python - 如何提高数据输入管道性能？

Question

我尝试优化我的数据输入管道。该数据集是一组 450 个 TFRecord 文件，每个文件大小约为 70MB，托管在 GCS 上。该作业使用 GCP ML Engine 执行。没有 GPU。

这是管道:

def build_dataset(file_pattern):
    return tf.data.Dataset.list_files(
        file_pattern
    ).interleave(
        tf.data.TFRecordDataset,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).shuffle(
        buffer_size=2048
    ).batch(
        batch_size=2048,
        drop_remainder=True,
    ).cache(
    ).repeat(
    ).map(
        map_func=_parse_example_batch,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).prefetch(
        buffer_size=1
    )

使用映射函数:

def _bit_to_float(string_batch: tf.Tensor):
    return tf.reshape(tf.math.floormod(tf.dtypes.cast(tf.bitwise.right_shift(
        tf.expand_dims(tf.io.decode_raw(string_batch, tf.uint8), 2),
        tf.reshape(tf.dtypes.cast(tf.range(7, -1, -1), tf.uint8), (1, 1, 8))
    ), tf.float32), 2), (tf.shape(string_batch)[0], -1))


def _parse_example_batch(example_batch):
    preprocessed_sample_columns = {
        "features": tf.io.VarLenFeature(tf.float32),
        "booleanFeatures": tf.io.FixedLenFeature((), tf.string, ""),
        "label": tf.io.FixedLenFeature((), tf.float32, -1)
    }
    samples = tf.io.parse_example(example_batch, preprocessed_sample_columns)
    dense_float = tf.sparse.to_dense(samples["features"])
    bits_to_float = _bit_to_float(samples["booleanFeatures"])
    return (
        tf.concat([dense_float, bits_to_float], 1),
        tf.reshape(samples["label"], (-1, 1))
    )

我尝试遵循 data pipeline tutorial 的最佳实践，并对我的映射函数进行矢量化(按照 mrry 的建议)。

使用此设置，虽然数据以高速下载(带宽约为 200MB/s)，但 CPU 利用率不足(14%)，并且训练速度非常慢(一个 epoch 超过 1 小时)。

我尝试了一些参数配置，更改了 interleave() 参数，例如 num_parallel_calls 或 cycle_length 或 TFRecordDataset诸如 num_parallel_calls 之类的参数。

最快的配置使用这组参数:

• interleave.num_parallel_calls:1
• interleave.cycle_length:8
• TFRecordDataset.num_parallel_calls:8

有了这个，一个 epoch 只需要大约 20 分钟即可运行。 但是，CPU 使用率仅为 50%，而带宽消耗约为 55MB/s

问题:

1. 如何优化管道以达到 100% CPU 使用率(以及 100MB/s 的带宽消耗)？
2. 为什么tf.data.experimental.AUTOTUNE找不到加速训练的最佳值？

善良，亚历克西斯。

<小时/>

编辑

经过一些更多的实验，我得出了以下解决方案。

1. 如果 num_parallel_calls 大于 0，则删除已由 TFRecordDataset 处理的 interleave 步骤。
2. 更新映射函数以仅执行 parse_example 和 decode_raw，返回元组 `((, ), ())
3. map 之后的缓存
4. 将 _bit_to_float 函数作为模型的组件移动

最后，这是数据管道代码:

def build_dataset(file_pattern):
    return tf.data.TFRecordDataset(
        tf.data.Dataset.list_files(file_pattern),
        num_parallel_reads=multiprocessing.cpu_count(),
        buffer_size=70*1000*1000
    ).shuffle(
        buffer_size=2048
    ).map(
        map_func=split,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).batch(
        batch_size=2048,
        drop_remainder=True,
    ).cache(
    ).repeat(
    ).prefetch(
        buffer_size=32
    )


def split(example):
    preprocessed_sample_columns = {
        "features": tf.io.VarLenFeature(tf.float32),
        "booleanFeatures": tf.io.FixedLenFeature((), tf.string, ""),
        "label": tf.io.FixedLenFeature((), tf.float32, -1)
    }
    samples = tf.io.parse_single_example(example, preprocessed_sample_columns)
    dense_float = tf.sparse.to_dense(samples["features"])
    bits_to_float = tf.io.decode_raw(samples["booleanFeatures"], tf.uint8)
    return (
        (dense_float, bits_to_float),
        tf.reshape(samples["label"], (1,))
    )


def build_model(input_shape):
    feature = keras.Input(shape=(N,))
    bool_feature = keras.Input(shape=(M,), dtype="uint8")
    one_hot = dataset._bit_to_float(bool_feature)
    dense_input = tf.reshape(
        keras.backend.concatenate([feature, one_hot], 1),
        input_shape)
    output = actual_model(dense_input)

    model = keras.Model([feature, bool_feature], output)
    return model

def _bit_to_float(string_batch: tf.Tensor):
    return tf.dtypes.cast(tf.reshape(
        tf.bitwise.bitwise_and(
            tf.bitwise.right_shift(
                tf.expand_dims(string_batch, 2),
                tf.reshape(
                    tf.dtypes.cast(tf.range(7, -1, -1), tf.uint8),
                    (1, 1, 8)
                ),
            ),
            tf.constant(0x01, dtype=tf.uint8)
        ),
        (tf.shape(string_batch)[0], -1)
    ), tf.float32)

感谢所有这些优化:

• 带宽消耗约为 90MB/s
• CPU 使用率约为 20%
• 第一个纪元花费 20 分钟
• 连续的纪元每个花费 5 分钟

所以这似乎是一个很好的第一个设置。但CPU和BW仍然没有被过度使用，所以仍然欢迎任何建议!

<小时/>

编辑之二

因此，经过一些基准测试后，我发现了我认为最好的输入管道:

def build_dataset(file_pattern):
    tf.data.Dataset.list_files(
        file_pattern
    ).interleave(
        TFRecordDataset,
        cycle_length=tf.data.experimental.AUTOTUNE,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).shuffle(
        2048
    ).batch(
        batch_size=64,
        drop_remainder=True,
    ).map(
        map_func=parse_examples_batch,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).cache(
    ).prefetch(
        tf.data.experimental.AUTOTUNE
    )

def parse_examples_batch(examples):
    preprocessed_sample_columns = {
        "features": tf.io.FixedLenSequenceFeature((), tf.float32, allow_missing=True),
        "booleanFeatures": tf.io.FixedLenFeature((), tf.string, ""),
        "label": tf.io.FixedLenFeature((), tf.float32, -1)
    }
    samples = tf.io.parse_example(examples, preprocessed_sample_columns)
    bits_to_float = tf.io.decode_raw(samples["booleanFeatures"], tf.uint8)
    return (
        (samples['features'], bits_to_float),
        tf.expand_dims(samples["label"], 1)
    )

那么，新内容:

• 据此GitHub issue ，TFRecordDataset 交错是一种传统交错，因此 interleave 功能更好。
• batch 在 map 之前是一个好习惯 ( vectorizing your function )，可以减少调用映射函数的次数。
• 不再需要重复。从 TF2.0 开始，Keras 模型 API 支持数据集 API，并且可以使用缓存(参见SO post)
• 从 VarLenFeature 切换到 FixedLenSequenceFeature，删除对 tf.sparse.to_dense 的无用调用。

希望这能有所帮助。仍然欢迎建议。

Answer 1

在答案部分提及@AlexisBRENON 的解决方案和重要观察结果，以造福社区。

下面提到的是重要的观察结果:

1. 据此GitHub issue ，TFRecordDataset interleaving是遗留的，所以interleave功能更好。
2. batch之前map是一个好习惯( vectorizing your function )并减少调用映射函数的次数。
3. 不需要repeat不再了。从 TF2.0 开始，Keras 模型 API 支持数据集 API，并且可以使用缓存(参见SO post)
4. 从VarLenFeature切换到 FixedLenSequenceFeature ，删除对 tf.sparse.to_dense 的无用调用.

下面提到了根据上述观察结果改进了性能的管道代码:

def build_dataset(file_pattern):
    tf.data.Dataset.list_files(
        file_pattern
    ).interleave(
        TFRecordDataset,
        cycle_length=tf.data.experimental.AUTOTUNE,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).shuffle(
        2048
    ).batch(
        batch_size=64,
        drop_remainder=True,
    ).map(
        map_func=parse_examples_batch,
        num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE
    ).cache(
    ).prefetch(
        tf.data.experimental.AUTOTUNE
    )

def parse_examples_batch(examples):
    preprocessed_sample_columns = {
        "features": tf.io.FixedLenSequenceFeature((), tf.float32, allow_missing=True),
        "booleanFeatures": tf.io.FixedLenFeature((), tf.string, ""),
        "label": tf.io.FixedLenFeature((), tf.float32, -1)
    }
    samples = tf.io.parse_example(examples, preprocessed_sample_columns)
    bits_to_float = tf.io.decode_raw(samples["booleanFeatures"], tf.uint8)
    return (
        (samples['features'], bits_to_float),
        tf.expand_dims(samples["label"], 1)
    )