Paddle模型性能分析工具Profiler定位瓶頸點(diǎn)優(yōu)化程序詳解
Paddle模型性能分析Profiler
定位性能瓶頸點(diǎn)優(yōu)化程序提升性能
Paddle Profiler是飛槳框架自帶的低開銷性能分析器，可以對模型運(yùn)行過程的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)和展示。性能分析器提供的數(shù)據(jù)可以幫助定位模型的瓶頸，識別造成程序運(yùn)行時(shí)間過長或者GPU利用率低的原因，從而尋求優(yōu)化方案來獲得性能的提升。
1.使用Profiler工具調(diào)試程序性能
在模型性能分析中，通常采用如下四個(gè)步驟：
- 獲取模型正常運(yùn)行時(shí)的ips(iterations per second， 每秒的迭代次數(shù))，給出baseline數(shù)據(jù)。
- 開啟性能分析器，定位性能瓶頸點(diǎn)。
- 優(yōu)化程序，檢查優(yōu)化效果。
- 獲取優(yōu)化后模型正常運(yùn)行時(shí)的ips，和baseline比較，計(jì)算真實(shí)的提升幅度。
下面是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對cifar10進(jìn)行分類的示例代碼，里面加上了啟動性能分析的代碼。通過這個(gè)比較簡單的示例，來看性能分析工具是如何通過上述四個(gè)步驟在調(diào)試程序性能中發(fā)揮作用。
1.1 使用cifar10數(shù)據(jù)集卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像分類
import paddle import paddle.nn.functional as F from paddle.vision.transforms import ToTensor import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt print(paddle.__version__)
加載數(shù)據(jù)集
cifar10數(shù)據(jù)集由60000張大小為32 * 32的彩色 圖片組成，其中有50000張圖片組成了訓(xùn)練集，另外10000張圖片組成了測試集。這些圖片分為10個(gè)類別，將訓(xùn)練一個(gè)模型能夠把圖片進(jìn)行正確的分類。
transform = ToTensor()
cifar10_train = paddle.vision.datasets.Cifar10(mode='train',
transform=transform)
cifar10_test = paddle.vision.datasets.Cifar10(mode='test',
transform=transform)
組建網(wǎng)絡(luò)
接下來使用飛槳定義一個(gè)使用了三個(gè)二維卷積（ Conv2D ) 且每次卷積之后使用 relu 激活函數(shù)，兩個(gè)二維池化層（ MaxPool2D ），和兩個(gè)線性變換層組成的分類網(wǎng)絡(luò)，來把一個(gè)(32, 32, 3)形狀的圖片通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射為10個(gè)輸出，這對應(yīng)著10個(gè)分類的類別
class MyNet(paddle.nn.Layer):
def __init__(self, num_classes=1):
super(MyNet, self).__init__()
self.conv1 = paddle.nn.Conv2D(in_channels=3, out_channels=32, kernel_size=(3, 3))
self.pool1 = paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2)
self.conv2 = paddle.nn.Conv2D(in_channels=32, out_channels=64, kernel_size=(3,3))
self.pool2 = paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2)
self.conv3 = paddle.nn.Conv2D(in_channels=64, out_channels=64, kernel_size=(3,3))
self.flatten = paddle.nn.Flatten()
self.linear1 = paddle.nn.Linear(in_features=1024, out_features=64)
self.linear2 = paddle.nn.Linear(in_features=64, out_features=num_classes)
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool1(x)
x = self.conv2(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool2(x)
x = self.conv3(x)
x = F.relu(x)
x = self.flatten(x)
x = self.linear1(x)
x = F.relu(x)
x = self.linear2(x)
return x
模型訓(xùn)練&預(yù)測
接下來，用一個(gè)循環(huán)來進(jìn)行模型的訓(xùn)練，將會:
使用 paddle.optimizer.Adam 優(yōu)化器來進(jìn)行優(yōu)化。
使用 F.cross_entropy 來計(jì)算損失值。
使用 paddle.io.DataLoader 來加載數(shù)據(jù)并組建batch。
import paddle.profiler as profiler
#參數(shù)設(shè)置
epoch_num = 10
batch_size = 32
learning_rate = 0.001
val_acc_history = []
val_loss_history = []
def train(model):
print('start training ... ')
# turn into training mode
model.train()
opt = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=learning_rate,
parameters=model.parameters())
train_loader = paddle.io.DataLoader(cifar10_train,
shuffle=True,
batch_size=batch_size,
num_workers=4)
valid_loader = paddle.io.DataLoader(cifar10_test, batch_size=batch_size)
# 創(chuàng)建性能分析器相關(guān)的代碼
def my_on_trace_ready(prof):# 定義回調(diào)函數(shù)，性能分析器結(jié)束采集數(shù)據(jù)時(shí)會被調(diào)用
callback = profiler.export_chrome_tracing('./profiler_demo') # 創(chuàng)建導(dǎo)出性能數(shù)據(jù)到profiler_demo文件夾的回調(diào)函數(shù)
callback(prof) # 執(zhí)行該導(dǎo)出函數(shù)
prof.summary(sorted_by=profiler.SortedKeys.GPUTotal) # 打印表單，按GPUTotal排序表單項(xiàng)
p = profiler.Profiler(scheduler = [3,14], on_trace_ready=my_on_trace_ready, timer_only=True) # 初始化Profiler對象
p.start() # 性能分析器進(jìn)入第0個(gè)step
for epoch in range(epoch_num):
for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
x_data = data[0]
y_data = paddle.to_tensor(data[1])
y_data = paddle.unsqueeze(y_data, 1)
logits = model(x_data)
loss = F.cross_entropy(logits, y_data)
if batch_id % 1000 == 0:
print("epoch: {}, batch_id: {}, loss is: {}".format(epoch, batch_id, loss.numpy()))
loss.backward()
opt.step()
opt.clear_grad()
p.step() # 指示性能分析器進(jìn)入下一個(gè)step
if batch_id == 19:
p.stop() # 關(guān)閉性能分析器
exit() # 做性能分析時(shí)，可以將程序提前退出
# evaluate model after one epoch
model.eval()
accuracies = []
losses = []
for batch_id, data in enumerate(valid_loader()):
x_data = data[0]
y_data = paddle.to_tensor(data[1])
y_data = paddle.unsqueeze(y_data, 1)
logits = model(x_data)
loss = F.cross_entropy(logits, y_data)
acc = paddle.metric.accuracy(logits, y_data)
accuracies.append(acc.numpy())
losses.append(loss.numpy())
avg_acc, avg_loss = np.mean(accuracies), np.mean(losses)
print("[validation] accuracy/loss: {}/{}".format(avg_acc, avg_loss))
val_acc_history.append(avg_acc)
val_loss_history.append(avg_loss)
model.train()
model = MyNet(num_classes=10)
train(model)
**部分結(jié)果展示：** epoch: 6, batch_id: 0, loss is: [0.91811454] epoch: 6, batch_id: 1000, loss is: [0.89851004] [validation] accuracy/loss: 0.7232428193092346/0.8434960246086121 epoch: 7, batch_id: 0, loss is: [0.60690844] epoch: 7, batch_id: 1000, loss is: [0.6912922] [validation] accuracy/loss: 0.7049720287322998/0.887704074382782 epoch: 8, batch_id: 0, loss is: [0.6330824] epoch: 8, batch_id: 1000, loss is: [0.5715592] [validation] accuracy/loss: 0.7176517844200134/0.8511289954185486 epoch: 9, batch_id: 0, loss is: [0.29487646] epoch: 9, batch_id: 1000, loss is: [0.9094696] [validation] accuracy/loss: 0.7097643613815308/0.9166476130485535
1.1.1 獲取性能調(diào)試前模型正常運(yùn)行的ips
上述程序在創(chuàng)建Profiler時(shí)候，timer_only設(shè)置的值為True，此時(shí)將只開啟benchmark功能，不開啟性能分析器，程序輸出模型正常運(yùn)行時(shí)的benchmark信息如下
- Reader Ratio：表示數(shù)據(jù)讀取部分占訓(xùn)練batch迭代過程的時(shí)間占比，
- reader_cost：代表數(shù)據(jù)讀取時(shí)間，
- batch_cost：代表batch迭代的時(shí)間，
- ips：表示每秒能迭代多少次，即跑多少個(gè)batch。
可以看到，此時(shí)的ips為70.99，可將這個(gè)值作為優(yōu)化對比的baseline。
============================================Perf Summary============================================ Reader Ratio: 35.240% Time Unit: s, IPS Unit: steps/s | | avg | max | min | | reader_cost | 0.00496 | 0.00542 | 0.00469 | | batch_cost | 0.01408 | 0.01325 | 0.01246 | | ips | 70.99914 | 80.24470 | 75.46403 |
1.1.2. 開啟性能分析器，定位性能瓶頸點(diǎn)
修改程序，將Profiler的timer_only參數(shù)設(shè)置為False， 此時(shí)代表不只開啟benchmark功能，還將開啟性能分析器，進(jìn)行詳細(xì)的性能分析。
p = profiler.Profiler(scheduler = [3,14], on_trace_ready=my_on_trace_ready, timer_only=False)
性能分析器會收集程序在第3到14次（不包括14）訓(xùn)練迭代過程中的性能數(shù)據(jù)，并在profiler_demo文件夾中輸出一個(gè)json格式的文件，用于展示程序執(zhí)行過程的timeline，可通過chrome瀏覽器的chrome://tracing 插件打開這個(gè)文件進(jìn)行查看。
如圖所示，把json文件load即可：
性能分析器還會直接在終端打印統(tǒng)計(jì)表單（建議重定向到文件中查看），查看程序輸出的Model Summary表單
-----------------------------------------------Model Summary----------------------------------------------- Time unit: ms --------------- ------ ---------------------------------------- ---------------------------------------- Name Calls CPU Total / Avg / Max / Min / Ratio(%) GPU Total / Avg / Max / Min / Ratio(%) --------------- ------ ---------------------------------------- ---------------------------------------- ProfileStep 11 138.99 / 12.64 / 17.91 / 10.65 / 100.00 8.81 / 0.80 / 0.80 / 0.80 / 100.00 Dataloader 11 16.88 / 1.53 / 6.91 / 0.09 / 12.14 0.00 / 0.00 / 0.00 / 0.00 / 0.00 Forward 11 45.18 / 4.11 / 4.41 / 3.61 / 32.50 2.73 / 0.25 / 0.25 / 0.25 / 31.01 Backward 11 27.63 / 2.51 / 2.85 / 2.37 / 19.88 4.04 / 0.37 / 0.37 / 0.36 / 45.81 Optimization 11 19.75 / 1.80 / 1.89 / 1.61 / 14.21 1.05 / 0.10 / 0.10 / 0.09 / 11.56 Others - 29.55 / - / - / - / 21.26 1.05 / - / - / - / 11.63 --------------- ------ ---------------------------------------- ---------------------------------------- Note: 在此表中，GPU 時(shí)間是該階段調(diào)用的所有設(shè)備（GPU）事件的總和。 與概述摘要不同，如果兩個(gè)設(shè)備（GPU）事件在不同的流上執(zhí)行重疊時(shí)間，我們直接在這里求和。
- 其中ProfileStep表示訓(xùn)練batch的迭代step過程，對應(yīng)代碼中每兩次調(diào)用p.step()的間隔時(shí)間；
- Dataloader表示數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間，即for batch_id, data in enumerate(train_loader())的執(zhí)行時(shí)間；
- Forward表示模型前向的時(shí)間，即logits = model(x_data)的執(zhí)行時(shí)間，
- Backward表示反向傳播的時(shí)間，即loss.backward()的執(zhí)行時(shí)間；
- Optimization表示優(yōu)化器的時(shí)間，即opt.step()的執(zhí)行時(shí)間。
通過timeline可以看到，Dataloader占了執(zhí)行過程的很大比重，Model Summary顯示其接近了12%。分析程序發(fā)現(xiàn)，這是由于模型本身比較簡單，需要的計(jì)算量小，再加上Dataloader 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)只用了單進(jìn)程來讀取，使得程序讀取數(shù)據(jù)時(shí)和執(zhí)行計(jì)算時(shí)沒有并行操作，導(dǎo)致Dataloader占比過大。
1.1.3. 優(yōu)化程序，檢查優(yōu)化效果
識別到了問題產(chǎn)生的原因，對程序繼續(xù)做如下修改，將Dataloader的num_workers設(shè)置為4，使得能有多個(gè)進(jìn)程并行讀取數(shù)據(jù)。
train_loader = paddle.io.DataLoader(cifar10_train,
shuffle=True,
batch_size=batch_size,
num_workers=4)
重新對程序進(jìn)行性能分析，新的timeline和Model Summary如下所示
-----------------------------------------------Model Summary----------------------------------------------- Time unit: ms --------------- ------ ---------------------------------------- ---------------------------------------- Name Calls CPU Total / Avg / Max / Min / Ratio(%) GPU Total / Avg / Max / Min / Ratio(%) --------------- ------ ---------------------------------------- ---------------------------------------- ProfileStep 11 89.44 / 8.13 / 8.76 / 7.82 / 100.00 8.82 / 0.80 / 0.80 / 0.80 / 100.00 Dataloader 11 1.51 / 0.14 / 0.16 / 0.12 / 1.69 0.00 / 0.00 / 0.00 / 0.00 / 0.00 Forward 11 31.67 / 2.88 / 3.17 / 2.82 / 35.41 2.72 / 0.25 / 0.25 / 0.24 / 36.11 Backward 11 25.35 / 2.30 / 2.49 / 2.20 / 28.34 4.07 / 0.37 / 0.37 / 0.37 / 42.52 Optimization 11 11.67 / 1.06 / 1.16 / 1.01 / 13.04 1.04 / 0.09 / 0.10 / 0.09 / 10.59 Others - 19.25 / - / - / - / 21.52 1.06 / - / - / - / 10.78 --------------- ------ ---------------------------------------- ----------------------------------------
可以看到，從Dataloader中取數(shù)據(jù)的時(shí)間大大減少，從12%變成了平均只占一個(gè)step的1.69%，并且平均一個(gè)step所需要的時(shí)間也相應(yīng)減少了從1.53到0.14。
### 1.1.4 獲取優(yōu)化后模型正常運(yùn)行的ips，確定真實(shí)提升幅度 重新將timer_only設(shè)置的值為True，獲取優(yōu)化后模型正常運(yùn)行時(shí)的benchmark信息 ============================================Perf Summary============================================ Reader Ratio: 1.718% Time Unit: s, IPS Unit: steps/s | | avg | max | min | | reader_cost | 0.00013 | 0.00015 | 0.00012 | | batch_cost | 0.00728 | 0.00690 | 0.00633 | | ips | 137.30879 | 158.01126 | 144.91796 |
此時(shí)從原來的Reader Ratio: 35.240%---->Reader Ratio: 1.718%
ips的值變成了137.3，相比優(yōu)化前的baseline70.99，模型真實(shí)性能提升了193%。
注意點(diǎn)：
由于Profiler開啟的時(shí)候，收集性能數(shù)據(jù)本身也會造成程序性能的開銷，因此正常跑程序時(shí)請不要開啟性能分析器，性能分析器只作為調(diào)試程序性能時(shí)使用。
- 1.如果想獲得程序正常運(yùn)行時(shí)候的 benchmark信息（如ips），可以像示例一樣將Profiler的timer_only參數(shù)設(shè)置為True，此時(shí)不會進(jìn)行詳盡的性能數(shù)據(jù)收集，幾乎不影響程序正常運(yùn)行的性能，所獲得的benchmark信息也趨于真實(shí)。
- 2.benchmark信息計(jì)算的數(shù)據(jù)范圍是從調(diào)用Profiler的start方法開始，到調(diào)用stop方法結(jié)束這個(gè)過程的數(shù)據(jù)。而Timeline和性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表單的數(shù)據(jù)范圍是所指定的采集區(qū)間，如這個(gè)例子中的第3到14次迭代，這會導(dǎo)致開啟性能分析器時(shí)統(tǒng)計(jì)表單和benchmark信息輸出的值不同（如統(tǒng)計(jì)到的Dataloader的時(shí)間占比）。
- 3.當(dāng)benchmark統(tǒng)計(jì)的范圍和性能分析器統(tǒng)計(jì)的范圍不同時(shí)， 由于benchmark統(tǒng)計(jì)的是平均時(shí)間，如果benchmark統(tǒng)計(jì)的范圍覆蓋了性能分析器開啟的范圍，也覆蓋了關(guān)閉性能調(diào)試時(shí)的正常執(zhí)行的范圍，此時(shí)benchmark的值沒有意義，因此開啟性能分析器時(shí)請以性能分析器輸出的統(tǒng)計(jì)表單為參考，這也是為何上面示例里在開啟性能分析器時(shí)沒貼benchmark信息的原因。
1.1.5 結(jié)果展示
#結(jié)果展示
plt.plot(val_acc_history, label = 'validation accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.5, 0.8])
plt.legend(loc='lower right')
2 統(tǒng)計(jì)表單展示
統(tǒng)計(jì)表單負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)(Event)從多個(gè)不同的角度進(jìn)行解讀，也可以理解為對timeline進(jìn)行一些量化的指標(biāo)計(jì)算。 目前提供Device Summary、Overview Summary、Model Summary、Distributed Summary、Operator Summary、Kernel Summary、Memory Manipulation Summary和UserDefined Summary的統(tǒng)計(jì)表單，每個(gè)表單從不同的角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。每個(gè)表單的統(tǒng)計(jì)內(nèi)容簡要敘述如下：
Device Summary
-------------------Device Summary------------------- ------------------------------ -------------------- Device Utilization (%) ------------------------------ -------------------- CPU(Process) 77.13 CPU(System) 25.99 GPU2 55.50 ------------------------------ -------------------- Note: CPU(進(jìn)程) 利用率 = 當(dāng)前進(jìn)程在所有 cpu 內(nèi)核上的 CPU 時(shí)間/經(jīng)過的時(shí)間，因此最大利用率可以達(dá)到 100% * cpu 內(nèi)核數(shù)。 CPU（系統(tǒng)）利用率=所有進(jìn)程在所有cpu內(nèi)核上的CPU時(shí)間（忙碌時(shí)間）/（忙碌時(shí)間+空閑時(shí)間）。 GPU 利用率 = 當(dāng)前進(jìn)程 GPU 時(shí)間 / 已用時(shí)間。 ----------------------------------------------------
DeviceSummary提供CPU和GPU的平均利用率信息。其中
CPU(Process): 指的是進(jìn)程的cpu平均利用率，算的是從Profiler開始記錄數(shù)據(jù)到結(jié)束這一段過程，進(jìn)程所利用到的 cpu core的總時(shí)間與該段時(shí)間的占比。因此如果是多核的情況，對于進(jìn)程來說cpu平均利用率是有可能超過100%的，因?yàn)橥瑫r(shí)用到的多個(gè)core的時(shí)間進(jìn)行了累加。
CPU(System): 指的是整個(gè)系統(tǒng)的cpu平均利用率，算的是從Profiler開始記錄數(shù)據(jù)到結(jié)束這一段過程，整個(gè)系統(tǒng)所有進(jìn)程利用到的cpu core總時(shí)間與該段時(shí)間乘以cpu core的數(shù)量的占比。可以當(dāng)成是從cpu的視角來算的利用率。
GPU: 指的是進(jìn)程的gpu平均利用率，算的是從Profiler開始記錄數(shù)據(jù)到結(jié)束這一段過程，進(jìn)程在gpu上所調(diào)用的kernel的執(zhí)行時(shí)間 與 該段時(shí)間 的占比。
Overview Summary
Overview Summary用于展示每種類型的Event一共分別消耗了多少時(shí)間，對于多線程或多stream下，如果同一類型的Event有重疊的時(shí)間段，采取取并集操作，不對重疊的時(shí)間進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。
---------------------------------------------Overview Summary---------------------------------------------
Time unit: ms
------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------------
Event Type Calls CPU Time Ratio (%)
------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------------
ProfileStep 8 4945.15 100.00
CudaRuntime 28336 2435.63 49.25
UserDefined 486 2280.54 46.12
Dataloader 8 1819.15 36.79
Forward 8 1282.64 25.94
Operator 8056 1244.41 25.16
OperatorInner 21880 374.18 7.57
Backward 8 160.43 3.24
Optimization 8 102.34 2.07
------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------------
Calls GPU Time Ratio (%)
------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------------
Kernel 13688 2744.61 55.50
Memcpy 496 29.82 0.60
Memset 104 0.12 0.00
Communication 784 257.23 5.20
------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------------
Note:
在此表中，我們根據(jù)事件類型匯總了所有收集到的事件。
在主機(jī)上收集的事件時(shí)間顯示為 CPU 時(shí)間，如果在設(shè)備上則顯示為 GPU 時(shí)間。
不同類型的事件可能會重疊或包含，例如 Operator 包括 OperatorInner，因此比率之和不是 100%。
有重疊的同類型事件的時(shí)間不會計(jì)算兩次，合并后所有時(shí)間相加。
Example:
Thread 1:
Operator: |___________| |__________|
Thread 2:
Operator: |____________| |___|
After merged:
Result: |______________| |__________|
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
不在繼續(xù)詳細(xì)說明，參考項(xiàng)目即可：
項(xiàng)目鏈接，fork一下即可使用
aistudio.baidu.com/aistudio/pr…
以上就是Paddle模型性能分析工具Profiler定位瓶頸點(diǎn)優(yōu)化程序詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Paddle分析工具Profiler的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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這篇文章主要介紹了python對象轉(zhuǎn)字典的兩種實(shí)現(xiàn)方式,結(jié)合實(shí)例形式分析了Python字典與對象數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換相關(guān)操作技巧,需要的朋友可以參考下2019-11-11
python和bash統(tǒng)計(jì)CPU利用率的方法
這篇文章主要介紹了python和bash統(tǒng)計(jì)CPU利用率的方法,涉及Python針對系統(tǒng)硬件信息的讀取技巧,具有一定參考借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下2015-07-07
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Python進(jìn)行指數(shù)和對數(shù)曲線擬合詳解
曲線擬合是構(gòu)造曲線或數(shù)學(xué)函數(shù)的過程,其具有對一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)的最佳擬合,可能受到約束,本文主要介紹了如何使用Python實(shí)現(xiàn)指數(shù)和對數(shù)曲線擬合,需要的可以參考下2024-04-04