Paddle-Mobile

简介

使用方法

目前有两种 C++ 接口可以实现 mobile 预测:

  • CxxConfig: 完整功能预测接口

  • MobileConfig: 专用于移动端的轻量级接口

对应的 Java 接口也有两种:

  • loadCxxModel: 完整功能预测接口

  • loadMobileModel: 专用于移动端的轻量级接口

前者输入原始预测模型,并执行相应的计算图优化后,实现高性能预测;后者输入计算图优化之后的模型,直接执行相关计算。

Java Basics

编译

Java 接口需要在 cmake 选项中同时打开 DWITH_LITE, DLITE_WITH_JAVA, DLITE_WITH_ARM。 例如:

# ARM_TARGET_OS in "android" , "armlinux"
# ARM_TARGET_ARCH_ABI in "armv8", "armv7" ,"armv7hf"
# ARM_TARGET_LANG in "gcc" "clang"
mkdir -p build.lite.android.arm8.gcc
cd build.lite.android.arm8.gcc

cmake .. \
  -DWITH_GPU=OFF \
  -DWITH_MKL=OFF \
  -DWITH_LITE=ON \
  -DLITE_WITH_JAVA=ON \
  -DLITE_WITH_CUDA=OFF \
  -DLITE_WITH_X86=OFF \
  -DLITE_WITH_ARM=ON \
  -DLITE_WITH_LIGHT_WEIGHT_FRAMEWORK=ON \
  -DWITH_TESTING=ON \
  -DARM_TARGET_OS=android -DARM_TARGET_ARCH_ABI=armv8 -DARM_TARGET_LANG=gcc

make -j4

make 成功后,Linux下会生成动态库文件 paddle/fluid/lite/api/android/jni/libpaddle_lite_jni.so( Mac 下为 libpaddle_lite_jni.jnilib, Windows 下为libpaddle_lite_jni.dll )该动态库即 Java JNI ( Java Native Interface ) 所需要的 C++ 接口动态链接库,下面例子中我们将使用 Linux 下 libpaddle_lite_jni.so 为例。同时,也会在同一个文件夹下生成 PaddlePredictor.jar

Android 程序构建

在我们的库中,Java 代码库被放在 paddle/fluid/lite/api/android/jni/src 中,具体有两个classes:

com.baidu.paddle.lite.PaddlePredictor com.baidu.paddle.lite.Place

你可以将其打包成 .jar 或者直接使用 Java 源代码接口。如果要使用 .jar,我们上节编译中生成的 .jar 也可以直接使用。

请将 JNI 动态链接库放在 Android Studio 代码 jniLibs 文件夹对应的体系结构文件夹下。例如要在 arm8 架构的手机,就 在 src/main/jniLibs/arm8 文件夹下放置 libpaddle_lite_jni.so,文件路径如果不存在请创建。

接下来,我们将具体介绍PaddlePredictor.java 和 Place.java

代码接口 Place

Paddle 预测中,为了便于管理不同的硬件及kernel 的其他实现细节,定义如下四个信息:

  • Target: 具体的硬件空间,比如 ARM 表示 ARM CPU,OPEN_CL 表示 OpenCL

  • DataLayout: Tensor 中的数据排布,目前有 NCHW

  • Precison: kernel 的计算精度,或者 Tensor 的存储类型,目前有 FLOAT, INT8

  • Device: 硬件的 device id,可以是 0 开始的整数

前三个为Java enum,最后一个为整型。相关定义如下

public enum TargetType {
  UNKNOWN(0), HOST(1), X86(2), CUDA(3), ARM(4), OPEN_CL(5), ANY(6);
}
public enum PrecisionType {
  UNKNOWN(0), FLOAT(1), INT8(2), INT32(3), ANY(4);
}
public enum DataLayoutType {
  UNKNOWN(0), NCHW(1), ANY(2);
}

而 Place 就是这四个信息的整合,其数据结构为

public class Place {
  public TargetType target;
  public PrecisionType precision;
  public DataLayoutType layout;
  public int device;
};

Place 用于标记Kernel 的主要计算模式,比如place.precision=INT8 的 kernel 表示为 Int8量化的 kernel。Place 暴露给用户,用户帮助指定模型硬件及量化等模式。

代码接口 PaddlePredictor

PaddlePredictor 提供的 methods 都是 native static methods。整体上运行的思路为 载入模型 -> 设置输入 -> 运行模型 -> 获取输出/存储运行后优化的模型 -> 清理掉载入的模型

我们将介绍各个步骤的主要功能,具体接口的参数和返回值请见Javadoc:

  1. 载入模型:

    // 载入没有优化过的原始模型,用户可以设置期望的 Place 和可选的 Place 
    public static native boolean loadCxxModel(String modelPath, Place preferredPlace, Place[] validPlaces); 
    
    // 载入没有优化过的原始模型,用户可以设置期望的 Place 和可选的 Place 
    public static native boolean loadMobileModel(String modelPath);
    
  2. 设置输入

    // 设置第 offest (从0开始)输入的维度和float数据
    public static native boolean setInput(int offset, int[] dims, float[] buf);
    
    // 设置第 offest (从0开始)输入的维度和byte数据 (在c++端为int8)
    public static native boolean setInput(int offset, int[] dims, byte[] buf);
    
  3. 运行模型

    // 运行模型
    public static native boolean run();
    
  4. 获取输出

    // 获取第 offset (从0开始)的 float 输出
    public static native float[] getFloatOutput(int offset);
    // 获取第 offset (从0开始)的 byte 输出
    public static native byte[] getByteOutput(int offset);
    // 指定名字获取 Var 的 float 输出
    public static native float[] fetchFloat(String name);
    // 指定名字获取 Var 的 byte 输出
    public static native byte[] fetchByte(String name);
    
  5. 存储运行后优化的模型

    public static native boolean saveOptimizedModel(String modelPath);
    
  6. 清理掉载入的模型

    public static native boolean clear();
    

使用示例如下:

String modelPath = "lite_naive_model"; // 用户定义的模型路径

// 用户自定义的输入,例子里是 100 * 100 的 float
float[] inputBuffer = new float[10000];
for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
inputBuffer[i] = i;
}
int[] dims = {100, 100};

// Cxx Model 设定 Place
Place preferredPlace = new Place(Place.TargetType.X86, Place.PrecisionType.FLOAT);
Place[] validPlaces = new Place[2];
validPlaces[0] = preferredPlace;
validPlaces[1] = new Place(Place.TargetType.ARM, Place.PrecisionType.FLOAT);

// 载入模型
PaddlePredictor.loadCxxModel(modelPath, preferredPlace, validPlaces);
// 设置输入
PaddlePredictor.setInput(0, dims, inputBuffer);
// 运行Predictor
PaddlePredictor.run();
// 获取输出
float[] cxxOutput = PaddlePredictor.getFloatOutput(0);
// 保持优化后的模型在新路径
String optimizedModelPath = modelPath + ".opt";
PaddlePredictor.saveOptimizedModel(optimizedModelPath);
// 清除已载入的模型
PaddlePredictor.clear();

// Mobile Model 载入优化后的模型
PaddlePredictor.loadMobileModel(optimizedModelPath);
// 设置输入
PaddlePredictor.setInput(0, dims, inputBuffer);
// 运行
PaddlePredictor.run();
// 获取输出
float[] mobileOutput = PaddlePredictor.getFloatOutput(0);

C++ Basics

在使用前,有几个基本概念:

Place

Place 在 C++ 中概念与 Java 相同,为了便于管理不同的硬件及kernel 的其他实现细节,定义如下四个信息:

  • Target: 具体的硬件空间,比如 kARM 表示 ARM CPU,kOpenCL 表示 OpenCL

  • DataLayout: Tensor 中的数据排布,目前有 kNCHW

  • Precison: kernel 的计算精度,或者 Tensor 的存储类型,目前有 kFloat, kInt8

  • Device: 硬件的 device id,可以是0开始的整数

前三个为结构体,最后一个为整型。相关定义如下

enum class TargetType : int {
  kUnk = 0,
  kHost,
  kX86,
  kCUDA,
  kARM,
  kOpenCL,
  kAny,  // any target
  NUM,   // number of fields.
};
enum class PrecisionType : int {
  kUnk = 0,
  kFloat,
  kInt8,
  kInt32,
  kAny,  // any precision
  NUM,   // number of fields.
};
enum class DataLayoutType : int {
  kUnk = 0,
  kNCHW,
  kAny,  // any data layout
  NUM,   // number of fields.
};

而 Place 就是这四个信息的整合,其数据结构为

struct Place {
  TargetType target{TARGET(kUnk)};
  PrecisionType precision{PRECISION(kUnk)};
  DataLayoutType layout{DATALAYOUT(kUnk)};
  int16_t device{0};  // device ID
};

Place 用于标记Kernel 的主要计算模式,比如place.precision=kInt8 的 kernel 表示为 Int8量化的 kernel。Place 暴露给用户层,用户帮助指定模型执行的硬件及量化等执行模式。

Config

预测接口使用的第一步是执行 CreatePaddlePredictor(config) 接口创建一个 predictor,具体的 config 目前有多个选择,对应着也会模板特化出不同的 predictor以适应不同的场景。

模板接口如下

template <typename ConfigT>
std::shared_ptr<PaddlePredictor> CreatePaddlePredictor(const ConfigT&);

接下来会详细介绍两种 Config: CxxConfigMobileConfig.

CxxConfig 及对应 Predictor

接口如下:

  • set_model_dir(const std::string& x) 设置模型路径(目前只支持 __model__ + params 两个文件的模型格式)

  • set_preferred_place(const Place& x) 设置期望的执行 Place

  • set_valid_places(const std::vector<Place>& x)设置可选的 Place

valid_places 用于设置模型可执行的 Place 范围,底层会根据place 信息挑选出具体的硬件执行 kernel,而preferred_place 用于指定 valid_places 中最优先执行的 Place,从而使对应 place 的 kernel 更优先被选择.

比如,要执行 ARM FP32 量化预测,可以设置

CxxConfig config;
config.set_model_dir("xxx");  // model_dir 为必须选项
// 设置有效的Place信息
config.set_valid_places({Place{TARGET(kARM), PRECISION(kFloat)}});
// 当每个Op有多个kernel可选择的时候,优先选择preferred_place可运行的kernel。
config.set_preferred_place(Place{TARGET(kARM), PRECISION(kInt8)});

创建完 config 之后可以继续获得 predictor 来执行预测

auto predictor = CreatePaddlePredictor(config);

获取模型的输入和输出 tensor 以填充或获取数据。

这里的 Tensor 都是 handle,用户最好复用。

auto x_tensor = predictor->GetInput(0/*index*/);
// 这里的 0 表示输入序列的 offset,具体的顺序由训练中 save_inference_model 存储决定
// 注意,这里的 x_tensor 是一个 unique_ptr,也就是一个对应的 handle,用户可以在每个 batch 都复用
// 这个 handle.
auto out_tensor = predictor->GetOutput(0/*index*/);
// 这里 out_tensor 是只读的

这里的 Tensor 提供了用户需要的详细的信息,其定义如下,用户可以自由使用其他接口

struct Tensor {
  void Resize(const shape_t& shape);

  /// Readonly data.
  template <typename T>
  const T* data() const;

  template <typename T>
  T* mutable_data() const;

  /// Shape of the tensor.
  shape_t shape() const;
};

接着上面例子,x_tensor 是第0 个输入的 Tensor,是可写的。 可以类似如下方式准备输入

// 指定 batch_size=10, 其余维度为 200, 30
// 注意,这里的维度需要参考实际模型做修改
x_tensor->Resize({10, 200, 30});
// Resize 更新 shape 后,调用 mutable_data 来实际分配内存
auto x_data = x_tensor->mutable_data<float>();
// 可以随意修改 x_data 的输入,比如 memcpy(x_data, some_data, some_size);

模型可能有多个输入,如上类似 x_tensor ,调用 GetInput(i) 获得其余 tensor 并修改。

输入准备完毕,就可以执行预测:

// 执行模型的预测,模型会基于前面设定的 input tensor,执行模型计算,并填充 output tensor
predictor->Run();

执行完毕,可以获取 output tensor 的数据

// 获得 output tensor 的 shape
auto out_shape = out_tensor->shape();

// 获得具体的 data,是一块连续的 memory
const auto* out_data = out_tensor->data<float>();

MobileConfig

MobileConfig 基本用法类似于 CxxConfig ,具体区别是

  • CxxConfig 会执行完整的预测,包括图分析等较重的逻辑

    • 输入为原始的预测模型,无需做离线处理

    • 可以将图分析优化完的模型存储下来(借助 SaveOptimizedModel 接口),用于 MobileConfig

  • MobileConfig 考虑到手机应用的空间及初始化时长的限制,阉割掉图分析的能力,只执行预测本身

    • 更轻量级

    • 输入模型必须为图分析优化完的模型 (借助 CxxConfig 作离线处理)

由于 MobileConfig 的输入模型必须为优化完的模型,相应的 Kernel 的 Place 由输入模型决定,因此没有 CxxConfig 中 指定Place的接口,目前只有指定模型路径的接口:

  • void set_model_dir(const std::string& x)

使用 MobileConfig 的其余步骤 与CxxConfig 完全一致。

GenCode 功能介绍

Mobile 支持将模型和预测库结合,转化为 C++代码,进而融合成一个链接库,在设备上执行paddle_code_generator 及相应参数便可转化。

INT8量化预测

Paddle-Mobile支持对PaddleSlim中量化训练得到的模型的预测。

其中使用方法如下:

CxxConfig config;
config.set_model_dir("xxx");  // model_dir 为必须选项
// 由于 ARM Int8 模式只包括 Conv,MUL 等少数量化 kernel,因此需要一并选择上 Float 的 kernel
config.set_valid_places({Place{TARGET(kARM), PRECISION(kInt8)},  // Int8 计算 kernel
                         Place{TARGET(kARM), PRECISION(kFloat)}  // Float 也需要选择以补充
                        });
// 上面同时选择了 kInt8 和 kFloat 两类模式的 kernel,下面设置 kInt8 的 kernel 为优先选择
config.set_preferred_place(Place{TARGET(kARM), PRECISION(kInt8)});

目前该功能已在Mobilenetv1上进行了验证,并且还在持续开发中。

源码编译

ARM CPU

当前ARM 上可以支持arm v8和v7的交叉编译。环境可以直接使用paddle/fluid/lite/tools/Dockerfile.mobile生成docker镜像。

  • 主要的cmake选项

    • ARM_MATH_LIB_DIR 代表arm相关数学库的路径,可以从官网指定路径下载。

    • ARM_TARGET_OS 代表目标操作系统, 目前支持 “android” “armlinux”, 默认是Android

    • ARM_TARGET_ARCH_ABI 代表ARCH,支持输入”armv8”和”armv7”,针对OS不一样选择不一样。

      • -DARM_TARGET_OS="android"

        • “armv8”, 等效于 “arm64-v8a”。 default值为这个。

        • “armv7”, 等效于 “armeabi-v7a”。

      • -DARM_TARGET_OS="armlinux"

        • “armv8”, 等效于 “arm64”。 default值为这个。当前仅支持这个输入。

    • ARM_TARGET_LANG 代表目标编译的语言, 默认为gcc,支持 gcc和clang两种。

  • 参考示例

    # ARM_TARGET_OS in "android" , "armlinux"
    # ARM_TARGET_ARCH_ABI in "armv8", "armv7" ,"armv7hf"
    # ARM_TARGET_LANG in "gcc" "clang"
    cmake .. \
        -DWITH_GPU=OFF \
        -DWITH_MKL=OFF \
        -DWITH_LITE=ON \
        -DLITE_WITH_CUDA=OFF \
        -DLITE_WITH_X86=OFF \
        -DLITE_WITH_ARM=ON \
        -DLITE_WITH_LIGHT_WEIGHT_FRAMEWORK=ON \
        -DARM_MATH_LIB_DIR="<to_arm_math_libs_path>" \
        -DWITH_TESTING=ON \
        -DARM_TARGET_OS="android" -DARM_TARGET_ARCH_ABI="armv8" -DARM_TARGET_LANG="gcc"
    make -j4
    

OpenCL

Paddle-Mobile支持在Android系统上运行基于OpenCL的程序,目前提供armv8和armv7的交叉编译。

编译

  • 编译环境: 使用paddle/fluid/lite/tools/Dockerfile.mobile生成docker镜像。

  • cmake编译选型介绍

    • ARM_TARGET_OS 代表目标操作系统, 目前仅支持 “android”, 亦为默认值。

    • ARM_TARGET_ARCH_ABI 代表ARCH,支持输入”armv8”和”armv7”。其中,”armv8”, 等效于 “arm64-v8a”,亦为默认值;”armv7”, 等效于 “armeabi-v7a”。

    • ARM_TARGET_LANG 代表目标编译的语言, 默认为gcc,支持 gcc和clang两种。

  • 参考示例

    # ARM_TARGET_OS in "android"
    # ARM_TARGET_ARCH_ABI in "armv8", "armv7" ,"armv7hf"
    # ARM_TARGET_LANG in "gcc" "clang"
    # 假设我们处于源码根目录下
    mkdir build_opencl && cd build_opencl
    cmake .. \
        -DLITE_WITH_OPENCL=ON \
        -DWITH_GPU=OFF \
        -DWITH_MKL=OFF \
        -DWITH_LITE=ON \
        -DLITE_WITH_CUDA=OFF \
        -DLITE_WITH_X86=OFF \
        -DLITE_WITH_ARM=ON \
        -DLITE_WITH_LIGHT_WEIGHT_FRAMEWORK=ON \
        -DWITH_TESTING=ON \
        -DARM_TARGET_OS="android" -DARM_TARGET_ARCH_ABI="armv8" -DARM_TARGET_LANG="gcc"
    # 完整编译
    make -j4
    # 或者我们也可以make某一target文件
    make test_mobilenetv1_lite -j4
    make test_cl_runtime -j4
    make test_elementwise_add_opencl -j4
    make test_pool_opencl -j4
    

运行

  • 运行文件准备

使用如下命令将运行OpenCL程序时需要加载的文件push到手机端(假设我们处于源码根目录下):

# 我们将文件统一push到/data/local/tmp/opencl目录下
adb shell mkdir -p /data/local/tmp/opencl
# 将OpenCL的kernels文件push到/data/local/tmp/opencl目录下
adb push paddle/fluid/lite/opencl/cl_kernel /data/local/tmp/opencl
# 将mobilenet_v1的模型文件push到/data/local/tmp/opencl目录下
adb push build_opencl/third_party/install/mobilenet_v1 /data/local/tmp/opencl
# 将OpenCL测试程序(如test_mobilenetv1_lite) push到/data/local/tmp/opencl目录下
adb push paddle/fluid/lite/api/test_mobilenetv1_lite /data/local/tmp/opencl
  • 运行OpenCL程序

使用如下命令运行OpenCL程序。其中,--cl_path指定了OpenCL的kernels文件即cl_kernel所在目录, --modle_dir指定了模型文件所在目录。

adb shell
cd /data/local/tmp/opencl && ./test_mobilenetv1_lite --cl_path=. --model_dir=mobilenet_v1