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带你从零实现一个高性能的深度学习推理库，Implement a high-performance deep learning inference library step by step

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WintersMontagne10335/KuiperInfer

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KuiperInfer

从零自制深度学习推理框架，学会深度学习框架背后的知识，学会怎么上手一个中等规模的C++项目。对于以后的面试和求职都是一个不错的项目哦！

项目整体风格和结构都具有C++项目的现代感，供大家学习参考。

视频课程链接：https://space.bilibili.com/1822828582

项目贡献

贡献者列表

感谢以下同学对Kuiperinfer的付出

如何参与项目贡献？

  1. 提交代码增加新功能或修改bug；
  2. 提出特别有用的建议；
  3. 完善文档或增加单元测试。

本项目和视频课程的关系

  • 本项目相当于课程的上游或者预研项目

  • 这里的每一个功能都有可能成为视频课程中的知识点，无论是我开发的还是其他同学完善的。

功能Needed

  1. 优化任意一个算子
  2. 优化框架的其他推理流程
  3. 增加算子的量化功能

课程学习群

请注明来意，我会拉你进群

课程大纲

我在b站上开了一门教学课程，目前是课程的前13次课程。课程大纲如下，主页是: https://space.bilibili.com/1822828582 , 欢迎大家关注支持。进学习群的方式如上图的二维码。

课程节数 主要内容 进度 课程链接
第一次课 整体框架解读和开发环境配置 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HV4y1A7H8/
第二次课 张量Tensor类的解析和输入数据的内存排布 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Ed4y1v7Gb/
第三次课 从CSV文件中初始化张量Tensor一个实例 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Pg411J7V5/
第四次课 手写第一个算子Relu并完成算子注册工厂类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1bG4y1J7sQ/
第五次课 Im2col的原理和卷积算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第六次课 照猫画虎，完成MaxPooling算子 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1m3411S7yy
第七次课 图结构(PNNX)讲解和计算图初步 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1VW4y1V7vp
第八次课 读取PNNX并构建自己的计算图 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HY4y1Z7S3
第九次课 卷积算子的实现和im2col加速计算的原理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第十次课 再探Tensor类，构建计算图的图关系以及对算子的输入输出预分配 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1M54y1K7AG
第十一次课 算子的执行流程 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1wY411C7Kv
第十二次课 用我们自制的推理框架完成ResNet网络的推理和图片的分类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1jD4y1M772
第十三次课 用自制的推理框架支持Yolov5模型的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1xs4y1J7t2

使用的技术和开发环境

  • 开发语言：C++ 17
  • 数学库：Armadillo + OpenBlas(或者更快的Intel MKL)
  • 加速库：OpenMP
  • 单元测试：Google Test
  • 性能测试：Google Benchmark

安装过程(使用Docker)

  1. docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest
  2. sudo docker run -t -i registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest /bin/bash
  3. cd code
  4. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  5. cd KuiperInfer
  6. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.02 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  7. mkdir build
  8. cd build
  9. cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DDEVELOPMENT=OFF ..
  10. make -j16

Tips:

  1. 如果需要对KuiperInfer进行开发，请使用 git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git 同时下载子文件夹tmp, 并在cmake文件中设置$DEVELOPMENT或者指定-DDEVELOPMENT=ON
  2. 如果国内网速卡顿，请使用 git clone https://gitee.com/fssssss/KuiperInferGitee.git
  3. 如果想获得更快地运行体验，请在本机重新编译openblas或apt install intel-mkl

安装过程(不使用docker)

  1. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  2. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.01 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  3. 安装必要环境(openblas推荐编译安装，可以获得更快的运行速度，或者使用apt install intel-mkl替代openblas)
 apt install cmake, openblas-devel, lapack-devel, arpack-devel, SuperLU-devel
  1. 下载并编译armadillo https://arma.sourceforge.net/download.html
  2. 编译安装glog\google test\google benchmark
  3. 余下步骤和上述一致

Tips:

  1. google benchmark编译过程中，如果遇到关于gtest缺失的报错，可以在google benchmark的cmake中关闭gtest选项

如何运行Yolov5的推理

请在demos文件夹下的yolo_test.cpp文件夹中以下代码进行修改

const std::string& image_path = "imgs/car.jpg";
const std::string& param_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.param";
const std::string& bin_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.bin";

  • image_path指定图像目录，param_path为模型的参数文件，bin_path为模型的权重文件，请替换为自己本地的路径。

  • 模型定义和权重下载地址如下： https://cowtransfer.com/s/9bc43e0905cb40

  • 编译完成后，在项目目录调用 ./build/demos/yolo_test

效果图

output0

已经支持的算子

总体理念：逐步优化已经有的算子；有需要的时候再对未实现的算子进行开发

  • Convolution
  • AdaptivePooling
  • MaxPooling
  • Expression(抽象语法树)
  • Flatten, View(维度展平和变形)
  • Sigmoid
  • HardSigmoid
  • HardSwish
  • ReLU
  • Linear(矩阵相乘)
  • Softmax
  • BatchNorm
  • Upsample
  • SiLU
  • Concat

目录

source是源码目录

  1. data/ 是张量类Tensor的实现和Tensor初始化方法
  2. layer/ 是算子的实现
  3. parser/ 是Pnnx表达式的解析类
  4. runtime/ 是计算图结构，解析和运行时相关

test是单元测试目录，基本做到public方法单元测试权覆盖

bench是google benchmark, 包含对MobilenetV3, Resnet18和yolov5s的性能测试。

性能测试

测试设备

15 核心的AMD EPYC 7543(霄龙) 32-Core Processor (Docker 容器，宿主机共有32核心)

编译环境

gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0

性能结果

耗时通过连续五次运行,并以求平均的方式计算

input size 模型名称 计算设备 耗时
224×224 batch = 8 MobileNetV3Small CPU(armadillo + openblas) 6.76ms / image
224×224 batch = 8 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 23.53ms / image
224×224 batch =16 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 13.52ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5nano CPU(armadillo + openblas) 78.37ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 177.54ms / image
640×640 batch = 16 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 134.57ms / image

致谢

推理框架NCNN，已经在借鉴的代码中保留了NCNN的BSD协议 https://github.com/Tencent/ncnn

优秀的数学库Openblas: https://github.com/xianyi/OpenBLAS

优秀的数学库Armadillo: https://arma.sourceforge.net/docs.html

给予我灵感的Caffe框架: https://github.com/BVLC/caffe

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