技术背景

在Jax的JIT即时编译中,会追踪每一个Tensor的Shape变化。如果在计算的过程中出现了一些动态Shape的Tensor(Shape大小跟输入的数据有关),那么就无法使用Jax的JIT进行编译优化。最常见的就是numpy.where这种操作,因为这个操作返回的是符合判定条件的Index序号,而不同输入对应的输出Index长度一般是不一致的,因此在Jax的JIT中无法对该操作进行编译。当然,需要特别说明的是,numpy.where这个操作有两种用法,一种是numpy.where(condition, 1, 0)直接给输入打上Mask。另一种用法是numpy.where(condition),这种用法返回的就是一个Index序列,也就是我们需要讨论的应用场景。

普通模式

我们考虑一个比较简单的Toy Model用于测试:

\[E=\sum_{|r_i-r_j|\leq \epsilon}q_iq_j
\]

在不采用即时编译的场景下,Jax的代码可以这么写:

import os
os.environ['XLA_PYTHON_CLIENT_PREALLOCATE']='false' import numpy as np
np.random.seed(0)
import jax
from jax import numpy as jnp def func(r, q, cutoff=0.2):
dis = jnp.abs(r[:, None] - r[None])
maski, maskj = jnp.where(dis<=cutoff)
qi = q[maski]
qj = q[maskj]
return jnp.sum(qi*qj) N = 100
r = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32)
q = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32) print (func(r, q))
# 1035.7422

那么我们先记住这个输出的结果,因为采用的随机种子是一致的,一会儿可以直接跟JIT的输出结果进行对比。

JIT模式

Jax的JIT模式的使用方法常见的就是三种,一种是在函数头顶加一个装饰器,一种是在函数引用的时候使用jax.jit(function)来调用,最后一种是配合partial偏函数来使用,都不是很复杂。那么这里先用装饰器的形式演示一下Jax中即时编译的用法:

import os
os.environ['XLA_PYTHON_CLIENT_PREALLOCATE']='false' import numpy as np
np.random.seed(0)
import jax
from jax import numpy as jnp @jax.jit
def func(r, q, cutoff=0.2):
dis = jnp.abs(r[:, None] - r[None])
maski, maskj = jnp.where(dis<=cutoff)
qi = q[maski]
qj = q[maskj]
return jnp.sum(qi*qj) N = 100
r = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32)
q = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32) print (func(r, q))

正如前面所说,因为numpy.where对应的输出是一个动态的Shape,那么在编译阶段就会报错。报错信息如下:

Traceback (most recent call last):
File "/home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py", line 21, in <module>
print (func(r, q))
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/traceback_util.py", line 162, in reraise_with_filtered_traceback
return fun(*args, **kwargs)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/api.py", line 622, in cache_miss
execute = dispatch._xla_call_impl_lazy(fun_, *tracers, **params)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/dispatch.py", line 236, in _xla_call_impl_lazy
return xla_callable(fun, device, backend, name, donated_invars, keep_unused,
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/linear_util.py", line 303, in memoized_fun
ans = call(fun, *args)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/dispatch.py", line 359, in _xla_callable_uncached
return lower_xla_callable(fun, device, backend, name, donated_invars, False,
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/profiler.py", line 314, in wrapper
return func(*args, **kwargs)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/dispatch.py", line 445, in lower_xla_callable
jaxpr, out_type, consts = pe.trace_to_jaxpr_final2(
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/profiler.py", line 314, in wrapper
return func(*args, **kwargs)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/interpreters/partial_eval.py", line 2077, in trace_to_jaxpr_final2
jaxpr, out_type, consts = trace_to_subjaxpr_dynamic2(fun, main, debug_info)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/interpreters/partial_eval.py", line 2027, in trace_to_subjaxpr_dynamic2
ans = fun.call_wrapped(*in_tracers_)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/linear_util.py", line 167, in call_wrapped
ans = self.f(*args, **dict(self.params, **kwargs))
File "/home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py", line 12, in func
maski, maskj = jnp.where(dis<=cutoff)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/numpy/lax_numpy.py", line 1077, in where
return nonzero(condition, size=size, fill_value=fill_value)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/numpy/lax_numpy.py", line 1332, in nonzero
size = core.concrete_or_error(operator.index, size,
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/core.py", line 1278, in concrete_or_error
raise ConcretizationTypeError(val, context)
jax._src.traceback_util.UnfilteredStackTrace: jax._src.errors.ConcretizationTypeError: Abstract tracer value encountered where concrete value is expected: Traced<ShapedArray(int32[])>with<DynamicJaxprTrace(level=0/1)>
The size argument of jnp.nonzero must be statically specified to use jnp.nonzero within JAX transformations.
The error occurred while tracing the function func at /home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py:9 for jit. This concrete value was not available in Python because it depends on the value of the argument 'r'. See https://jax.readthedocs.io/en/latest/errors.html#jax.errors.ConcretizationTypeError The stack trace below excludes JAX-internal frames.
The preceding is the original exception that occurred, unmodified. -------------------- The above exception was the direct cause of the following exception: Traceback (most recent call last):
File "/home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py", line 21, in <module>
print (func(r, q))
File "/home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py", line 12, in func
maski, maskj = jnp.where(dis<=cutoff)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/numpy/lax_numpy.py", line 1077, in where
return nonzero(condition, size=size, fill_value=fill_value)
File "/home/dechin/anaconda3/envs/jax/lib/python3.10/site-packages/jax/_src/numpy/lax_numpy.py", line 1332, in nonzero
size = core.concrete_or_error(operator.index, size,
jax._src.errors.ConcretizationTypeError: Abstract tracer value encountered where concrete value is expected: Traced<ShapedArray(int32[])>with<DynamicJaxprTrace(level=0/1)>
The size argument of jnp.nonzero must be statically specified to use jnp.nonzero within JAX transformations.
The error occurred while tracing the function func at /home/dechin/projects/gitee/dechin/tests/jax_mask.py:9 for jit. This concrete value was not available in Python because it depends on the value of the argument 'r'. See https://jax.readthedocs.io/en/latest/errors.html#jax.errors.ConcretizationTypeError

想避免这个报错,要么就是对该函数不做编译(牺牲性能),要么就是自己写一个CUDA算子(增加工作量),再就是我们这里用到的NonZero定长输出的方法(预置条件)。

NonZero的使用

使用Jax的NonZero函数时,也有一点需要注意:虽然NonZero可以做到固定长度的输出,但是这个固定的长度本身也是一个名为size的传入参数。也就是说,NonZero的输出Shape也是要取决于输入参数的。Jax开发时也考虑到了这一点,所以在编译时提供了一个功能可以设置静态参量:static_argnames,例如我们的案例中,将size这个名称的传参设置为静态参量,这样就可以使用Jax的即时编译了:

import os
os.environ['XLA_PYTHON_CLIENT_PREALLOCATE']='false' import numpy as np
np.random.seed(0)
import jax
from jax import numpy as jnp
from functools import partial @partial(jax.jit, static_argnames='size')
def func(r, q, cutoff=0.2, size=5000):
if q.shape[0] != r.shape[0]+1:
raise ValueError("The q.shape[0] should be equal to r.shape[0]+1") dis = jnp.abs(r[:, None] - r[None])
maski, maskj = jnp.nonzero(jnp.where(dis<=cutoff, 1, 0), size=size, fill_value=-1)
qi = q[maski]
qj = q[maskj]
return jnp.sum(qi*qj) N = 100
r = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32)
q = jnp.array(np.random.random(N), jnp.float32)
pader = jnp.array([0.], jnp.float32)
q = jnp.append(q, pader) print (func(r, q))
# 1035.7422

可以看到,函数用Jax的JIT成功编译,并且输出结果跟前面未编译时候是一致的。当然,这里还用到了一个小技巧,就是NonZero函数输出结果时,不到长度的输出结果会被自动Pad到给定的长度,这里Pad的值使用的是我们给出的fill_value。因为NonZero输出的也是索引,这样我们可以把Pad的这些索引设置为-1,然后在构建参数\(q\)的时候事先在末尾append一个0,这样就可以确保计算的输出结果直接就是正确的。

总结概要

在使用Jax的过程中,有时候会遇到函数输出是一个动态的Shape,这种情况下我们很难利用到Jax的即时编译的功能,不能使得性能最大化。这也是使用Tensor数据结构来计算的一个特点,有好有坏。本文介绍了Jax的另外一个函数NonZero,可以使得我们能够编译那些动态Shape输出的函数。

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