C的数据是对齐的。举个例子来说，在python中基本的数据结构是tensor，那么在C中该用什么来表达这个tensor呢？所以还是要有较多的考量。

参考链接

1. https://github.com/karpathy/llama2.c
2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/674666408