对Tensorflow中Device实例的生成和管理详解

1. 关键术语描述

kernel

在神经网络模型中，每个node都定义了自己需要完成的操作，比如要做卷积、矩阵相乘等。

可以将kernel看做是一段能够跑在具体硬件设备上的算法程序，所以即使同样的2D卷积算法，我们有基于gpu的Convolution 2D kernel实例、基于cpu的Convolution 2D kernel实例。

device

负责运行kernel的具体硬件设备抽象。每个device实例，对应系统中一个具体的处理器硬件，比如gpu:0 device, gpu:1 device, cpu:0 device。一般来说，每个device实例同时包括处理器资源、内存资源。device的抽象支持硬件设备提供的并行处理能力。

2. device是什么

为方便描述，下面我们把在tensorflow里面运行的神经网络模型都统一称为graph。

我们知道，tensorflow主要针对的是跨硬件平台、分布式、并发运行的场景，参与运算的每个硬件资源，我们都抽象为device实例，便于管理。

device的主要职责：

管理处理器资源，为支持device内部的并行计算，进一步将其抽象为thread pool或streams：

cpu：使用thread pool来管理，thread之间可支持不同程度的并行计算能力

gpu: 针对nvidia gpu， 使用cuda streams来管理，根据不同的gpu型号，可支持不同数量的stream做并行计算

管理内存资源：为kernel的运行，分配和释放内存，进一步抽象为Allocator及其各种子类的实例来管理。

主机内存：

cpu kernel 计算时需要的内存。

gpu kernel的输出结果如果要放置到主机内存中时，gpu kernel也需要申请主机内存。

显存： gpu kernel 计算时需要的内存。

3. device的种类及应用场景

由于device要抽象的设备种类较多，我们主要描述一下本地运行的cpu device、gpu device实例类型。先用一个UML图来表示一下各种device抽象类的关系：

可以看到，cpu device实例使用的类是GPUCompatibleCPUDevice，主要是在ThreadPoolDevice的基础上，增加了gpu<-> cpu之间内存传输数据的优化措施。

gpu device实例使用的类是 GPUDevice 。

4. device实例的关键数据结构

我们以常用的cpu device，gpu device为例， 用下图描述一下device实例的关键数据结构：

可以看到每个device实例内部都具备并行处理的能力：

GPUCompatibleCPUDevice实例
 将 cpu 的计算资源抽象为thread pool，以支持多thread之间的并发执行；
 将主机内存抽象为 CPUAllocator 实例来进行管理，为cpu kernel、gpu kernel提供主机内存的申请、释放功能；

GPUDevice实例
 将gpu的计算资源抽象为streams， 由于目前只支持NVIDIA的gpu，所以这里我们可以看作抽象为cuda streams，多个cuda streams之间的计算可以并发处理；
 通过GPUBFCAllocator实例来管理显存，为gpu kernel提供显存的申请、释放功能。

5. device实例的创建

系统中可用的device实例，由session发起创建，归属于session实例。

device的创建，使用Factory 设计模式，session会调用所有注册的device factory，逐一产出 符合条件的device实例。

以DirectSession实例创建gpu device、cpu device为例，具体流程如下图所示。

为方便结合代码阅读，已包含主要的类、函数调用路径：

可以看到，最终产出 的gpu device、cpu device实例，都会保存至DirectSession实例的 devices_ 表中，由DirectSession实例进行分配和使用。

6. 在graph运行阶段device的使用

在graph的创建阶段，session为每个node分配一个具体的device实例，同时为每个node创建一个具体的kernel实例，这个kernel实例将会运行在分配的device实例上。(参见Tensorflow 核心流程剖析 2 – 神经网络模型的创建和分割)

接下来，在graph的运行阶段，session会依次处理graph中的node，调度node所分配的device实例，去运行node的kernel实例。

每个kernel 在运行时，会向其分配的device，申请需要的计算资源、内存资源等，完成具体的运算操作。

上述流程如下图所示。

为方便结合代码阅读，已包含主要的类、函数调用路径：

以上这篇对Tensorflow中Device实例的生成和管理详解就是小编分享给大家的全部内容了，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持呐喊教程。

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