[源码解析] PyTorch 分布式 Autograd (3) ---- 上下文相关
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0x00 摘要
我们已经知道 dist.autograd 如何发送和接受消息，本文再来看看如何其他支撑部分，就是如何把发送接受两个动作协调起来，如何确定每个发送/接受节点，如何确定每一个消息交互Session。
通过本文大家可以了解：AutogradMetadata 用来在不同节点间传递 autograd 元信息，DistAutogradContext 代表一个分布式autograd 相关信息，DistAutogradContainer 负责在一个worker之上存储 DistAutogradContext。
PyTorch分布式其他文章如下：
[源码解析]PyTorch如何实现前向传播(1) --- 基础类(上)
[源码解析]PyTorch如何实现前向传播(2) --- 基础类(下)
[源码解析] PyTorch如何实现前向传播(3) --- 具体实现
[源码解析] Pytorch 如何实现后向传播 (1)---- 调用引擎
[源码解析] Pytorch 如何实现后向传播 (2)---- 引擎静态结构
[源码解析] Pytorch 如何实现后向传播 (3)---- 引擎动态逻辑
[源码解析] PyTorch 如何实现后向传播 (4)---- 具体算法
[源码解析] PyTorch 分布式(1)------历史和概述
[源码解析] PyTorch 分布式(2) ----- DataParallel(上)
[源码解析] PyTorch 分布式(3) ----- DataParallel(下)
[源码解析] PyTorch 分布式(4)------分布式应用基础概念
[源码解析] PyTorch分布式(5) ------ DistributedDataParallel 总述&如何使用
[源码解析] PyTorch分布式(6) ---DistributedDataParallel -- 初始化&store
[源码解析] PyTorch 分布式(7) ----- DistributedDataParallel 之进程组
[源码解析] PyTorch 分布式(8) -------- DistributedDataParallel之论文篇
[源码解析] PyTorch 分布式(9) ----- DistributedDataParallel 之初始化
[源码解析] PyTorch 分布式(10)------DistributedDataParallel 之 Reducer静态架构
[源码解析] PyTorch 分布式(11) ----- DistributedDataParallel 之 构建Reducer和Join操作
[源码解析] PyTorch 分布式(12) ----- DistributedDataParallel 之 前向传播
[源码解析] PyTorch 分布式(13) ----- DistributedDataParallel 之 反向传播
[源码解析] PyTorch 分布式 Autograd (1) ---- 设计
[源码解析] PyTorch 分布式 Autograd (2) ---- RPC基础
为了更好的说明，本文代码会依据具体情况来进行相应精简。
0x01 设计脉络
1.1 前文回顾
在前文之中当发送消息时候，我们在 sendMessageWithAutograd 通过 getMessageWithAutograd 来获得了 FORWARD_AUTOGRAD_REQ 类型的消息。
c10::intrusive_ptr<JitFuture> sendMessageWithAutograd(
RpcAgent& agent,
const WorkerInfo& dst,
torch::distributed::rpc::Message&& wrappedRpcMsg,
bool forceGradRecording,
const float rpcTimeoutSeconds,
bool forceDisableProfiling) {
auto msg = getMessageWithAutograd( // 这里会与上下文交互，构建了 FORWARD_AUTOGRAD_REQ
dst.id_,
std::move(wrappedRpcMsg),
MessageType::FORWARD_AUTOGRAD_REQ,
forceGradRecording,
agent.getDeviceMap(dst));
c10::intrusive_ptr<JitFuture> fut;
if (!forceDisableProfiling && torch::autograd::profiler::profilerEnabled()) {
auto profilerConfig = torch::autograd::profiler::getProfilerConfig();
auto msgWithProfiling = getMessageWithProfiling(
std::move(msg),
rpc::MessageType::RUN_WITH_PROFILING_REQ, //构建消息
std::move(profilerConfig));
// 发送消息
fut = agent.send(dst, std::move(msgWithProfiling), rpcTimeoutSeconds);
} else {
// 发送消息
fut = agent.send(dst, std::move(msg), rpcTimeoutSeconds);
}
return fut;
}
而 getMessageWithAutograd 会与上下文交互，其代码位于 torch/csrc/distributed/autograd/utils.cpp。
Message getMessageWithAutograd(
const rpc::worker_id_t dstId,
torch::distributed::rpc::Message&& wrappedRpcMsg,
MessageType msgType,
bool forceGradRecording,
const std::unordered_map<c10::Device, c10::Device>& deviceMap) {
// 获取到 DistAutogradContainer
auto& autogradContainer = DistAutogradContainer::getInstance();
// If there is no valid context and no tensor requires grads, send original
// rpc message. otherwise, attach grad info and grad functions and send
// rpcWithAutograd message.
auto tensorsRequireGrad =
torch::autograd::compute_requires_grad(wrappedRpcMsg.tensors());
if (!autogradContainer.hasValidContext() ||
(!forceGradRecording && !tensorsRequireGrad)) {
return std::move(wrappedRpcMsg);
}
// Retrieve the appropriate context to modify.
auto autogradContext = autogradContainer.currentContext(); // 获取到上下文，每个worker都有自己的上下文
// Wrap the original rpc with autograd information.
// newAutogradMessageId 会生成一个messageID
AutogradMetadata autogradMetadata( // 构建了 AutogradMetadata
autogradContext->contextId(), autogradContainer.newAutogradMessageId());
auto rpcWithAutograd = std::make_unique<RpcWithAutograd>(
RpcAgent::getCurrentRpcAgent()->getWorkerInfo().id_,
msgType,
autogradMetadata,
std::move(wrappedRpcMsg),
deviceMap);
if (tensorsRequireGrad) {
// Record autograd information for 'send'.
addSendRpcBackward( // 这里把本地上下文，autograd 的元信息等一起打包
autogradContext, autogradMetadata, rpcWithAutograd->tensors());
}
// Record the workerID
autogradContext->addKnownWorkerId(dstId);
return std::move(*rpcWithAutograd).toMessage(); // 最终构建了一个message
}
因此，就引出了AutogradMetadata，DistAutogradContainer 和 DistAutogradContext 等一系列基础类，我们接下来就仔细分析一下。
1.2 总体思路
我们概括一下总体思路。
先看看问题：假如一套系统包括 a，b，c 三个节点，每个节点运行一个 worker，那么当运行一个传播操作，我们涉及到在这三个节点之间互相传播。因此我们需要一个机制，来在这三个节点之中唯一标示这个传播过程，在这个传播过程之中，也要在每一个节点之上把每一个send/recv都标示出来，这样才能让节点可以支持多个操作并行。
再看看解决方案：
- 使用上下文来唯一标示一个传播过程。DistAutogradContext 存储在一个worker之上的每一个分布式autograd的相关信息，其在分布式 autograd 之中封装前向和后向传播，累积梯度，这避免了多个worker在彼此的梯度上互相影响。每个自动微分过程被赋予一个唯一的 autograd_context_id，在容器中，这个微分过程的上下文(DistAutogradContext) 依据这个autograd_context_id 来唯一确认。
- 使用autogradMessageId 来表示一对 send/recv autograd 函数。每
send-recv对被分配一个全局唯一的autograd_message_id以唯一地标识该send-recv对。这对于在向后传播期间查找远程节点上的相应函数很有用。 - 最后，每个worker需要有一个地方来保持上下文和messageid，所以有了DistAutogradContainer这个类。每个worker拥有唯一一个单例DistAutogradContainer，其负责：
- 对于每一个自动微分过程存储其分布式上下文。
- 一旦这个自动微分过程结束，就清除其数据。
0x02 AutogradMetadata
2.1 定义
AutogradMetadata 这个类是用来在不同节点之间传递 autograd 的元信息，就是把上下文等信息封装了一下。即，发送方通知接收方自己的上下文信息，接收方会依据收到的这些上下文信息作相应处理。
我们提前剧透，接收方会使用 autogradContextId 和 autogradMessageId 分别作为 上下文 和 消息 的唯一标示。从注释之中可以知道。
- autogradContextId 是全局唯一整数，用来表示一个唯一的分布式 autograd 传播过程（包括前向传播和后向传播）。一个传播过程会包括在反向传播链条上的多对send/recv autograd 函数。
- autogradMessageId 是全局唯一整数，用来表示一对 send/recv autograd 函数。每
send-recv对被分配一个全局唯一的autograd_message_id以唯一地标识该send-recv对。这对于在向后传播期间查找远程节点上的相应函数很有用。
// This structure represents autograd metadata that we need to pass across
// different nodes when we call an RPC which needs autograd computation.
struct TORCH_API AutogradMetadata {
AutogradMetadata(int64_t autogradContextId, int64_t autogradMessageId);
// autogradContextId_ is a globally unique integer that identifies a
// particular distributed autograd pass.
int64_t autogradContextId;
// autogradMessageId_ is a globally unique integer that identifies a pair
// of send/recv autograd functions.
int64_t autogradMessageId;
};
那么问题来了，autogradContextId 和 autogradMessageId 分别怎么做到全局（包括多个节点）唯一呢？
2.2 autogradMessageId
我们先概括一下：autogradMessageId 是由 rank 间接生成的，然后在内部进行递增，所以可以保证全局唯一。
我们从后往前推导。
- 先看 newAutogradMessageId 是如何生成消息 id，原来是在 DistAutogradContainer 之中的成员变量 next_autograd_message_id_ 递增得到。
int64_t DistAutogradContainer::newAutogradMessageId() {
// Check for overflow into workerId_ section.
TORCH_INTERNAL_ASSERT(next_autograd_message_id_ < max_id_);
return next_autograd_message_id_++;
}
- 然后看如何初始化
next_autograd_message_id_？从 DistAutogradContainer 的 init 函数中可以知道，原来是依据 worker_id 来生成 next_autograd_message_id_。work_id 是 init 函数所得到的参数。
DistAutogradContainer& DistAutogradContainer::init(int64_t worker_id) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(dist_container_init_lock_);
auto& container = getInstanceInternal();
container.worker_id_ = worker_id;
container.next_context_id_ = static_cast<int64_t>(worker_id)
<< kAutoIncrementBits;
container.next_autograd_message_id_ = static_cast<int64_t>(worker_id)
<< kAutoIncrementBits;
container.max_id_ =
(kAutoIncrementMask |
(static_cast<int64_t>(worker_id) << kAutoIncrementBits));
container.initialized_ = true;
return container;
}
- 我们再推导，看看如何设置 worker id，找到了如下，看来需要看看 python 世界的 _init 方法。
module.def(
"_init",
[](int64_t worker_id) { DistAutogradContainer::init(worker_id); },
py::call_guard<py::gil_scoped_release>());
来到 python 世界，可以看到，使用了 rank 来作为参数，而 rank 是每个 worker 唯一的，这样就保证了 worker ID 唯一，从而 消息 id 唯一。
def init_rpc(
name,
backend=None,
rank=-1,
world_size=None,
rpc_backend_options=None,
):
dist_autograd._init(rank) # rank是全局唯一
我们把这些逻辑关系总结下来：
worker_id = rank;
container.worker_id_ = worker_id;
container.next_autograd_message_id_ = static_cast<int64_t>(worker_id) << kAutoIncrementBits
然后 next_autograd_message_id_ 内部递增。
int64_t DistAutogradContainer::newAutogradMessageId() {
// Check for overflow into workerId_ section.
TORCH_INTERNAL_ASSERT(next_autograd_message_id_ < max_id_);
return next_autograd_message_id_++;
}
所以，AutogradMessageId 是全局唯一的。我们用图例来看看：
+----------------------------------------------------------------------------------------+
| worker |
| +-------------------------------------+ |
| | DistAutogradContainer | |
| | | |
| | | |
| init() | | |
| rank +--------------+----> worker_id_ | |
| 1 | | | newAutogradMessageId() |
| | +----> next_autograd_message_id_+------------------+ |
| | | 2 | |
| +-------------------------------------+ | |
| | |
| | |
| | |
| | |
| +---------------------------------------------------------------+ |
| | getMessageWithAutograd | | |
| | | | |
| | v | |
| | | |
| | AutogradMetadata autogradMetadata(contextId(), MessageId()) | |
| | 4 3 | |
| | | |
| +---------------------------------------------------------------+ |
| |
+----------------------------------------------------------------------------------------+
为了看看 autogradContextId 为什么可以保证唯一，我们需要先分析 DistAutogradContainer 和 DistAutogradContext。
0x03 DistAutogradContainer
每个worker拥有唯一一个单例DistAutogradContainer，其负责：
- 对于每一个自动微分过程存储其分布式上下文。
- 一旦这个自动微分过程结束，就清除其数据。
每个自动微分过程被赋予一个唯一的 autograd_context_id。在每个容器中，这个微分过程的上下文(DistAutogradContext) 依据这个autograd_context_id 来唯一确认。autograd_context_id 是一个 64 bit 的全局唯一id，前 16 bis 是 worker_id，后 48 位是在每个worker内部自动递增id。所以可见，一个Container 之中，是有多个Context的。
此容器还负责维护全局唯一的消息id，用来关联发送/接收自动微分函数对。格式类似于autograd_context_id，是一个64位整数，前16位是工作者id，后48位是worker内部自动递增的。
因为消息 id 和 上下文 id 的前16 位是 worker_id，也就是 rank id，再加上后48位内部自增，所以可以保证 消息 id 和 上下文 id 全局唯一。
3.1 定义
DistAutogradContainer 定义如下，其中：
- worker_id_ : 本 worker 的 ID，其实就是本 worker 的 rank。
- next_context_id_ ：自增的上下文ID，用来给每个自动微分过程赋予一个唯一的autograd_context_id。在一个传播链条上，其实只有第一个节点的 DistAutogradContainer 用到了 next_context_id_ 来生成 Context，后续节点的 DistAutogradContainer 都是依据第一个 DistAutogradContainer 的 context id 信息来在本地生成对应 context id 的 Context。
- next_autograd_message_id_ ：维护全局唯一的消息id，用来关联 发送/接收 自动微分函数对。此变量是在本节点发送时候会使用到。
// Singleton class per worker which is responsible for storing the distributed
// autograd context for each autograd pass and also cleans up data for an
// autograd pass once its done.
//
// Each autograd pass is assigned a unique autograd_context_id and all data for
// that pass (DistAutogradContext) is stored in this container indexed by the
// autograd_context_id. The autograd_context_id itself is a 64 bit globally
// unique id. The first 16 bits is the worker_id and the next 48 bits is an
// auto-incrementing id for each worker.
//
// This container is also responsible for maintaining a globally unique message
// id, which is used to associate send/recv autograd function pairs. The format
// is similar to the autograd_context_id where we have a 64 bit integer with
// first 16 bits being the worker id and next 48 bits are auto-incrementing.
class TORCH_API DistAutogradContainer {
private:
// Number of shards for the map storing autograd contexts. We'd like this
// to be a power of 2 and we don't expect a value much higher than the
// number of cores would provide much benefit.
static constexpr uint32_t kNumDefaultShards = 128;
// Use cache line size for alignment.
static constexpr int kCacheLineSize = 64;
// Structure holding one shard of the sharded autograd context map with its
// associated lock. Align to cache line size to avoid contention between
// adjacent entries.
struct alignas(kCacheLineSize) ContextsShard {
// Lock for this shard.
mutable std::mutex lock;
// Map storing autograd contexts for this shard.
std::unordered_map<int64_t, ContextPtr> contexts; // 这里存储了上下文指针
};
// Auto incrementing context id used to identify unique autograd passes.
// Initialized with the first 16 bits being the worker_id.
std::atomic<int64_t> next_context_id_; // 新增上下文id
// Unique id to identify a worker in the distributed setting.
int16_t worker_id_;
// Whether or not the container has been initialized appropriately.
bool initialized_;
// Sharded autograd context map.
std::vector<ContextsShard> autograd_contexts_; // 存储上下文列表
// Number of shards for the sharded autograd_contexts_ map.
uint32_t num_shards_;
// Autograd message id to identify unique send/recv autograd function pairs.
std::atomic<int64_t> next_autograd_message_id_;
// Maximum allowed value for autograd_context_id or autograd_message_id.
int64_t max_id_;
};
3.2 构建
Init 方法构建了 DistAutogradContainer，主要就是利用 worker_id 对本地成员变量进行相关赋值。
DistAutogradContainer& DistAutogradContainer::init(int64_t worker_id) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(dist_container_init_lock_);
TORCH_CHECK(
worker_id >= 0 && worker_id <= kMaxWorkerId,
"worker_id needs to be in the range [0, 65535]")
auto& container = getInstanceInternal();
TORCH_CHECK(
!container.initialized_ || (worker_id == container.worker_id_),
"Container is already initialized with worker_id: ",
container.worker_id_,
", cannot initialize with different worker_id: ",
worker_id);
if (container.initialized_) {
return container;
}
container.worker_id_ = worker_id;
container.next_context_id_ = static_cast<int64_t>(worker_id)
<< kAutoIncrementBits;
container.next_autograd_message_id_ = static_cast<int64_t>(worker_id)
<< kAutoIncrementBits;
container.max_id_ =
(kAutoIncrementMask |
(static_cast<int64_t>(worker_id) << kAutoIncrementBits));
container.initialized_ = true;
return container;
}
0x04 DistAutogradContext
DistAutogradContext 存储在一个worker之上的每一个分布式autograd的相关信息，其在分布式 autograd 之中封装前向和后向传播，累积梯度，这避免了多个worker在彼此的梯度上互相影响。
由前面可知道，contextId_ 是全局唯一。
4.1 定义
这里仅仅给出 DistAutogradContext 成员变量，忽略其成员函数。其中成员变量最主要的有三个：
- contextId_ 是上下文 id。
- sendAutogradFunctions_ 是一个 map 类型变量，会收集所有发送请求对应的反向传播算子 SendRpcBackward。
- recvAutogradFunctions_ 是一个 map 类型变量，会收集所有接受送请求对应的反向传播算子 RecvRpcBackward。
关于 SendRpcBackward 和 RecvRpcBackward，我们后续会结合引擎进行分析。
// DistAutogradContext which stores information for a single distributed
// autograd pass on a worker.
class TORCH_API DistAutogradContext {
private:
friend class BackwardPassCleanupGuard;
friend class DistEngine;
friend class RecvRpcBackward;
friend class DistAccumulateGradCaptureHook;
const int64_t contextId_;
// Set containing known worker IDs, used in cleaning up autograd context.
// Whenever a sendRpcBackward is attached to the autograd graph for this
// context, the destination is added here.
std::unordered_set<rpc::worker_id_t> knownWorkerIds_;
// Map from autograd_message_id to appropriate 'send' autograd function.
std::unordered_map<int64_t, std::shared_ptr<SendRpcBackward>>
sendAutogradFunctions_;
// Map from autograd_message_id to appropriate 'recv' autograd function.
std::unordered_map<int64_t, std::shared_ptr<RecvRpcBackward>>
recvAutogradFunctions_;
// Gradients accumulated in this context so far. The key is the variable on
// which the gradient needs to be accumulated and the value is the gradient
// that needs to be accumulated on that variable..
c10::Dict<torch::Tensor, torch::Tensor> accumulatedGrads_;
// See comments for recordGradEvent(c10::Device device);
std::unordered_map<c10::Device, c10::Event> gradReadyEvents_;
const c10::impl::VirtualGuardImpl impl_;
// The autograd GraphTask for the backward pass on this node for this context.
std::shared_ptr<torch::autograd::GraphTask> graphTask_;
// List of futures for RPCs initiated by this node to propagate gradients to
// other nodes. The distributed autograd engine on this node can return
// successfully only if all these futures are done and are successful.
std::vector<c10::intrusive_ptr<rpc::JitFuture>> outStandingRpcs_;
// Lock to protect concurrent modification of the context.
mutable std::mutex lock_;
};
4.2 消息
上下文主要包括几种消息类型，比如：
// Messages with autograd info
FORWARD_AUTOGRAD_REQ = 0x0f | MessageTypeFlags::REQUEST_TYPE,
FORWARD_AUTOGRAD_RESP = 0x10 | MessageTypeFlags::RESPONSE_TYPE,
// Messages to propagate gradients on the backward pass.
BACKWARD_AUTOGRAD_REQ = 0x11 | MessageTypeFlags::REQUEST_TYPE,
BACKWARD_AUTOGRAD_RESP = 0x12 | MessageTypeFlags::RESPONSE_TYPE,
4.3 构建
我们首先看看如何构建上下文。
4.3.1 getOrCreateContext
getOrCreateContext 函数是用来得到上下文，如果已经有，就直接获取，如果没有，就新构建一个。这是一个被动调用，recv 端会用到这个。
ContextPtr DistAutogradContainer::getOrCreateContext(int64_t context_id) {
auto& shard = getShard(context_id);
std::lock_guard<std::mutex> guard(shard.lock);
auto it = shard.contexts.find(context_id); // 根据这个context id来查找
if (it != shard.contexts.end()) {
return it->second; // 找到就返回
}
auto& context = // 如果没有，就构建一个 context
shard.contexts
.emplace(
std::piecewise_construct,
std::forward_as_tuple(context_id),
std::forward_as_tuple(
std::make_shared<DistAutogradContext>(context_id)))
.first->second;
return context;
}
4.3.2 newContext
这里是主动调用，send 端会调用这个方法。
4.3.2.1 Python
当分布式调用时候，python世界会生成一个context。
with dist_autograd.context() as context_id:
output = model(indices, offsets)
loss = criterion(output, target)
# Run distributed backward pass
dist_autograd.backward(context_id, [loss])
# Run distributed optimizer. Gradients propagated all the way to the parameter servers
opt.step(context_id)
当生成时，__enter__ 会调用 _new_context() 在C++生成一个context。
class context(object):
'''
Context object to wrap forward and backward passes when using
distributed autograd. The ``context_id`` generated in the ``with``
statement is required to uniquely identify a distributed backward pass
on all workers. Each worker stores metadata associated with this
``context_id``, which is required to correctly execute a distributed
autograd pass.
Example::
>>> import torch.distributed.autograd as dist_autograd
>>> with dist_autograd.context() as context_id:
>>> t1 = torch.rand((3, 3), requires_grad=True)
>>> t2 = torch.rand((3, 3), requires_grad=True)
>>> loss = rpc.rpc_sync("worker1", torch.add, args=(t1, t2)).sum()
>>> dist_autograd.backward(context_id, [loss])
'''
def __enter__(self):
self.autograd_context = _new_context() # 这里生成一个上下文
return self.autograd_context._context_id()
def __exit__(self, type, value, traceback):
_release_context(self.autograd_context._context_id())
具体通过如下映射，我们可以看到 C++ 世界之中对应的方法，调用到了 DistAutogradContainer::getInstance().newContext()。
module.def(
"_new_context",
[]() -> const ContextPtr {
return DistAutogradContainer::getInstance().newContext();
},
py::return_value_policy::reference);
4.3.2.2 C++
我们来到了C++世界。每一个线程都有一个autograd_context_id。
constexpr int64_t kInvalidContextId = -1;
// Each thread has a single autograd_context_id valid at any point in time.
static thread_local int64_t current_context_id_ = kInvalidContextId;
newContext 就是生成了一个DistAutogradContext，其中通过 Container 的成员变量 next_context_id_ 的递增来指定下一个上下文的id。
const ContextPtr DistAutogradContainer::newContext() {
auto context_id = next_context_id_++; // 递增
current_context_id_ = context_id; // 在这里设置了本地线程的 current_context_id_
// Check for overflow into workerId_ section.
TORCH_INTERNAL_ASSERT(context_id < max_id_);
auto& shard = getShard(context_id);
std::lock_guard<std::mutex> guard(shard.lock);
auto& context =
shard.contexts
.emplace(
std::piecewise_construct,
std::forward_as_tuple(context_id),
std::forward_as_tuple(
std::make_shared<DistAutogradContext>(context_id)))
.first->second;
return context;
}
4.4 如何共享上下文
具体使用中，在with语句中生成的context_id可以用作在所有 worker 之上唯一标识一个分布式后向传播（包括前向传播和后向传播）。每个worker存储与此 context_id关联的元数据，这是正确执行分布式自动加载过程所必需的。
因为需要在多个 worker 之中都存储这个 context_id关联的元数据，所以就需要一个 封装/发送/接受的机制来在 worker 之间传递这个元数据，封装机制就是我们前面提到的 AutogradMetadata。我们接下来看看如何发送/接受上下文元信息。
4.4.1 发送方
当发送消息时候，getMessageWithAutograd 会使用 autogradContainer.currentContext() 获取当前上下文，进行发送。
Message getMessageWithAutograd(
const rpc::worker_id_t dstId,
torch::distributed::rpc::Message&& wrappedRpcMsg,
MessageType msgType,
bool forceGradRecording,
const std::unordered_map<c10::Device, c10::Device>& deviceMap) {
auto& autogradContainer = DistAutogradContainer::getInstance();
// If there is no valid context and no tensor requires grads, send original
// rpc message. otherwise, attach grad info and grad functions and send
// rpcWithAutograd message.
auto tensorsRequireGrad =
torch::autograd::compute_requires_grad(wrappedRpcMsg.tensors());
if (!autogradContainer.hasValidContext() ||
(!forceGradRecording && !tensorsRequireGrad)) {
return std::move(wrappedRpcMsg);
}
// Retrieve the appropriate context to modify.
auto autogradContext = autogradContainer.currentContext(); // 获取当前上下文
// Wrap the original rpc with autograd information.
AutogradMetadata autogradMetadata( // 使用上下文id和消息id来构建元数据
autogradContext->contextId(), autogradContainer.newAutogradMessageId());
auto rpcWithAutograd = std::make_unique<RpcWithAutograd>(
RpcAgent::getCurrentRpcAgent()->getWorkerInfo().id_,
msgType,
autogradMetadata,
std::move(wrappedRpcMsg),
deviceMap);
if (tensorsRequireGrad) {
// Record autograd information for 'send'.
addSendRpcBackward(
autogradContext, autogradMetadata, rpcWithAutograd->tensors());
}
// Record the workerID
autogradContext->addKnownWorkerId(dstId);
return std::move(*rpcWithAutograd).toMessage();
}
我们之前的图现在可以拓展，加入了上下文ID。
+----------------------------------------------------------------------------------------+
| worker |
| +------------------------------------------+ |
| |DistAutogradContainer | |
| init() | | |
| rank +-------------+----> worker_id_ | |
| | | | |
| | +----> next_context_id_+-------------+ | |
| | | | | |
| | +----> next_autograd_message_id_ +----------------------+ |
| | | | | |
| | | | | |
| +------------------------------------------+ | |
| | | |
| | | |
| | | |
| +------------------------------------------------------------------+ |
| |getMessageWithAutograd | | | |
| | | | | |
| | v v | |
| | | |
| | AutogradMetadata autogradMetadata(contextId(), MessageId()) | |
| | | |
| | | |
| +------------------------------------------------------------------+ |
| |
+----------------------------------------------------------------------------------------+
addSendRpcBackward 就被传入当前上下文之中，后续反向传播时候，会取出这个 addSendRpcBackward。
void addSendRpcBackward(
const ContextPtr& autogradContext,
const AutogradMetadata& autogradMetadata,
std::vector<torch::Tensor>& tensors) {
// Attach autograd information only for tensors requiring grad.
std::vector<torch::Tensor> tensors_with_grad;
std::copy_if(
tensors.begin(),
tensors.end(),
std::back_inserter(tensors_with_grad),
[](const torch::Tensor& t) { return t.requires_grad(); });
// Attach the appropriate autograd edges.
auto grad_fn = std::make_shared<SendRpcBackward>();
grad_fn->set_next_edges(
torch::autograd::collect_next_edges(tensors_with_grad));
// Add the appropriate input metadata for the grad_fn.
for (const auto& tensor : tensors_with_grad) {
grad_fn->add_input_metadata(tensor);
}
// Record the send autograd function in our current context.
autogradContext->addSendFunction(grad_fn, autogradMetadata.autogradMessageId);
}
4.4.2 接受方
在 addRecvRpcBackward 之中，会依据传递过来的 autogradMetadata.autogradContextId 来构建一个上下文。
ContextPtr addRecvRpcBackward(
const AutogradMetadata& autogradMetadata,
std::vector<torch::Tensor>& tensors,
rpc::worker_id_t fromWorkerId,
const std::unordered_map<c10::Device, c10::Device>& deviceMap) {
// Initialize autograd context if necessary.
auto& autogradContainer = DistAutogradContainer::getInstance();
// 生成或者得到一个上下文，把发送方的 autogradContextId 传入，即利用 autogradContextId 作为key后续可以查找到这个上下文
auto autogradContext =
autogradContainer.getOrCreateContext(autogradMetadata.autogradContextId);
if (!tensors.empty() && torch::autograd::compute_requires_grad(tensors)) {
// Attach the tensors as inputs to the autograd function.
auto grad_fn = std::make_shared<RecvRpcBackward>(
autogradMetadata, autogradContext, fromWorkerId, deviceMap);
for (auto& tensor : tensors) {
if (tensor.requires_grad()) {
torch::autograd::set_history(tensor, grad_fn);
}
}
// Now update the autograd context with the necessary information.
autogradContext->addRecvFunction(
grad_fn, autogradMetadata.autogradMessageId);
}
return autogradContext;
}
这样，发送方和接收方就共享了一个上下文，而且这个上下文的id是全局唯一的。
具体逻辑如下，上方是发送端，下方是接收端。
- 发送端
- 利用本地 context_id 构建了 AutogradMetadata，AutogradMetadata含有 ctx_id, msg_id。
- 利用 AutogradMetadata 构建了 Message。
- 利用 agent.send 发送了 Message。
- 接收端：
- 收到了 Message。
- 从 Message 之中解析出 AutogradMetadata。
- 从 AutogradMetadata 提取出 context_id。
- 利用 context_id 构建了本地的 DistAutogradContext。
- 发送方和接收方就共享了一个上下文（这个上下文的id是全局唯一的）。
+----------------------------------------------------------------------------------+
| sendMessageWithAutograd |
| |
| +----------------------------------------------------------------------------+ |
| | addSendRpcBackward | |
| | | |
| | | |
| | autogradMetadata = AutogradMetadata(context_id, message_id) | |
| | + | |
| | | | |
| +----------------------------------------------------------------------------+ |
| | |
| v |
| agent.send(message(autogradMetadata) |
| + |
| | |
+----------------------------------------------------------------------------------+
|
|
|
| Sender
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Receiver
| message
v
|
+----------------------------------------------------------------------------------+
| processForwardAutogradReq | |
| | |
| | message.autogradMetadata |
| v |
| +----------------------------------------------------------------------------+ |
| | addSendRpcBackward | | |
| | | | |
| | +--------------------+ | |
| | | | |
| | v | |
| | autogradContext = getOrCreateContext(autogradMetadata.autogradContextId) | |
| | | |
| | | |
| +----------------------------------------------------------------------------+ |
| |
+----------------------------------------------------------------------------------+
0x05 前向传播交互过程
前面的分享过程还是简略，我们接下来把完整的发送/接受过程详细分析一下。
5.1 发送
这里对应设计中的如下文字：
在前向传播期间，我们在上下文中存储每个 autograd 传播的
send和recv函数。这确保我们在 autograd 图中保存对适当节点的引用以使其保持活动状态。除此之外，这也使得在后向传播期间很容易查找到对应的send和recv函数。
5.1.1 发送逻辑
代码逻辑如下：
- 生成一个 grad_fn，其类型是 SendRpcBackward。
- 调用 collect_next_edges 和 set_next_edges 为 SendRpcBackward 添加后续边，这些函数我们在前面系列中有分析。
- 调用 add_input_metadata 添加输入元数据。
- 调用 addSendFunction 往上下文添加 grad_fn。
void addSendRpcBackward(
const ContextPtr& autogradContext,
const AutogradMetadata& autogradMetadata,
std::vector<torch::Tensor>& tensors) {
// Attach autograd information only for tensors requiring grad.
std::vector<torch::Tensor> tensors_with_grad;
std::copy_if(
tensors.begin(),
tensors.end(),
std::back_inserter(tensors_with_grad),
[](const torch::Tensor& t) { return t.requires_grad(); });
// Attach the appropriate autograd edges.
auto grad_fn = std::make_shared<SendRpcBackward>();
grad_fn->set_next_edges( // 这里会设置其输出边
torch::autograd::collect_next_edges(tensors_with_grad));
// Add the appropriate input metadata for the grad_fn.
for (const auto& tensor : tensors_with_grad) {
grad_fn->add_input_metadata(tensor);
}
// Record the send autograd function in our current context.
autogradContext->addSendFunction(grad_fn, autogradMetadata.autogradMessageId);
}
5.1.2 设置上下文
我们再回忆一下DistAutogradContext 定义，这里仅仅给出其部分成员变量。
- contextId_ 是上下文 id。
- sendAutogradFunctions_ 是一个 map 类型变量，会收集所有发送请求对应的反向传播算子 SendRpcBackward。
- recvAutogradFunctions_ 是一个 map 类型变量，会收集所有接受送请求对应的反向传播算子 RecvRpcBackward。
// DistAutogradContext which stores information for a single distributed
// autograd pass on a worker.
class TORCH_API DistAutogradContext {
const int64_t contextId_;
// Map from autograd_message_id to appropriate 'send' autograd function.
std::unordered_map<int64_t, std::shared_ptr<SendRpcBackward>>
sendAutogradFunctions_;
// Map from autograd_message_id to appropriate 'recv' autograd function.
std::unordered_map<int64_t, std::shared_ptr<RecvRpcBackward>>
recvAutogradFunctions_;
};
addSendFunction 就是往 sendAutogradFunctions_ 之中添加SendRpcBackward，后续可以按照 message id 来得到这个 SendRpcBackward。
void DistAutogradContext::addSendFunction(
const std::shared_ptr<SendRpcBackward>& func,
int64_t autograd_message_id) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(lock_);
TORCH_INTERNAL_ASSERT(
sendAutogradFunctions_.find(autograd_message_id) ==
sendAutogradFunctions_.end());
sendAutogradFunctions_.emplace(autograd_message_id, func);
}
前面是从上下文构建的角度看，本次从上下文内容来看。
此时发送端逻辑如下：
+--------------------------------------------------------------+ +-------------------+
| worker | |SendRpcBackward |
| +---------------------------------------------------------+ | | |
| | DistAutogradContext | | | input_metadata_ |
| | +-------------> | |
| | contextId_ = context_id_1 | | | | next_edges_ |
| | + | | | |
| | sendAutogradFunctions_ = [msg_id_1, SendRpcBackward_1] | | +-------------------+
| | | |
| | | |
| | recvAutogradFunctions_ | |
| | | |
| +---------------------------------------------------------+ |
| |
+--------------------------------------------------------------+
sender
+---------------------------------------------------------------------------------------+
5.2 接受
我们略过 agent 的发送内部处理，转而看看 FORWARD_AUTOGRAD_REQ 的业务流程。
5.2.1 接收消息 ---> 接收方
生成 TensorPipeAgent 时候，把 RequestCallbackImpl 配置为回调函数。这是 agent 的统一响应函数。
前面关于代理接收逻辑时候，我们也提到了，会进入以下函数，其中可以看到有对 processForwardAutogradReq 的处理逻辑。
void RequestCallbackNoPython::processRpc(
RpcCommandBase& rpc,
const MessageType& messageType,
const int64_t messageId,
const c10::intrusive_ptr<JitFuture>& responseFuture,
std::shared_ptr<LazyStreamContext> ctx) const {
case MessageType::FORWARD_AUTOGRAD_REQ: {
// 会来到这里
processForwardAutogradReq(rpc, messageId, responseFuture, std::move(ctx));
return;
}
case MessageType::BACKWARD_AUTOGRAD_REQ: {
processBackwardAutogradReq(rpc, messageId, responseFuture);
return;
};
}
5.2.2 处理消息
processForwardAutogradReq 负责具体处理消息，其处理逻辑如下：
- 虽然是收到了前向传播请求，但因为此处是接收端，后续需要进行反向传播，所以对deviceMap进行转置。
- 使用 addRecvRpcBackward 将 rpc 消息 加入上下文。
- 可能会有nested命令的可能，所以需要再调用一次processRpc。
- 设置最原始的消息为处理完毕，进行相关操作。
void RequestCallbackNoPython::processForwardAutogradReq(
RpcCommandBase& rpc,
const int64_t messageId,
const c10::intrusive_ptr<JitFuture>& responseFuture,
std::shared_ptr<LazyStreamContext> ctx) const {
auto& rpcWithAutograd = static_cast<RpcWithAutograd&>(rpc);
// Need to reverse the device map for the backward pass of distributed
// autograd.
std::unordered_map<c10::Device, c10::Device> reverseDeviceMap;
// 对deviceMap进行转置
for (const auto& mapEntry : rpcWithAutograd.deviceMap()) {
reverseDeviceMap.insert({mapEntry.second, mapEntry.first});
}
// Attach 'recv' autograd function.
auto autogradContext = addRecvRpcBackward( // 调用了 addRecvRpcBackward 加入上下文
rpcWithAutograd.autogradMetadata(),
rpcWithAutograd.tensors(),
rpcWithAutograd.fromWorkerId(),
reverseDeviceMap);
// For this recv thread on server side, before processRpc(),
// set current_context_id_ to be context_id passed from client.
// In this way, if there is nested rpc call in python rpc call, original
// context_id from client can be passed in the chain calls.
DistAutogradContextGuard ctxGuard(autogradContext->contextId());
// Process the original RPC.
auto wrappedMessageType = rpcWithAutograd.wrappedMessageType();
// Make an overall future for the wrapped response.
auto wrappedRpcResponseFuture =
c10::make_intrusive<JitFuture>(at::AnyClassType::get());
// Kick off processing for the nested RPC command.
// wrappedRpcResponseFuture will be a Future<T> to the result.
processRpc( // 可能会有nested命令的可能，所以需要再处理一次
rpcWithAutograd.wrappedRpc(),
wrappedMessageType,
messageId,
wrappedRpcResponseFuture,
std::move(ctx));
auto fromWorkerId = rpcWithAutograd.fromWorkerId();
// The original future needs to be marked as completed when the wrapped
// one completes, with the autograd context information wrapped.
wrappedRpcResponseFuture->addCallback(
[responseFuture,
messageId,
fromWorkerId,
ctxId =
autogradContext->contextId()](JitFuture& wrappedRpcResponseFuture) {
// As this callback can be invoked by a different thread, we have to
// make sure that the thread_local states in the previous thread is
// correctly propagated.
// NB: The execution of TorchScript functions can also run on a
// different thread, which is addressed by
// https://github.com/pytorch/pytorch/pull/36395
// NB: when adding async UDF support, we should also propagate
// thread_local states there.
// TODO: Land on a general solution for RPC ThreadLocalState. See
// https://github.com/pytorch/pytorch/issues/38510
DistAutogradContextGuard cbCtxGuard(ctxId);
if (wrappedRpcResponseFuture.hasError()) {
// Propagate error to responseFuture if we had one.
responseFuture->setError(wrappedRpcResponseFuture.exception_ptr());
} else {
auto msg = getMessageWithAutograd(
fromWorkerId,
std::move(
*wrappedRpcResponseFuture.value().toCustomClass<Message>()),
MessageType::FORWARD_AUTOGRAD_RESP);
msg.setId(messageId);
responseFuture->markCompleted(
IValue(c10::make_intrusive<Message>(std::move(msg))));
}
});
}
5.2.3 上下文交互
torch/csrc/distributed/autograd/utils.cpp 之中，addRecvRpcBackward 函数会对上下文进行处理。
这里对应设计中的：
在前向传播期间，我们在上下文中存储每个 autograd 传播的
send和recv函数。这确保我们在 autograd 图中保存对适当节点的引用以使其保持活动状态。除此之外，这也使得在向后传播期间很容易查找到对应的send和recv函数。
其具体逻辑是：
- 根据 rpc信息中的 autogradContextId 拿到本地的上下文。
- 生成一个 RecvRpcBackward。
- 用 rpc 信息中的张量来对 RecvRpcBackward 进行配置，包括torch::autograd::set_history(tensor, grad_fn)。
- 调用 addRecvFunction 把 RecvRpcBackward 加入到上下文。
ContextPtr addRecvRpcBackward(
const AutogradMetadata& autogradMetadata,
std::vector<torch::Tensor>& tensors,
rpc::worker_id_t fromWorkerId,
const std::unordered_map<c10::Device, c10::Device>& deviceMap) {
// Initialize autograd context if necessary.
auto& autogradContainer = DistAutogradContainer::getInstance();
auto autogradContext =
autogradContainer.getOrCreateContext(autogradMetadata.autogradContextId);
if (!tensors.empty() && torch::autograd::compute_requires_grad(tensors)) {
// Attach the tensors as inputs to the autograd function.
auto grad_fn = std::make_shared<RecvRpcBackward>(
autogradMetadata, autogradContext, fromWorkerId, deviceMap);
for (auto& tensor : tensors) {
if (tensor.requires_grad()) {
torch::autograd::set_history(tensor, grad_fn);
}
}
// Now update the autograd context with the necessary information.
autogradContext->addRecvFunction(
grad_fn, autogradMetadata.autogradMessageId);
}
return autogradContext;
}
addRecvFunction 的添加操作如下，就是看看 recvAutogradFunctions_之中是否已经存在这个 message id 对应的算子，如果没有就添加 。
void DistAutogradContext::addRecvFunction(
std::shared_ptr<RecvRpcBackward>& func,
int64_t autograd_message_id) {
TORCH_INTERNAL_ASSERT(func != nullptr);
std::lock_guard<std::mutex> guard(lock_);
TORCH_INTERNAL_ASSERT(
recvAutogradFunctions_.find(autograd_message_id) ==
recvAutogradFunctions_.end());
recvAutogradFunctions_.emplace(autograd_message_id, func);
}
至此，逻辑拓展如下，在发送端和接收端都有一个 DistAutogradContext，其 id 都是 context_id_1。
在 每个 DistAutogradContext 之内，均以 msg_id_1 作为key，一个是 SendRpcBackward，一个建立了 RecvRpcBackward。
这就对应了设计之中提到的：
每个自动微分过程被赋予一个唯一的 autograd_context_id，在容器中，这个微分过程的上下文(DistAutogradContext) 依据这个autograd_context_id 来唯一确认。autograd_context_id 是一个 64 bit 的全局唯一id，前 16 bis 是 worker_id，后 48 位是在每个worker内部自动递增id。所以可见，一个Container 之中，是有多个Context的。
此容器还负责维护全局唯一的消息id，用来关联发送/接收自动微分函数对。格式类似于autograd_context_id，是一个64位整数，前16位是工作者id，后48位是worker内部自动递增的。
+----------------------------------------------------------------+
| worker | +-------------------+
| | |SendRpcBackward |
| +---------------------------------------------------------+ | | |
| | DistAutogradContext | | | input_metadata_ |
| | +-------------> | |
| | contextId_ = context_id_1 | | | | next_edges_ |
| | + | | | |
| | sendAutogradFunctions_ = [msg_id_1, SendRpcBackward_1] | | +-------------------+
| | | |
| | recvAutogradFunctions_ | |
| | | |
| +---------------------------------------------------------+ |
| |
| + |
| | |
+----------------------------------------------------------------+
|
|
| Sender
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| Receiver
|
v
+-----------------------------+----------------------------------+
| worker |
| | +-------------------+
| +---------------------------------------------------------+ | |RecvRpcBackward |
| | DistAutogradContext | | | |
| | | | | |
| | contextId_ = context_id_1 +-----------------> | input_metadata_ |
| | | | | | |
| | sendAutogradFunctions_ | | | | next_edges_ |
| | + | | | |
| | recvAutogradFunctions_ = [msg_id_1, RecvRpcBackward_1]| | +-------------------+
| | | |
| +---------------------------------------------------------+ |
| |
+----------------------------------------------------------------+
我们加入 Container，再拓展一下目前逻辑如下：
- 每个worker 包括一个DistAutogradContainer。
- 每个 DistAutogradContainer 包括若干个 DistAutogradContext，依据 context id 提取 DistAutogradContext。
- 每个 DistAutogradContext 包括 sendAutogradFunctions_ 和 recvAutogradFunctions_，利用 msg id 来获取 SendRpcBackward 或者 RecvRpcBackward。
这样这个反向传播链条就构建了出来。
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| worker |
| |
| +---------------------------------------+ +---------------------------------------------------------+ +-------------------+ |
| | DistAutogradContainer | | DistAutogradContext | |SendRpcBackward | |
| | | | +----------> | | |
| | worker_id_ | | contextId_ = ctx_id_1 | | | input_metadata_ | |
| | | | + | | | |
| | next_autograd_message_id_ +---------> | sendAutogradFunctions_ = [msg_id_1, SendRpcBackward_1] | | next_edges_ | |
| | | | | | | | |
| | next_context_id_ | | | recvAutogradFunctions_ | +-------------------+ |
| | + | | | |
| | autograd_contexts_[ctx_id_1 : ctx] | +---------------------------------------------------------+ |
| | | |
| +----------------------------+----------+ |
| | |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|
|
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|
v
+------------------------------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------+
| worker |
| |
| +---------------------------------------+ +---------------------------------------------------------+ +-------------------+ |
| | DistAutogradContainer | | DistAutogradContext | |RecvRpcBackward | |
| | | | +----------> | | |
| | worker_id_ | | contextId_ = ctx_id_1 | | | input_metadata_ | |
| | | | | | | | |
| | next_autograd_message_id_ +---------> | sendAutogradFunctions_ | | | next_edges_ | |
| | | | | + | | | |
| | next_context_id_ | | | recvAutogradFunctions_ = [msg_id_1, RecvRpcBackward_1] | +-------------------+ |
| | + | | | |
| | autograd_contexts_[ctx_id_1 : ctx] | +---------------------------------------------------------+ |
| | | |
| +---------------------------------------+ |
| |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
手机如下：
至此，我们初步分析了上下文相关的类，下文我们把目前已经分析的内容结合起来，系统看看业务逻辑。
0xFF 参考
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