可能是最详尽的PyTorch动态图解析

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作者丨Gemfield@@知乎

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/61765561、https://zhuanlan.zhihu.com/p/65822256

编辑丨极市平台

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PyTorch的动态图（上）

背景

PyTorch的动态图框架主要是由torch/csrc/autograd下的代码实现的。这个目录下定义了3个主要的基类：Variable、Function、Engine，这三个基类及其继承体系共同构成了PyTorch动态图的根基。

为什么叫作动态图呢？图容易理解，Function是nodes/vertices，(Function, input_nr)是edges。那么动态体现在什么地方呢？每一次前向时构建graph，反向时销毁。本文就以torch/csrc/autograd/下的代码为基础，深入讲解PyTorch的动态图系统——这也可能是互联网上关于PyTorch动态图最详尽的文章了。

在专栏文章《PyTorch的初始化》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/57571317）中，gemfield描述了PyTorch的初始化流程，在文末提到了THPAutograd_initFunctions()调用：“最后的THPAutograd_initFunctions()则是初始化了torch的自动微分系统，这是PyTorch动态图框架的基础”。而本文将以THPAutograd_initFunctions开始，带你走入到PyTorch的动态图世界中。首先为上篇，主要介绍Function、Variable、Engine的类的继承体系。

autograd初始化

THPAutograd_initFunctions这个函数实现如下：

void THPAutograd_initFunctions()
{
  THPObjectPtr module(PyModule_New("torch._C._functions"));
  ......
  generated::initialize_autogenerated_functions();
  auto c_module = THPObjectPtr(PyImport_ImportModule("torch._C"));
}
 

用来初始化cpp_function_types表，这个表维护了从cpp类型的函数到python类型的映射：

static std::unordered_map<std::type_index, THPObjectPtr> cpp_function_types
 

这个表里存放的都是和autograd相关的函数的映射关系，起什么作用呢？比如我在python中print一个Variable的grad_fn：

>>> gemfield = torch.empty([2,2],requires_grad=True)
>>> syszux = gemfield * gemfield
>>> syszux.grad_fn
<ThMulBackward object at 0x7f111621c350>
 

grad_fn是一个Function的实例，我们在C++中定义了那么多反向函数（参考下文），但是怎么在python中访问呢？就靠上面这个表的映射。实际上，cpp_function_types这个映射表就是为了在python中打印grad_fn服务的。

Variable

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/64135058

以下面的代码片段作为例子：

gemfield = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
syszux = gemfield + 2
civilnet = syszux * syszux * 3
gemfieldout = civilnet.mean()
gemfieldout.backward()
 

需要指出的是，动态图是在前向的时候建立起来的。gemfieldout作为前向的最终输出，在反向传播的时候，却是计算的最初输入—在动态图中，我们称之为root。在下文介绍Engine的时候，你就会看到，我们会使用gemfieldout这个root来构建GraphRoot实例，以此作为Graph的输入。

Function

在开始介绍Function之前，还是以上面的代码为例，在一次前向的过程中，我们会创建出如下的Variable和Function实例：

#Variable实例
gemfield --> grad_fn_ (Function实例）= None
         --> grad_accumulator_ (Function实例）= AccumulateGrad实例0x55ca7f304500
         --> output_nr_ = 0
 
#Function实例， 0x55ca7f872e90
AddBackward0实例 --> sequence_nr_ (uint64_t) = 0
            --> next_edges_ (edge_list) --> std::vector<Edge> = [(AccumulateGrad实例, 0)，(0, 0)]
            --> input_metadata_ --> [(type, shape, device)...] = [(CPUFloatType, [2, 2],cpu])]
            --> alpha (Scalar) = 1
            --> apply() --> 使用 AddBackward0 的apply
 
#Variable实例
syszux --> grad_fn_ (Function实例）= AddBackward0实例0x55ca7f872e90
       --> output_nr_ = 0
 
#Function实例， 0x55ca7ebba2a0
MulBackward0 --> sequence_nr_ (uint64_t) = 1
            --> next_edges_ (edge_list) = [(AddBackward0实例0x55ca7f872e90,0),(AddBackward0实例0x55ca7f872e90,0)]
            --> input_metadata_ --> [(type, shape, device)...] = [(CPUFloatType, [2, 2],cpu])]
            --> alpha (Scalar) = 1
            --> apply() --> 使用 MulBackward0 的apply
 
# #Variable实例，syszux * syszux得到的tmp
tmp --> grad_fn_ (Function实例）= MulBackward0实例0x55ca7ebba2a0
    --> output_nr_ = 0
 
#Function实例，0x55ca7fada2f0
MulBackward0 --> sequence_nr_ (uint64_t) = 2 （每个线程内自增）
            --> next_edges_ (edge_list) = [(MulBackward0实例0x55ca7ebba2a0,0),(0,0)]
            --> input_metadata_ --> [(type, shape, device)...] = [(CPUFloatType, [2, 2],cpu])]
            --> self_ (SavedVariable) = tmp的浅拷贝
            --> other_ (SavedVariable) = 3的浅拷贝
            --> apply() --> 使用 MulBackward0 的apply
 
#Variable实例
civilnet --> grad_fn_ (Function实例）= MulBackward0实例0x55ca7fada2f0                                          -
 
#Function实例，0x55ca7eb358b0
MeanBackward0 --> sequence_nr_ (uint64_t) = 3 （每个线程内自增）
              --> next_edges_ (edge_list) = [(MulBackward0实例0x55ca7fada2f0,0)]
              --> input_metadata_ --> [(type, shape, device)...] = [(CPUFloatType|[]|cpu])]
              --> self_sizes (std::vector<int64_t>) = (2, 2)
              --> self_numel = 4
              --> apply() --> 使用 MulBackward0 的apply
#Variable实例
gemfieldout --> grad_fn_ (Function实例）= MeanBackward0实例0x55ca7eb358b0
            --> output_nr_ = 0
 

这些用于反向计算的Function实例之间通过next_edges_连接在一起，因为这些Function的实际运行都是在反向期间，因此，输出输出关系正好和前向期间是反过来的。它们通过next_edges_连接在一起。用一个图来概括，就是下面这样：

这就引入一个新的话题——Function类是如何抽象出来的。

Function基类定义

Function的数据成员如下所示：

using edge_list = std::vector<Edge>;
using variable_list = std::vector<Variable>;
 
struct TORCH_API Function {
...
  virtual variable_list apply(variable_list&& inputs) = 0;
...
  const uint64_t sequence_nr_;
  edge_list next_edges_;
  PyObject* pyobj_ = nullptr; // weak reference
  std::unique_ptr<AnomalyMetadata> anomaly_metadata_ = nullptr;
  std::vector<std::unique_ptr<FunctionPreHook>> pre_hooks_;
  std::vector<std::unique_ptr<FunctionPostHook>> post_hooks_;
  at::SmallVector<InputMetadata, 2> input_metadata_;
};
 

Function call

Function类是抽象出来的基类，代表一个op（operation），每个op接收的参数是0个、1个或多个Variable实例（使用std::vector封装），并与此同时输出0个、1个或多个Variable实例。PyTorch中所有用于反向传播计算的函数都继承自Function类，并重写了Function类中的apply纯虚函数。因为Function类中实现了call函数：

variable_list operator()(variable_list&& inputs) {
  return apply(std::move(inputs));
}
 

所以依靠C++的多态，对op的call将转化为自身（子类）的apply调用。Function类中最重要的方法是call函数，call会调用apply，call函数接收vector封装的多个Variable实例，并输出vector封装的多个Variable实例。输入参数的vector长度可以由num_inputs()调用获得，对应的，输出的vector长度则由num_outputs()获得。

Function的输入

Function成员input_metadata_代表input data的meta信息，界定了一个Function的输入：

struct InputMetadata {
...
  const at::Type* type_ = nullptr;
  at::DimVector shape_;
  at::Device device_ = at::kCPU;
};
 

Autograd graph的edge和vertices

如果将PyTorch的autograd系统看作是一个图（graph）的话，那么每个Function实例就是graph中的节点（nodes/vertices），各个Function实例之间则是通过Edge连接的。Edge是个结构体，通过 (Function, input_nr) 的配对来代表graph中的edge：

struct Edge {
...
  std::shared_ptr<Function> function;
  uint32_t input_nr;
};
 

Function的成员next_edges_正是一组这样的Edge实例，代表此function实例的返回值要输出到的（另外）function，也即next_edges_是function和function之间的纽带。

Function的输入输出都是Variable实例，因此，当一个graph被执行的时候，Variable实例就在这些edges之间来传输流动。当两个或者多个Edge指向同一个Function的时候（这个节点的入度大于1），这些edges的输出将会隐含的相加起来再送给指向的目标Function。

Function和Function之间通过next_edge接口连接在一起，你可以使用add_next_edge()来向Function添加一个edge, 通过next_edge(index)获取对应的edge，通过next_edges()方法获得迭代edge的迭代器。每一个Function都有一个sequence number，随着Function实例的不断构建而单调增长。你可以通过sequence_nr()方法来或者一个Function的sequence number。

Function继承体系

基类Function直接派生出TraceableFunction和以下这些Function：

CopySlices : public Function 
DelayedError : public Function 
Error : public Function 
Gather : public Function 
GraphRoot : public Function 
Scatter : public Function
AccumulateGrad : public Function 
AliasBackward : public Function 
AsStridedBackward : public Function 
CopyBackwards : public Function 
DiagonalBackward : public Function 
ExpandBackward : public Function 
IndicesBackward0 : public Function 
IndicesBackward1 : public Function 
PermuteBackward : public Function 
SelectBackward : public Function 
SliceBackward : public Function 
SqueezeBackward0 : public Function 
SqueezeBackward1 : public Function 
TBackward : public Function 
TransposeBackward0 : public Function 
UnbindBackward : public Function 
UnfoldBackward : public Function 
UnsqueezeBackward0 : public Function 
ValuesBackward0 : public Function 
ValuesBackward1 : public Function 
ViewBackward : public Function
 
PyFunction : public Function
 

这其中，从基类Function派生出来的AccumulateGrad、TraceableFunction、GraphRoot是比较关键的类。

派生类AccumulateGrad

先说说AccumulateGrad，AccumulateGrad正是Variable的grad_accumulator_成员的类型：

struct AccumulateGrad : public Function {
  explicit AccumulateGrad(Variable variable_);
  variable_list apply(variable_list&& grads) override;
  Variable variable;
};
 

可见一个AccumulateGrad实例必须用一个Variable构建，apply调用接收一个list的Variable的实例——这都是和Variable的grad_accumulator_相关的。

派生类GraphRoot

对于GraphRoot，前向时候的最终输出——在反向的时候作为最初输入——是由GraphRoot封装的：

struct GraphRoot : public Function {
  GraphRoot(edge_list functions, variable_list inputs)
      : Function(std::move(functions)),
        outputs(std::move(inputs)) {}
  variable_list apply(variable_list&& inputs) override {
    return outputs;
  }
  variable_list outputs;
};
 

GraphRoot——正如Function的灵魂在apply一样——其apply函数仅仅返回它的输入！

派生类TraceableFunction

再说说TraceableFunction：

struct TraceableFunction : public Function {
  using Function::Function;
  bool is_traceable() final {
    return true;
  }
};
 

TraceableFunction会进一步派生出372个子类（2019年4月），这些子类的名字都含有一个共同的部分：Backward。这说明什么呢？这些函数将只会用在反向传播中：

AbsBackward : public TraceableFunction 
AcosBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveAvgPool2DBackwardBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveAvgPool2DBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveAvgPool3DBackwardBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveAvgPool3DBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveMaxPool2DBackwardBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveMaxPool2DBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveMaxPool3DBackwardBackward : public TraceableFunction 
AdaptiveMaxPool3DBackward : public TraceableFunction 
AddBackward0 : public TraceableFunction 
AddBackward1 : public TraceableFunction 
AddbmmBackward : public TraceableFunction 
AddcdivBackward : public TraceableFunction 
AddcmulBackward : public TraceableFunction 
AddmmBackward : public TraceableFunction 
AddmvBackward : public TraceableFunction 
AddrBackward : public TraceableFunction 
......
SoftmaxBackwardDataBackward : public TraceableFunction 
SoftmaxBackward : public TraceableFunction 
......
UpsampleBicubic2DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleBicubic2DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleBilinear2DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleBilinear2DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleLinear1DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleLinear1DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest1DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest1DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest2DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest2DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest3DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleNearest3DBackward : public TraceableFunction 
UpsampleTrilinear3DBackwardBackward : public TraceableFunction 
UpsampleTrilinear3DBackward : public TraceableFunction 
......
 

这300多个Backward function都重写了apply函数，来实现自己的反向求导算法，比如加法的反向求导函数AddBackward0：

struct AddBackward0 : public TraceableFunction {
  using TraceableFunction::TraceableFunction;
  variable_list apply(variable_list&& grads) override;
  Scalar alpha;
};
 

这些apply函数是Function的灵魂，是反向传播计算时候的核心执行逻辑。

Engine

Engine类实现了从输出的variable（以及它的gradients）到root variables（用户创建的并且requires_grad=True）之间的反向传播。

gemfield = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
syszux = gemfield + 2
civilnet = syszux * syszux * 3
gemfieldout = civilnet.mean()
gemfieldout.backward()
 

还是以上面这个代码片段为例，Engine实现了从gemfieldout到gemfield的反向传播：

1，如何根据gemfieldout构建GraphRoot；

2，如何根据这些Function实例及它们上的metadata构建graph；

3，如何实现Queue来多线程完成反向计算的工作。

Engine类定义

Engine类的定义如下：

struct Engine {
  using ready_queue_type = std::deque<std::pair<std::shared_ptr<Function>, InputBuffer>>;
  using dependencies_type = std::unordered_map<Function*, int>;
  virtual variable_list execute(const edge_list& roots,const variable_list& inputs,...const edge_list& outputs = {});
  void queue_callback(std::function<void()> callback);
protected:
  void compute_dependencies(Function* root, GraphTask& task);
  void evaluate_function(FunctionTask& task);
  void start_threads();
  virtual void thread_init(int device);
  virtual void thread_main(GraphTask *graph_task);
  std::vector<std::shared_ptr<ReadyQueue>> ready_queues;
};
 

核心就是execute函数，它接收一组Edge——(Function, input number) pairs ——来作为函数的输入，然后通过next_edge不断的找到指向的下一个Edge，最终完成整个Graph的计算。

派生类PythonEngine

然而我们实际使用的是Engine类的派生类：PythonEngine。PythonEngine子类重写了父类的execute，只不过仅仅提供了把C++异常翻译为Python异常的功能，核心工作还是由Engine基类来完成：

struct PythonEngine : public Engine
 

整个PyTorch程序全局只维护一个Engine实例，也就是PythonEngine实例。

BP调用栈

既然Engine是用来计算网络反向传播的，我们不妨看下这个调用栈是怎么到达Engine类的。如果我们对gemfieldout进行backward计算，则调用栈如下所示：

#torch/tensor.py，self is gemfieldout
def backward(self, gradient=None, retain_graph=None, create_graph=False)
|
V
#torch.autograd.backward(self, gradient, retain_graph, create_graph)
#torch/autograd/__init__.py
def backward(tensors, grad_tensors=None, retain_graph=None, create_graph=False, grad_variables=None)
|
V
Variable._execution_engine.run_backward(tensors, grad_tensors, retain_graph, create_graph,allow_unreachable=True)
#转化为Variable._execution_engine.run_backward((gemfieldout,), (tensor(1.),), False, False,True)
|
V
#torch/csrc/autograd/python_engine.cpp
PyObject *THPEngine_run_backward(THPEngine *self, PyObject *args, PyObject *kwargs)
|
V
#torch/csrc/autograd/python_engine.cpp
variable_list PythonEngine::execute(const edge_list& roots, const variable_list& inputs, bool keep_graph, bool create_graph, const edge_list& outputs)
|
V
#torch/csrc/autograd/engine.cpp
Engine::execute(roots, inputs, keep_graph, create_graph, outputs)
 

总结

在下段文章中，Gemfield将主要介绍Engine这个类是如何在gemfieldout.backward()中运行PyTorch动态图的。

PyTorch的动态图（下）

背景

在 上文中，我们介绍了PyTorch autograd系统的三个基石：Variable、Function、Engine。

用一句简单的话来概括下，就是Engine使用Function构建的Graph来计算得到Variable上grad。在本文中，Gemfield将以下面的代码片段为例，详细介绍Engine如何构建Graph来进行反向传播计算：

gemfield = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
syszux = gemfield + 2
civilnet = syszux * syszux * 3
gemfieldout = civilnet.mean()
gemfieldout.backward()
 

BP Engine

BP Engine是一个反向传播计算中用于动态生成计算图的类，目前PyTorch中只定义了一种BP Engine的实现。

1，Engine类定义

用于反向传播计算图动态生成的Engine类的定义如下：

struct Engine {
  using ready_queue_type = std::deque<std::pair<std::shared_ptr<Function>, InputBuffer>>;
  using dependencies_type = std::unordered_map<Function*, int>;
  virtual variable_list execute(const edge_list& roots,const variable_list& inputs,...const edge_list& outputs = {});
  void queue_callback(std::function<void()> callback);
protected:
  void compute_dependencies(Function* root, GraphTask& task);
  void evaluate_function(FunctionTask& task);
  void start_threads();
  virtual void thread_init(int device);
  virtual void thread_main(GraphTask *graph_task);
  std::vector<std::shared_ptr<ReadyQueue>> ready_queues;
};
 

前向结束输出gemfieldout后，我们使用gemfieldout来作为反向传播的输入。

2，Engine类的start_threads成员

顾名思义，start_threads就是用来启动线程的，根据设备的数量来决定要启动的线程数量。这个函数使用std::call_once(start_threads_flag, &Engine::start_threads, this)的方式进行调用，确保了整个进程周期start_threads成员函数只被调用了一次。该成员函数的主要作用有2点：

1，创建多个ReadyQueue实例，使用ready_queues vector来管理。ReadyQueue的数量和即将要新创建的线程数量一样：

ready_queues = std::vector<std::shared_ptr<ReadyQueue>>(num_threads);
for (auto& queue : ready_queues){
    queue.reset(new ReadyQueue());
}
 

2，创建多个新线程，线程的数量取决于设备的数量。CPU算一个设备，每张GPU卡算一个设备，然后最后再加1。比如该系统上有4个RTX 2080ti显卡，那么这里就会启动5个线程，如果系统上只有cpu而没有GPU，那么这里就会启动2个线程。

该成员函数使用std::thread来启动管理线程，比较重要的一点是，创建线程的时候传递的this指针：

for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
    std::thread t(&Engine::thread_init, this, i - 1);
    t.detach();
}
 

this就是当前Engine的实例，整个进程的生命周期内就只有这一个Engine实例。传递this带来的一个惊喜就是，当前进程和新启动的线程之间可以共享同一个Engine实例——不管是数据成员还是函数成员。后面你就会看到，我们的Queue就依靠this的共享来实现线程间的对象传输。

3，Engine类的ready_queues

ready_queues的定义如下：

std::vector<std::shared_ptr<ReadyQueue>> ready_queues;
 

可见ready_queues使用vector去管理了若干个ReadyQueue实例。这样我们就可以使用device index去vector里索引每个device专属的ReadyQueue了。

ReadyQueue用来传输的是FunctionTask对象（后文会介绍到），ReadyQueue定义如下所示：

struct ReadyQueue {
  std::priority_queue<FunctionTask, std::vector<FunctionTask>, CompareFunctionTaskTime> heap;
  std::condition_variable not_empty;
  std::mutex mutex;
  void push(FunctionTask item);
  FunctionTask pop();
};
 

ReadyQueue使用priority_queue作为backend这一事实告诉了我们一点：消费的顺序并不等价于生产的顺序——根据CompareFunctionTaskTime的定义——谁的sequence_nr()越小就谁先消费。

ReadyQueue使用了C++11的condition_variable进行线程间的同步，使用condition_variable的notify_one来通知消费线程，相当于unblock其中一个消费线程（notify_all则是所有消费线程）。与此对应，消费线程则使用condition_variable的wait来接收同步信息。ReadyQueue类上定义了push和pop方法，分别代表生产者的生产行为和消费者的消费行为：

auto ReadyQueue::push(FunctionTask item) -> void {
  {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    ++item.base->outstanding_tasks;
    heap.push(std::move(item));
  }
  not_empty.notify_one();
}
 
auto ReadyQueue::pop() -> FunctionTask {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
  not_empty.wait(lock, [this]{ return !heap.empty(); });
  auto task = std::move(const_cast<FunctionTask&>(heap.top()));
  heap.pop();
  return task;
}
 
//wait相当于下面，防止异常情况退出
while(heap.empty()){
    not_empty.wait(lock);
}
 

4，Engine类的thread_init成员

thread_init会执行start_threads启动的线程的初始化工作。

auto Engine::thread_init(int device) -> void {
  at::init_num_threads();
  std::array<c10::OptionalDeviceGuard,static_cast<size_t>(c10::DeviceType::COMPILE_TIME_MAX_DEVICE_TYPES)> guards;
  if (device != -1) {
    for (size_t i = 0; i < static_cast<size_t>(c10::DeviceType::COMPILE_TIME_MAX_DEVICE_TYPES); i++) {
      auto* impl = c10::impl::device_guard_impl_registry[i].load();
      if (impl && device < impl->deviceCount()) {
        guards[i].reset_device(at::Device(static_cast<c10::DeviceType>(i), device));
      }
    }
  }
  worker_device = device;
  thread_main(nullptr);
}
 

设置每个线程自己的worker_device的值，值为device num-1，因此是从-1开始的。如果系统上只有1个cpu设备，那么start_threads会启动2个线程。那么这里的device号就分别是-1、0。另外，主进程里的worker_device的值为NO_DEVICE（-2）。初始化工作除了设置这个worker_device，主要是从第2个worker thread开始来设置guards中的divice。线程初始化完毕后，将会进行真正的线程执行逻辑调用。

5，Engine类中的GraphTask

Engine中使用的GraphTask：

struct GraphTask {
  std::atomic<uint64_t> outstanding_tasks;
  bool keep_graph;
  bool grad_mode;
  std::mutex mutex;
  std::condition_variable not_done;
  std::unordered_map<Function*, InputBuffer> not_ready;
  std::unordered_map<Function*, int> dependencies;
  struct ExecInfo {
    bool needed = false;
  };
  std::unordered_map<Function*, ExecInfo> exec_info;
  int owner;
  GraphTask(bool keep_graph, bool grad_mode): has_error(false),  \
            outstanding_tasks(0), keep_graph(keep_graph), grad_mode(grad_mode), owner(NO_DEVICE) {}
};
 

在Engine的execute函数执行中，我们会定义一个graph_task实例：

GraphTask graph_task(keep_graph, create_graph);
 

GraphTask的重要成员有：

成员1：outstanding_tasks，是个数字，当一个GraphTask实例创建出来的时候，outstanding_tasks被初始化为0；当其随后被送入ReadyQueue的时候，outstanding_tasks自增1；然后在worker线程每执行一次evaluate_function(task)后，outstanding_tasks的值减1。并且在主进程中，会有一个线程的同步逻辑依赖这个值：

while(graph_task.outstanding_tasks.load() != 0){
    graph_task.not_done.wait(lock);
}
 

可见这个graph_task实例上的function没有被evaluate完成之前，主进程就一直在这里等待。

成员2：keep_graph，是个bool值，用来指定一次反向计算后是否释放资源。什么资源呢？前向过程中建立起来的资源。keep_graph如果是False的话，则会在fn执行完毕后调用release_variables：

if (!task.base->keep_graph) {
  fn.release_variables();
}
 

我们在上文提到过，那几百个反向计算的Function里都有一个灵魂函数——apply，其实，还有一个回收资源的灵魂函数——release_variables。比如

struct MulBackward0 : public TraceableFunction {
  void release_variables() override {
    self_.reset_data();
    self_.reset_grad_function();
    other_.reset_data();
    other_.reset_grad_function();
  }
  SavedVariable self_;
  SavedVariable other_;
};
 

成员3：grad_mode，这是个bool值，用来指示当前的上下文是否是要计算grad。

bool GradMode::is_enabled() {
  return GradMode_enabled;
}
 
void GradMode::set_enabled(bool enabled) {
  GradMode_enabled = enabled;
}
 

整个反向计算期间执行的代码逻辑中，都是靠GradMode::is_enabled()来判断当前是否是要计算grad的。

成员4：mutex，类型为std::mutex。这是线程之间的同步原语，多个线程中只有一个可以持有同一个mutex，其它的线程只能在此等待。但是为了防止死锁等情况出现，我们借助RAII来智能管理mutex，典型的代表就是std::lock_guard和std::unique_lock。默认情况下用std::lock_guard，在一个函数执行完毕后（其实是一个block作用域），std::lock_guard的析构会自动释放这个mutex；不过，std::lock_guard只能靠构造函数和析构函数来获得和释放mutex，std::unique_lock则在此基础上更近一步，除了拥有上述功能之外，还可以通过std::unique_lock的lock和unlock来主动加锁和解锁，提供更精细粒度的控制——增加代码并行的区域。

成员5：not_done，std::condition_variable类型。线程间通信。还记得吧，在主进程中，我们将一个FunctionTask对象送往Queue后，主进程就开始等待：

while(graph_task.outstanding_tasks.load() != 0){
    graph_task.not_done.wait(lock);
}
 

while循环就是防止异常退出的，核心是not_done这个condition。not_done.wait(lock)就是在这里阻塞——等待worker thread里的not_done.notify_all()。

成员6：not_ready，类型为std::unordered_map<Function*, InputBuffer>。用来暂存not ready的function及其输入。

**成员7：dependencies，**类型为std::unordered_map<Function*, int> 。

这个实例的dependencies成员在compute_dependencies调用中被初始化，只要一个grad_fn函数在别人的next_edges()中出现过一次，那么dependencies[this_grad_fn] 就自增1。

成员8：exec_info，类型为std::unordered_map<Function*, ExecInfo> 。如果exec_info这个map为空的话，说明这个task是默认的模式——所有我们在next_edges中遇到的函数都将被执行。如果exec_info不为空的话，只有含有entry的Function并且这个entry
has needed == True 的情况下才会被执行。

成员9：owner，int类型。GraphTask是在哪个线程中创建的，该值就是那个线程中的worker_device的值。

6，Engine类中的FunctionTask

Engine中使用的FunctionTask：

struct FunctionTask {
  GraphTask* base;
  std::shared_ptr<Function> fn;
  InputBuffer inputs;
  FunctionTask(GraphTask* base, std::shared_ptr<Function> fn, InputBuffer inputs): \
               base(base), fn(std::move(fn)), inputs(std::move(inputs)) {}
};
 

这个类的对象正是在queue中传输的东西，从上面的定义可以看到，我们使用GraphTask、Function、InputBuffer来构建一个FunctionTask实例。实际上，在主进程中，我们只需要将一个FunctionTask实例送入queue即可。这个FunctionTask正是由上述的GraphTask实例、graph_root、0构建的：

#主进程中
FunctionTask(&graph_task, std::move(graph_root), InputBuffer(0)
 

graph_root初始化很简单，由roots和inputs构建，roots就是将gemfieldout的gradient_edge()——也即grad_fn——也即MeanBackward0实例和output_nr_——也即（MeanBackward0实例，0）；而inputs也即tensor(1.)。生产端往queue发送了FunctionTask实例后，在消费端的worker thread中，我们则通过task.base来访问到这个GraphTask实例、通过task.fn访问到这个roots实例、通过task.inputs来访问这个InputBuffer实例。

而在worker thread中，我们也可能使用如下的方式来构建新的FunctionTask实例，然后添加到queue中：

#work thread
FunctionTask(task.base, nullptr, InputBuffer(0)
 
#evaluate function
FunctionTask(task.base, next.function, std::move(input_buffer))
 

7，Engine类中的compute_dependencies

还记得5中定义的那个graph_task实例吗？还记得graph_task中有个成员是dependencies吗？还记得dependencies是std::unordered_map<Function*, int>吗？对，只要一个grad_fn函数在别人的next_edges()中出现过一次，那么dependencies[this_grad_fn] 就自增1。

对，这个函数就只干了这么一件事。

8，Engine类中的execute

这是Engine的灵魂函数，也是Engine的执行逻辑的主体，在一次反向中，该函数会被执行一次。该函数主要做了如下的工作：

1，调用Engine::start_threads，启动多个worker线程；注意，start_threads在整个进程周期只会被执行一次；

2，实例化一个graph_task的实例；

3，使用上述graph_task的mutex，初始化一个execute函数中局部的mutex；

4，构建GraphRoot；

5，执行compute_dependencies；

6，向队列中传输一个FunctionTask实例；

7，等待worker thread计算完毕后结束。

9，Engine类的thread_main成员

thread_main会作为start_threads启动的线程的执行实体：

auto Engine::thread_main(GraphTask *graph_task) -> void {
  auto queue = ready_queues[worker_device + 1];
  while (!graph_task || graph_task->outstanding_tasks > 0) {
    FunctionTask task = queue->pop();
    if (task.fn && !task.base->has_error.load()) {
      GradMode::set_enabled(task.base->grad_mode);
      evaluate_function(task);
    }
    auto base_owner = task.base->owner;
 
    if (base_owner == NO_DEVICE) {
      if (--task.base->outstanding_tasks == 0) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(task.base->mutex);
        task.base->not_done.notify_all();
      }
    } else {
      if (base_owner == worker_device) {
        --task.base->outstanding_tasks;
      } else if (base_owner != worker_device) {
        if (--task.base->outstanding_tasks == 0) {
          std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
          ready_queue_by_index(base_owner).push(FunctionTask(task.base, nullptr, InputBuffer(0)));
        }
      }
    }
  }
}
 

主体就是一个while循环，不断的从专属queue中取出FunctionTask实例，然后执行evaluate_function——这是主体逻辑。evaluate_function完毕后，如果：

1，这个task是来自主进程的，并且task的outstanding_tasks已经降为0了（注意outstanding_tasks在evaluate_function中还会不断的被改变），那么就通知主进程上的wait同步原语，准备结束反向计算；

2，如果这个task是来自当前work thread，那么outstanding_tasks就自减1；

3，如果这个task是来自其它work thread，那么outstanding_tasks就自减1，并且如果降为0的话，则向那个worker thread的queue发送一个dummy function task。

10，Engine类的evaluate_function

这个函数的核心就是看一个函数在GraphTask的dependencies的计数是否降为0——也即是否ready（通常是因为有多个input），如果ready就送往queue去计算；如果没有就放入GraphTask的not_ready中，每次设置好对应的一个InputBuffer输入。送往Queue的task和之前GraphRoot不一样，因为它的owner不是主进程——是在worker thread中创建的。

1，一个node的input variable的device是多少，那么这个node组成的FunctionTask对象将被送往那个device对应的worker thread的queue；

2，准备一个node的时候，如果is_ready是True，说明这个node不会被未来的计算所依赖了，这个node组成的FunctionTask就会被送往上述的queue，并且信息会从Graph（GraphTask）中抹掉——从GraphTask的dependencies中移除；

3，准备一个node的时候，如果is_ready是False，这通常表明这个node有多个输入（被更多的node连接，使用num_inputs()可以获得数量），那么第一次遇到这个node的时候并不会把它送往queue，而是放入GraphTask的not_ready中，这个时候顺便设置好了该node的第一个输入：

input_buffer.add(next.input_nr, std::move(output))
not_ready.emplace(next.function.get(), std::move(input_buffer));
 

第二次遇到该node就设置该node的第二个input：

auto &input_buffer = not_ready_it->second;
input_buffer.add(next.input_nr, std::move(output));
 

以此类推，直到dependencies中对应的计数降为0——is_ready从False变为了True——这个node终于不会被未来的计算所依赖了。这个node组成的FunctionTask这个时候才会被送往上述的queue，并且信息会从Graph（GraphTask）中抹掉——从GraphTask的dependencies中移除、从GraphTask的not_ready中移除。

另外，input_buffer的构建也非常有趣，当向一个node添加一个输入的时候：

input_buffer.add(next.input_nr, std::move(output));
 

input_nr就清楚的表明，当前的node是反向传播中要流向的node的第几个输入！

11，Engine类的call_function

这个函数的逻辑就相对简单了，调用各个反向计算的函数及注册在上面的hooks。注意fn的输入和输出，像gemfield在《PyTorch的Tensor》中说的那样，输入是一组Variable的实例——InputBuffer::variables(std::move(task.inputs))，输出也是一组Variable的实例，毕竟输出要作为下一个fn的输入嘛。相关的代码如下所示：

static variable_list call_function(FunctionTask& task) {
  auto& fn = *task.fn;
  auto inputs = call_pre_hooks(fn, InputBuffer::variables(std::move(task.inputs)));
 
  const auto has_post_hooks = !fn.post_hooks().empty();
  variable_list outputs = fn(std::move(inputs));
  
  if(has_post_hooks){
    return call_post_hooks(fn, std::move(outputs), inputs);
  }
  return outputs;
}
 

1，调用注册在node上的pre_hooks；

2，调用node本身，比如MeanBackward0、MulBackward0等；

3，调用注册在node上的post hooks。

总结

本文中gemfield进一步介绍了PyTorch的动态图，主要是Engine这个class。现在你已经熟悉了，反向传播计算中，会根据设备数量启动多个线程，每个线程关联一个Queue，每个worker thread都有关联的device，主进程和worker thread、worker thread和work thread之间通过queue传送输入和计算结果，task根据input的device会被送入对应的Queue——如此以来计算就会在那个device关联的worker thread中进行。数据流经每个fn/node获得的输出再作为下一个fn/node的输入，这些输入输出都是一组Variable的实例。

觉得有用麻烦给个在看啦~