机器学习库初探之MXnet
原创
什么是MXnet?
这是自 xgboost, cxxnet, minerva 以来集合DMLC几乎所有开发者 (李沐和陈天奇等各路英雄豪杰) 力量的一个机器学习项目。MXNet名字源于”Mix and Maximize”。MXnet 的目标就是希望把 cxxnet 这样强调性能静态优化的 C++ 库和灵活的 NDArray 有机结合在一起。做包含cxxnet 的静态优化，却又可以像 minerva, theano, torch 那样进行灵活扩展的深度学习库。
与其他工具相比，MXnet 结合了符号语言和过程语言的编程模型，并试图最大化各自优势，利用统一的执行引擎进行自动多 GPU 并行调度优化。不同的编程模型有各自的优势，以往的深度学习库往往着重于灵活性，或者性能。MXNet 通过融合的方式把各种编程模型整合在一起，并且通过统一的轻量级运行引擎进行执行调度。使得用户可以直接复用稳定高效的神经网络模块，并且可以通过 Python 等高级语言进行快速扩展。
MXNet 由 dmlc/cxxnet, dmlc/minerva 和 Purine2 的作者发起，融合了Minerva 的动态执行，cxxnet 的静态优化和 Purine2 的符号计算等思想，直接支持基于Python 的 parameter server 接口，使得代码可以很快向分布式进行迁移。每个模块都进行清晰设计，使得每一部分本身都具有被直接利用的价值。C 接口和静态/动态 Library 使得对于新语言的扩展更加容易，目前支持C++和python 2/3 ，接下来相信会有更多语言支持，并方便其他工具增加深度学习功能。
MXnet的关键特性
轻量级调度引擎
在数据流调度的基础上引入了读写操作调度，并且使得调度和调度对象无关，用以直接有机支持动态计算和静态计算的统一多 GPU 多线程调度，使得上层实现更加简洁灵活。
支持符号计算
MXNet 支持基于静态计算流图符号计算。计算流图不仅使设计复杂网络更加简单快捷，而且基于计算流图，MXNet 可以更加高效得利用内存。同时进一步优化了静态执行的规划，内存需求比原本已经省的 cxxnet 还要少。
混合执行引擎
相比 cxxnet 的全静态执行，minerva 的全动态执行。MXNet采用动态静态混合执行引擎，可以把 cxxnet 静态优化的效率带和 ndarray 动态运行的灵活性结合起来。把高效的 c++ 库更加灵活地和 Python 等高级语言结合在一起。
弹性灵活
在 MShadow C++ 表达式模板的基础上，符号计算和 ndarray 使在 Python 等高级语言内编写优化算法，损失函数和其他深度学习组件并高效无缝支持 CPU/GPU 成为可能。用户无需关心底层实现，在符号和 NDArray 层面完成逻辑即可进行高效的模型训练和预测。
云计算友好
所有数据模型可以从 S3/HDFS/Azure 上直接加载训练。
代码简洁高效
大量使用 C++11 特性，使 MXNet 利用最少的代码实现尽可能最大的功能。用约 11k 行 C++ 代码 (加上注释 4k 行) 实现了以上核心功能。
开源用户和设计文档
MXNet 提供了非常详细的用户文档和设计文档以及样例。所有的代码都有详细的文档注释。并且会持续更新代码和系统设计细节，希望对于广大深度学习系统开发和爱好者有所帮助。
MXnet在公司内的实践
社区活跃度
DMLC (Distributed (Deep) Machine Learning Community) 是国内最大的开源分布式机器学习项目2。DMLC 的相关代码直接托管在 GitHub 中，并采用 Apache2.0 协议进行维护。
MXnet的安装
推荐已编译的方式安装 MXnet，安装的过程分为2步3：
- 从 C++ 源码编译共享库（libmxnet.so for linux，libmxnet.dylib for osx，libmxnet.dll for windows）;
- 安装语言包；
构建共享库依赖
目标是构建共享库文件。
最小构建需求：
- 最新的支持C++ 11的C++编译器，比如g++ >= 4.8，clang
- 一份BLAS库，比如libblas，atlas，openblas，或者 intel mkl
可选库：
- CUDA Toolkit >= v7.0 以运行 nvidia GPUs （需要 GPU 支持 Compute Capability >= 2.0）
- CUDNN 加速 GPU computation (only CUDNN 3 is supported)
- opencv 进行图像的分段 (如果编译安装，需要cmake)
Ubuntu/Debian上构建
安装依赖:
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y build-essential git libatlas-base-dev libopencv-dev
构建MXnet:
git clone --recursive https://github.com/dmlc/mxnet
cd mxnet; make -j$(nproc)
OSX上的构建
安装依赖:
brew update
brew tap homebrew/science
brew info opencv
brew install opencv
构建MXnet:
git clone --recursive https://github.com/dmlc/mxnet
cd mxnet; cp make/osx.mk ./config.mk; make -j$(sysctl -n hw.ncpu)
安装python语言包
进入源码目录编译好的python子目录安装python语言包即可
cd ./python/
sudo python setup.py install
更详细的安装文档参见官网手册。
MXnet基本概念和操作
NDArray
多维的数据结构，提供在 cpu 或者 gpu 上进行矩阵运算和张量计算，能够自动并行计算
NDArray 是 MXnet 中最底层的计算单元，与 numpy.ndarray 非常相似，但是也有 2 点不同的特性：
- 支持多设备
- 所有的操作可以在不同的设备上运行，包括 cpu 和 gpu。
Python
>>> import mxnet as mx
>>> a = mx.nd.empty((2, 3)) # 在cpu0上创建一个2X3的矩阵
>>> b = mx.nd.empty((2, 3), mx.gpu()) # 在gpu0上创建一个2X3的矩阵
>>> c = mx.nd.empty((2, 3), mx.gpu(2)) # 在gpu2上创建一个2X3的矩阵
>>> c.shape # 维度
(2L, 3L)
>>> c.context # 设备信息
gpu(2)
# 其他的初始化方式
>>> a = mx.nd.zeros((2, 3)) # 创建2X3的全0矩阵
>>> b = mx.nd.ones((2, 3)) # 创建2X3的全1矩阵
>>> b[:] = 2 # 所有元素赋值为2
# 不同的设备之间进行数据拷贝
>>> a = mx.nd.ones((2, 3))
>>> b = mx.nd.zeros((2, 3), mx.gpu())
>>> a.copyto(b) # 从cpu拷贝数据到gpu
# NDArray转换为numpy.ndarray
>>> a = mx.nd.ones((2, 3))
>>> b = a.asnumpy()
>>> type(b)
<type 'numpy.ndarray'>
>>> print b
[[ 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1.]]
# numpy.ndarray转换为NDArray
>>> import numpy as np
>>> a = mx.nd.empty((2, 3))
>>> a[:] = np.random.uniform(-0.1, 0.1, a.shape)
>>> print a.asnumpy()
[[-0.06821112 -0.03704893 0.06688045]
[ 0.09947646 -0.07700162 0.07681718]]
# NDArray基本运算
>>> a = mx.nd.ones((2, 3)) * 2
>>> b = mx.nd.ones((2, 3)) * 4
>>> print b.asnumpy()
[[ 4. 4. 4.]
[ 4. 4. 4.]]
>>> c = a + b # 对应元素求和
>>> print c.asnumpy()
[[ 6. 6. 6.]
[ 6. 6. 6.]]
>>> d = a * b # 对应元素求积
>>> print d.asnumpy()
[[ 8. 8. 8.]
[ 8. 8. 8.]]
# 不同设备上的NDArray需要移动到一起才能计算
>>> a = mx.nd.ones((2, 3)) * 2
>>> b = mx.nd.ones((2, 3), mx.gpu()) * 3
>>> c = a.copyto(mx.gpu()) * b
>>> print c.asnumpy()
[[ 6. 6. 6.]
[ 6. 6. 6.]]
# 数据的导出与载入
# 1. 通过pickle导出与载入数据
>>> import mxnet as mx
>>> import pickle as pkl
>>> a = mx.nd.ones((2, 3)) * 2
>>> data = pkl.dumps(a)
>>> b = pkl.loads(data)
>>> print b.asnumpy()
[[ 2. 2. 2.]
[ 2. 2. 2.]]
# 2. 直接保存为二进制文件
>>> a = mx.nd.ones((2,3))*2
>>> b = mx.nd.ones((2,3))*3
>>> mx.nd.save('mydata.bin', [a, b])
>>> c = mx.nd.load('mydata.bin')
>>> print c[0].asnumpy()
[[ 2. 2. 2.]
[ 2. 2. 2.]]
>>> print c[1].asnumpy()
[[ 3. 3. 3.]
[ 3. 3. 3.]]
# 直接保存到分布式文件系统上（s3或hdfs）
>>> mx.nd.save('s3://mybucket/mydata.bin', [a,b])
>>> mx.nd.save('hdfs///users/myname/mydata.bin', [a,b])
- 自动并行计算
不同的操作自动进行并行计算。
Python
a = mx.nd.ones((2,3))
b = a
c = a.copyto(mx.cpu())
a += 1
b *= 3
c *= 3
a += 1可与c *= 3并行计算，因为在不同的设备上，但是a += 1和b *= 3只能相继执行。
Symbol
Symbol使得非常容易定义神经网络，并且能自动求导 以下的范例创建了一个 2 层的感知器网络:
Python
>>> import mxnet as mx
>>> net = mx.symbol.Variable('data')
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=net, name='fc1', num_hidden=128)
>>> net = mx.symbol.Activation(data=net, name='relu1', act_type="relu")
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=net, name='fc2', num_hidden=64)
>>> net = mx.symbol.SoftmaxOutput(data=net, name='out')
>>> type(net)
<class 'mxnet.symbol.Symbol'>
每一个 Symbol 可以绑定一个名字，Variable 通常用来定义输入，其他的 Symbol 有一个参数data以一个Symbol 类型作为输入数据，另外还有其他的超参数num_hidden（隐藏层的神经元数目)，act_type(激活函数的类型)。
Symbol 的作用可以被简单的看成是实现了一个函数，函数的参数名称自动生成，可以通过以下的方式查看:
Python
>>> net.list_arguments()
['data', 'fc1_weight', 'fc1_bias', 'fc2_weight', 'fc2_bias', 'out_label']
我们也可以明确指定这些自动生成的参数的名字:
Python
>>> net = mx.symbol.Variable('data')
>>> w = mx.symbol.Variable('myweight')
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=net, weight=w, name='fc1', num_hidden=128)
>>> net.list_arguments()
['data', 'myweight', 'fc1_bias']
Symbol 可以组合之后，在传入全连接中:
Python
>>> lhs = mx.symbol.Variable('data1')
>>> rhs = mx.symbol.Variable('data2')
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=lhs + rhs, name='fc1', num_hidden=128)
>>> net.list_arguments()
['data1', 'data2', 'fc1_weight', 'fc1_bias']
Symbol 也可以被随后的操作替换:
Python
>>> net = mx.symbol.Variable('data')
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=net, name='fc1', num_hidden=128)
>>> net2 = mx.symbol.Variable('data2')
>>> net2 = mx.symbol.FullyConnected(data=net2, name='net2', num_hidden=128)
>>> composed_net = net(data=net2, name='compose')
>>> composed_net.list_arguments()
['data2', 'net2_weight', 'net2_bias', 'compose_fc1_weight', 'compose_fc1_bias']
一旦定义好了 Symbol，只需要指定输入数据的维度，就可以推算出各级中间参数的维度:
Python
>>> net = mx.symbol.Variable('data')
>>> net = mx.symbol.FullyConnected(data=net, name='fc1', num_hidden=10)
>>> arg_shape, out_shape, aux_shape = net.infer_shape(data=(100, 100))
>>> dict(zip(net.list_arguments(), arg_shape))
{'data': (100, 100), 'fc1_weight': (10, 100), 'fc1_bias': (10,)}
>>> out_shape
[(100, 10)]
接下来通过绑定变量，就可以执行实际的运算了:
Python
>>> # 定义计算图
>>> A = mx.symbol.Variable('A')
>>> B = mx.symbol.Variable('B')
>>> C = A * B
>>> a = mx.nd.ones(3) * 4
>>> b = mx.nd.ones(3) * 2
>>> # 绑定变量到Symbol
>>> c_exec = C.bind(ctx=mx.cpu(), args={'A' : a, 'B': b})
>>> # 进行前向计算
>>> c_exec.forward()
>>> c_exec.outputs[0].asnumpy()
[ 8. 8. 8.]
KVStore
KVStore 实现了在多个运算器之间，或者在多台计算机之间的数据同步 通过create可以对 kvstore 进行简单的初始化:
Python
>>> kv = mx.kv.create('local') # 创建一个本地的kvstore
>>> shape = (2,3)
>>> kv.init(3, mx.nd.ones(shape)*2)
>>> a = mx.nd.zeros(shape)
>>> kv.pull(3, out = a)
>>> print a.asnumpy()
[[ 2. 2. 2.]
[ 2. 2. 2.]]
初始化后，可以通过相同的 key 进行数值更新:
Python
>>> kv.push(3, mx.nd.ones(shape)*8)
>>> kv.pull(3, out = a) # 取出值
>>> print a.asnumpy()
[[ 8. 8. 8.]
[ 8. 8. 8.]]
push的数据可以在任何设备上，此外，可以在同一个 key 上传递多个值，KVStore 会对多个值求和，push聚合后的值:
Python
>>> gpus = [mx.gpu(i) for i in range(4)]
>>> b = [mx.nd.ones(shape, gpu) for gpu in gpus]
>>> kv.push(3, b)
>>> kv.pull(3, out = a)
>>> print a.asnumpy()
[[ 4. 4. 4.]
[ 4. 4. 4.]]
KVStore 对每次push进来的值做的默认行为是ASSIGN，这个行为可以被自定义的行为替换:
Python
>>> def update(key, input, stored):
>>> print "update on key: %d" % key
>>> stored += input * 2
>>> kv._set_updater(update)
>>> kv.pull(3, out=a)
>>> print a.asnumpy()
[[ 4. 4. 4.]
[ 4. 4. 4.]]
>>> kv.push(3, mx.nd.ones(shape))
update on key: 3
>>> kv.pull(3, out=a)
>>> print a.asnumpy()
[[ 6. 6. 6.]
[ 6. 6. 6.]]
同push类似，通过一次调用，我们也可以将值同时pull到多个设备上:
Python
>>> b = [mx.nd.ones(shape, gpu) for gpu in gpus]
>>> kv.pull(3, out = b)
>>> print b[1].asnumpy()
[[ 6. 6. 6.]
[ 6. 6. 6.]]
除了单个 key-value 的存储，KVStrore 还提供了批量的接口:
Python
# 针对单个设备
>>> keys = [5, 7, 9]
>>> kv.init(keys, [mx.nd.ones(shape)]*len(keys))
>>> kv.push(keys, [mx.nd.ones(shape)]*len(keys))
update on key: 5
update on key: 7
update on key: 9
>>> b = [mx.nd.zeros(shape)]*len(keys)
>>> kv.pull(keys, out = b)
>>> print b[1].asnumpy()
[[ 3. 3. 3.]
[ 3. 3. 3.]]
# 针对多个设备
>>> b = [[mx.nd.ones(shape, gpu) for gpu in gpus]] * len(keys)
>>> kv.push(keys, b)
update on key: 5
update on key: 7
update on key: 9
>>> kv.pull(keys, out = b)
>>> print b[1][1].asnumpy()
[[ 11. 11. 11.]
[ 11. 11. 11.]]
MXnet体验
以下借助 MXnet 实现了一个简单的单变量线性回归程序：
Python
import mxnet as mx
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 定义输入数据
X_data = np.linspace(-1, 1, 100)
noise = np.random.normal(0, 0.5, 100)
y_data = 5 * X_data + noise
# Plot 输入数据
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
ax.scatter(X_data, y_data)
# 定义mxnet变量
X = mx.symbol.Variable('data')
Y = mx.symbol.Variable('softmax_label')
# 定义网络
Y_ = mx.symbol.FullyConnected(data=X, num_hidden=1, name='pre')
loss = mx.symbol.LinearRegressionOutput(data=Y_, label=Y, name='loss')
# 定义模型
model = mx.model.FeedForward(
ctx=mx.cpu(),
symbol=loss,
num_epoch=100,
learning_rate=0.001,
numpy_batch_size=1
)
# 训练模型
model.fit(X=X_data, y=y_data)
# 预测
prediction = model.predict(X_data)
lines = ax.plot(X_data, prediction, 'r-', lw=5)
plt.show()
总结
MXnet 是个深度学习的框架，支持从单机到多GPU、多集群的计算能力。MXnet 真正厉害之处在于可以结合命令式编程和符号式编程两种风格。此外，MXnet 安装相对简单，社区活跃，文档虽然还不完善，好在易读易懂，代码也相对丰富，还是很容易上手的。
参考资料
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