创建运算

注:为确保您的 C++ 自定义运算与 TensorFlow 的官方 pip 软件包 ABI 兼容,请遵循自定义运算仓库中的指南。指南包含端到端代码示例以及用于构建和分发自定义运算的 Docker 镜像。

如果您想创建的运算不在现有 TensorFlow 库的涵盖范围内,我们建议您首先尝试以现有 Python 运算或函数组合的形式使用 Python 编写该运算。如果无法做到这一点,则可以创建自定义 C++ 运算。由于以下几点原因,您可能希望创建自定义 C++ 运算:

  • 无法轻易或根本无法将您的运算表示为现有运算的组合。
  • 将您的运算表示为现有基元的组合并不高效。
  • 您想以手动方式融合未来的编译器难以融合的基元组合。

例如,假设您想要实现诸如“中值池化”之类的功能,与“MaxPool”算子类似,但需要计算滑动窗口期间的中值而不是最大值。可以使用运算组合来实现这一目的(例如,使用 ExtractImagePatches 和 TopK),但在性能或内存效率方面可能不如原生运算那样出色,对于原生运算,您可以利用单个融合运算实现更巧妙的过程。和往常一样,通常有必要首先尝试使用算子组合来表示您想要的运算,只有在这被证实难以实现或效率低下时,才选择添加新运算。

要整合自定义运算,您需要执行以下操作:

  1. 在 C++ 文件中注册新运算。运算注册会定义运算功能的接口(规范),此接口与运算的实现无关。例如,运算注册会定义运算的名称及运算的输入和输出,还会定义用于张量形状推理的形状函数。
  2. 使用 C++ 实现运算。运算的实现称为内核,它是您在第 1 步中注册的规范的具体实现。可以有多个内核用于不同的输入/输出类型或架构(例如,CPU、GPU)。
  3. 创建一个 Python 包装器(可选)。此包装器是用于以 Python 创建运算的公共 API。默认包装器根据运算注册生成,用户可以直接使用它或向其中添加内容。
  4. 编写一个函数来计算运算的梯度(可选)。
  5. 测试运算。为方便起见,我们通常在 Python 中进行测试,但您也可以在 C++ 中测试运算。如果您要定义梯度,可以使用 Python tf.test.compute_gradient_error 验证梯度。要了解如何测试 ReLu 之类的算子及其梯度的前向函数,请参见 relu_op_test.py

前提条件

定义运算接口

您可以通过将接口注册到 TensorFlow 系统来定义运算的接口。在注册中,您需要指定运算的名称、输入(类型和名称)和输出(类型和名称),以及文档字符串和该运算可能需要的任意特性

要了解这一过程的工作原理,假设您想要创建一个接受 int32 张量并输出该张量副本(将第一个元素之外的所有其他元素都设置为零)的运算。为此,请先创建一个名为 zero_out.cc 的文件,然后添加对 REGISTER_OP 宏的调用,该宏可以定义运算的接口:

#include "tensorflow/core/framework/op.h"
#include "tensorflow/core/framework/shape_inference.h"

using namespace tensorflow;

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Input("to_zero: int32")
    .Output("zeroed: int32")
    .SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
      c->set_output(0, c->input(0));
      return Status::OK();
    });

ZeroOut 运算会将一个包含 32 位整数的张量 to_zero 作为输入,并输出一个包含 32 位整数的张量 zeroed。该运算还使用形状函数来确保输出张量与输入张量的形状相同。例如,如果输入是形状为 [10, 20] 的张量,则此形状函数会指定输出形状也是 [10, 20]。

注:运算名称必须采用驼峰命名法,并且对于在二进制文件中注册的所有其他运算,该名称必须唯一。

实现运算的内核

在定义接口后,您需要为运算提供一个或多个实现。要创建其中一个内核,请先创建一个扩展 OpKernel 并重写 OpKernel 方法的类。Compute 方法提供了一个类型为 OpKernelContext*context 参数,您可以从中访问输入张量和输出张量等有用信息。

将内核添加到您在上面创建的文件中。内核可能如下所示:

#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"

using namespace tensorflow;

class ZeroOutOp : public OpKernel {
 public:
  explicit ZeroOutOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {}

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // Grab the input tensor
    const Tensor& input_tensor = context->input(0);
    auto input = input_tensor.flat<int32>();

    // Create an output tensor
    Tensor* output_tensor = NULL;
    OP_REQUIRES_OK(context, context->allocate_output(0, input_tensor.shape(),
                                                     &output_tensor));
    auto output_flat = output_tensor->flat<int32>();

    // Set all but the first element of the output tensor to 0.
    const int N = input.size();
    for (int i = 1; i < N; i++) {
      output_flat(i) = 0;
    }

    // Preserve the first input value if possible.
    if (N > 0) output_flat(0) = input(0);
  }
};

实现内核后,您需要将其注册到 TensorFlow 系统。在注册中,您要指定此内核将在哪些不同约束下运行。例如,您可能有一个面向 CPU 的内核,以及一个面向 GPU 的内核。

要针对 ZeroOut 运算执行此操作,请将以下代码添加到 zero_out.cc 中:

REGISTER_KERNEL_BUILDER(Name("ZeroOut").Device(DEVICE_CPU), ZeroOutOp);

重要提示:您的 OpKernel 的实例可能会被同时访问。Compute 方法必须为线程安全。使用互斥保护对类成员的任何访问。或者,最好不要通过类成员共享状态!请考虑使用 ResourceMgr 来跟踪运算状态。

多线程 CPU 内核

要编写多线程 CPU 内核,可以使用 work_sharder.h 中的 Shard 函数。此函数会在配置为用于运算内线程的线程之间对计算函数进行分片(请参见 config.proto 中的 intra_op_parallelism_threads)。

GPU 内核

GPU 内核分为两部分实现:OpKernel 内核和 CUDA 内核及其启动代码。

有时,OpKernel 实现在 CPU 和 GPU 内核之间很常见,例如检查输入和分配输出。在这种情况下,建议的实现是:

  1. 定义在设备上模板化的 OpKernel 和张量的基元类型。
  2. 要对输出进行实际计算,Compute 函数会调用模板化仿函数结构体。
  3. 针对 CPUDevice 的仿函数特殊版本在同一文件中定义,但针对 GPUDevice 的仿函数特殊版本在 .cu.cc 文件中定义,因为它将使用 CUDA 编译器进行编译。

下面是一个示例实现。

// kernel_example.h
#ifndef KERNEL_EXAMPLE_H_
#define KERNEL_EXAMPLE_H_

template <typename Device, typename T>
struct ExampleFunctor {
  void operator()(const Device& d, int size, const T* in, T* out);
};

#if GOOGLE_CUDA
// Partially specialize functor for GpuDevice.
template <typename T>
struct ExampleFunctor<Eigen::GpuDevice, T> {
  void operator()(const Eigen::GpuDevice& d, int size, const T* in, T* out);
};
#endif

#endif KERNEL_EXAMPLE_H_
// kernel_example.cc
#include "kernel_example.h"
#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"

using namespace tensorflow;

using CPUDevice = Eigen::ThreadPoolDevice;
using GPUDevice = Eigen::GpuDevice;

// CPU specialization of actual computation.
template <typename T>
struct ExampleFunctor<CPUDevice, T> {
  void operator()(const CPUDevice& d, int size, const T* in, T* out) {
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
      out[i] = 2 * in[i];
    }
  }
};

// OpKernel definition.
// template parameter <T> is the datatype of the tensors.
template <typename Device, typename T>
class ExampleOp : public OpKernel {
 public:
  explicit ExampleOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {}

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // Grab the input tensor
    const Tensor& input_tensor = context->input(0);

    // Create an output tensor
    Tensor* output_tensor = NULL;
    OP_REQUIRES_OK(context, context->allocate_output(0, input_tensor.shape(),
                                                     &output_tensor));

    // Do the computation.
    OP_REQUIRES(context, input_tensor.NumElements() <= tensorflow::kint32max,
                errors::InvalidArgument("Too many elements in tensor"));
    ExampleFunctor<Device, T>()(
        context->eigen_device<Device>(),
        static_cast<int>(input_tensor.NumElements()),
        input_tensor.flat<T>().data(),
        output_tensor->flat<T>().data());
  }
};

// Register the CPU kernels.
#define REGISTER_CPU(T)                                          \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                       \
      Name("Example").Device(DEVICE_CPU).TypeConstraint<T>("T"), \
      ExampleOp<CPUDevice, T>);
REGISTER_CPU(float);
REGISTER_CPU(int32);

// Register the GPU kernels.
#ifdef GOOGLE_CUDA
#define REGISTER_GPU(T)                                          \
  /* Declare explicit instantiations in kernel_example.cu.cc. */ \
  extern template class ExampleFunctor<GPUDevice, T>;            \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                       \
      Name("Example").Device(DEVICE_GPU).TypeConstraint<T>("T"), \
      ExampleOp<GPUDevice, T>);
REGISTER_GPU(float);
REGISTER_GPU(int32);
#endif  // GOOGLE_CUDA
// kernel_example.cu.cc
#ifdef GOOGLE_CUDA
#define EIGEN_USE_GPU
#include "example.h"
#include "tensorflow/core/util/gpu_kernel_helper.h"

using namespace tensorflow;

using GPUDevice = Eigen::GpuDevice;

// Define the CUDA kernel.
template <typename T>
__global__ void ExampleCudaKernel(const int size, const T* in, T* out) {
  for (int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; i < size;
       i += blockDim.x * gridDim.x) {
    out[i] = 2 * __ldg(in + i);
  }
}

// Define the GPU implementation that launches the CUDA kernel.
template <typename T>
void ExampleFunctor<GPUDevice, T>::operator()(
    const GPUDevice& d, int size, const T* in, T* out) {
  // Launch the cuda kernel.
  //
  // See core/util/gpu_kernel_helper.h for example of computing
  // block count and thread_per_block count.
  int block_count = 1024;
  int thread_per_block = 20;
  ExampleCudaKernel<T>
      <<<block_count, thread_per_block, 0, d.stream()>>>(size, in, out);
}

// Explicitly instantiate functors for the types of OpKernels registered.
template struct ExampleFunctor<GPUDevice, float>;
template struct ExampleFunctor<GPUDevice, int32>;

#endif  // GOOGLE_CUDA

构建运算库

使用系统编译器编译运算(TensorFlow 二进制文件安装)

您应当能够使用 C++ 编译器(例如系统上可用的 g++clang)编译 zero_out.cc。二进制 PIP 软件包会安装在系统特定位置编译运算所需的头文件和库。不过,TensorFlow Python 库提供了 get_include 函数来获取头目录,而 get_lib 目录有一个可与之关联的共享对象。下面是这些函数在 Ubuntu 机器上的输出。

$ python
>>> import tensorflow as tf
>>> tf.sysconfig.get_include()
'/usr/local/lib/python3.6/site-packages/tensorflow/include'
>>> tf.sysconfig.get_lib()
'/usr/local/lib/python3.6/site-packages/tensorflow'

假设您安装了 g++,下面是您可以用于将运算编译成动态库的命令序列。

TF_CFLAGS=( $(python -c 'import tensorflow as tf; print(" ".join(tf.sysconfig.get_compile_flags()))') )
TF_LFLAGS=( $(python -c 'import tensorflow as tf; print(" ".join(tf.sysconfig.get_link_flags()))') )
g++ -std=c++11 -shared zero_out.cc -o zero_out.so -fPIC ${TF_CFLAGS[@]} ${TF_LFLAGS[@]} -O2

在 macOS 上,在构建 .so 文件时需要添加附加标记“-undefined dynamic_lookup”。

关于 >=5gcc 版本的注意事项:gcc 自版本 5 起使用新的 C++ ABI。TensorFlow 网站上提供的二进制 pip 软件包使用 gcc4 构建,该编译器使用旧版 ABI。如果您使用 gcc>=5 编译运算库,请在命令行中添加 -D_GLIBCXX_USE_CXX11_ABI=0,使库与旧版 ABI 兼容。

使用 bazel 编译运算(TensorFlow 源代码安装)

如果您已安装 TensorFlow 源代码,则可以使用 TensorFlow 的构建系统编译运算。在 tensorflow/core/user_ops 目录中放置一个包含以下 Bazel 构建规则的 BUILD 文件。

load("//tensorflow:tensorflow.bzl", "tf_custom_op_library")

tf_custom_op_library(
    name = "zero_out.so",
    srcs = ["zero_out.cc"],
)

运行以下命令以构建 zero_out.so

$ bazel build --config opt //tensorflow/core/user_ops:zero_out.so

注:如上所述,如果您使用 gcc>=5 进行编译,请将 --cxxopt="-D_GLIBCXX_USE_CXX11_ABI=0" 添加到 Bazel 命令行参数。

注:虽然您可以使用标准的 cc_library 规则创建共享库(.so 文件),但我们强烈建议您使用 tf_custom_op_library 宏。它可以添加一些必需依赖项,并执行检查以确保共享库与 TensorFlow 的插件加载机制兼容。

在 Python 中使用运算

TensorFlow Python API 提供了 tf.load_op_library 函数来加载动态库并向 TensorFlow 框架注册运算。load_op_library 会返回一个 Python 模块,其中包含运算和内核的 Python 包装器。因此,在构建此运算后,您可以执行以下操作以从 Python 运行它:

import tensorflow as tf
zero_out_module = tf.load_op_library('./zero_out.so')
with tf.Session(''):
  zero_out_module.zero_out([[1, 2], [3, 4]]).eval()

# Prints
array([[1, 0], [0, 0]], dtype=int32)

请记住,生成的函数将获得一个蛇形名称(以符合 PEP8)。因此,如果您的运算在 C++ 文件中命名为 ZeroOut,则 Python 函数将称为 zero_out

要使运算成为正则函数并可从 Python 模块中 import,在 Python 源文件中调用 load_op_library 可能很有用,如下所示:

import tensorflow as tf

zero_out_module = tf.load_op_library('./zero_out.so')
zero_out = zero_out_module.zero_out

验证运算是否正常运行

验证您是否已成功实现运算的一种好方法是为运算编写测试。请使用以下内容创建 zero_out_op_test.py 文件:

import tensorflow as tf

class ZeroOutTest(tf.test.TestCase):
  def testZeroOut(self):
    zero_out_module = tf.load_op_library('./zero_out.so')
    with self.test_session():
      result = zero_out_module.zero_out([5, 4, 3, 2, 1])
      self.assertAllEqual(result.eval(), [5, 0, 0, 0, 0])

if __name__ == "__main__":
  tf.test.main()

然后运行测试(假设您已安装 TensorFlow):

$ python zero_out_op_test.py

将高级功能构建到运算中

现在,您已经知道如何构建一个基本(并受到一些限制的)运算和实现,我们来看看您通常需要构建到运算中的一些更复杂内容。这些包括:

条件检查和验证

上面的示例假设运算已应用于任意形状的张量。如果运算只应用于向量该怎么办?这就需要在上面的 OpKernel 实现中添加检查。

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // Grab the input tensor
    const Tensor& input_tensor = context->input(0);

    OP_REQUIRES(context, TensorShapeUtils::IsVector(input_tensor.shape()),
                errors::InvalidArgument("ZeroOut expects a 1-D vector."));
    // ...
  }

上述代码会声明输入是一个向量,如果不是,则返回设置 InvalidArgument 状态。OP_REQUIRES采用三个参数:

或者,如果您要测试从某个函数返回的 Status 对象是否为错误,请使用 OP_REQUIRES_OK(如果是,则返回错误)。这两个宏都会在出错时从函数返回。

运算注册

特性

运算可以包含特性,特性值在向计算图中添加运算时设置。这些值用于配置运算,用户可以在内核实现中以及运算注册的输入和输出类型中访问它们的值。尽可能首选使用输入而不是特性,因为输入更灵活。原因在于特性是常量,必须在计算图构造时定义。相比之下,输入是值可以动态变化的张量;也就是说,输入在每一步都可以变化,使用馈送进行设置等。特性用于无法通过输入完成的操作:任何影响签名(输入或输出的数量或类型)或者不能每一步都更改的配置。

您可以在注册运算时定义特性,只需使用 Attr 方法指定该特性的名称和类型即可(满足以下格式规范):

<name>: <attr-type-expr>

其中 <name> 以字母开头,可以由字母数字字符和下划线组成,<attr-type-expr>下文所述形式的类型表达式。

例如,如果您希望 ZeroOut 运算保留用户指定的索引,而不是仅保留第 0 个元素,则可以按如下方式注册该运算:

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Attr("preserve_index: int")
    .Input("to_zero: int32")
    .Output("zeroed: int32");

(请注意,特性类型与用于输入和输出的 tf.DType 不同。)

随后,您的内核可以通过 context 参数在内核的构造函数中访问此特性:

class ZeroOutOp : public OpKernel {
 public:
  explicit ZeroOutOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {
    // Get the index of the value to preserve
    OP_REQUIRES_OK(context,
                   context->GetAttr("preserve_index", &preserve_index_));
    // Check that preserve_index is positive
    OP_REQUIRES(context, preserve_index_ >= 0,
                errors::InvalidArgument("Need preserve_index >= 0, got ",
                                        preserve_index_));
  }
  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // ...
  }
 private:
  int preserve_index_;
};

然后,您可以在 Compute 方法中使用该特性:

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // ...

    // We're using saved attr to validate potentially dynamic input
    // So we check that preserve_index is in range
    OP_REQUIRES(context, preserve_index_ < input.dimension(0),
                errors::InvalidArgument("preserve_index out of range"));

    // Set all the elements of the output tensor to 0
    const int N = input.size();
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      output_flat(i) = 0;
    }

    // Preserve the requested input value
    output_flat(preserve_index_) = input(preserve_index_);
  }

特性类型

特性中支持以下类型:

  • string:任意字节序列(无需是 UTF8)。
  • int:有符号整数。
  • float:浮点数。
  • bool:True 或 False。
  • typeDataType 的(非引用)值之一。
  • shapeTensorShapeProto
  • list(<type>)<type> 列表,其中 <type> 是上述类型之一。请注意,list(list(<type>)) 无效。

另请参见 op_def_builder.cc:FinalizeAttr 来查看最终列表。

默认值和约束

特性可能具有默认值,并且某些类型的特性可能具有约束。要定义具有约束的特性,您可以使用以下 <attr-type-expr>

{'<string1>', '<string2>'}:值必须是值为 <string1><string2> 的字符串。使用此语法时,类型的名称 string 会被隐式指定。以下代码模拟了一个枚举:

REGISTER_OP("EnumExample")
    .Attr("e: {'apple', 'orange'}");

{<type1>, <type2>}:值的类型为 type,必须是 <type1><type2> 之一,其中 <type1><type2> 是受支持的 tf.DType。您未指定特性的类型是 type。如果 {...} 中包含类型列表,类型会被隐式指定。例如,在以下示例中,特性 t 是一个必须为 int32floatbool 的类型:

REGISTER_OP("RestrictedTypeExample")
    .Attr("t: {int32, float, bool}");

常见类型约束的快捷方式如下:

  • numbertype:类型 type 仅限于数值(非字符串和非布尔)类型。
  • realnumbertype:类似于 numbertype,没有复杂类型。
  • quantizedtype:类似于 numbertype ,但只是量化的数值类型。

这些快捷方式允许的特定类型列表由 tensorflow/core/framework/types.h 中的函数(如 NumberTypes())定义。在以下示例中,特性 t 必须是数值类型之一:

REGISTER_OP("NumberType")
    .Attr("t: numbertype");

对于此运算:

tf.number_type(t=tf.int32)  # Valid
tf.number_type(t=tf.bool)   # Invalid

列表可与其他列表和单一类型组合。以下运算允许特性 t 为任意数值类型或布尔类型:

REGISTER_OP("NumberOrBooleanType")
    .Attr("t: {numbertype, bool}");

对于此运算:

tf.number_or_boolean_type(t=tf.int32)  # Valid
tf.number_or_boolean_type(t=tf.bool)   # Valid
tf.number_or_boolean_type(t=tf.string) # Invalid

int >= <n>:值必须是整型,且大于或等于 <n>,其中 <n> 是自然数。例如,以下运算注册指定特性 a 的值必须至少为 2

REGISTER_OP("MinIntExample")
    .Attr("a: int >= 2");

list(<type>) >= <n>:类型为 <type> 的列表,其长度大于或等于 <n>。例如,以下运算注册指定特性 aint32float 类型的列表,并且必须至少有 3 个值:

REGISTER_OP("TypeListExample")
    .Attr("a: list({int32, float}) >= 3");

要设置特性的默认值(使其在生成的代码中可选),请将 = <default> 添加到末尾,例如:

REGISTER_OP("AttrDefaultExample")
    .Attr("i: int = 0");

此外,还可以同时指定约束和默认值:

REGISTER_OP("AttrConstraintAndDefaultExample")
    .Attr("i: int >= 1 = 1");

默认值的支持语法是在生成的 GraphDef 定义的 proto 表示法中使用的语法。

以下示例演示了如何为所有类型指定默认值:

REGISTER_OP("AttrDefaultExampleForAllTypes")
   .Attr("s: string = 'foo'")
   .Attr("i: int = 0")
   .Attr("f: float = 1.0")
   .Attr("b: bool = true")
   .Attr("ty: type = DT_INT32")
   .Attr("sh: shape = { dim { size: 1 } dim { size: 2 } }")
   .Attr("te: tensor = { dtype: DT_INT32 int_val: 5 }")
   .Attr("l_empty: list(int) = []")
   .Attr("l_int: list(int) = [2, 3, 5, 7]");

特别要注意的是,类型为 type 的值使用 tf.DType

多态性

类型多态性

对于可以采用不同类型作为输入或生成不同输出类型的运算,您可以在运算注册的输入或输出类型中指定特性。通常,您需要为每种受支持的类型注册一个 OpKernel

例如,如果除了 int32 之外您还想对 float 执行 ZeroOut 运算,则运算注册可能如下所示:

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Attr("T: {float, int32}")
    .Input("to_zero: T")
    .Output("zeroed: T");

运算注册现在指定输入的类型必须是 floatint32,并且其输出将是同一类型,因为它们都具有 T 类型。

命名

输入、输出和特性通常应当采用蛇形名称。但是,用作输入类型或在输出类型中使用的特性例外。向计算图中添加运算时,系统可以推断出这些特性,因此这些特性不会显示在运算的函数中。例如,ZeroOut 的最后一个定义将生成如下所示的 Python 函数:

def zero_out(to_zero, name=None):
  """...
  Args:
    to_zero: A `Tensor`. Must be one of the following types:
        `float32`, `int32`.
    name: A name for the operation (optional).

  Returns:
    A `Tensor`. Has the same type as `to_zero`.
  """

如果向 to_zero 传递 int32 张量,T 将自动设置为 int32(实际上是 DT_INT32)。这些推断特性会采用大写或驼峰式名称。

将此运算与具有确定输出类型的类型特性的运算进行比较:

REGISTER_OP("StringToNumber")
    .Input("string_tensor: string")
    .Output("output: out_type")
    .Attr("out_type: {float, int32} = DT_FLOAT");
    .Doc(R"doc(
Converts each string in the input Tensor to the specified numeric type.
)doc");

在这种情况下,用户必须指定输出类型,如生成的 Python 中所示:

def string_to_number(string_tensor, out_type=None, name=None):
  """Converts each string in the input Tensor to the specified numeric type.

  Args:
    string_tensor: A `Tensor` of type `string`.
    out_type: An optional `tf.DType` from: `tf.float32, tf.int32`.
      Defaults to `tf.float32`.
    name: A name for the operation (optional).

  Returns:
    A `Tensor` of type `out_type`.
  """
类型多态化示例
#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"

class ZeroOutInt32Op : public OpKernel {
  // as before
};

class ZeroOutFloatOp : public OpKernel {
 public:
  explicit ZeroOutFloatOp(OpKernelConstruction* context)
      : OpKernel(context) {}

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // Grab the input tensor
    const Tensor& input_tensor = context->input(0);
    auto input = input_tensor.flat<float>();

    // Create an output tensor
    Tensor* output = NULL;
    OP_REQUIRES_OK(context,
                   context->allocate_output(0, input_tensor.shape(), &output));
    auto output_flat = output->template flat<float>();

    // Set all the elements of the output tensor to 0
    const int N = input.size();
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      output_flat(i) = 0;
    }

    // Preserve the first input value
    if (N > 0) output_flat(0) = input(0);
  }
};

// Note that TypeConstraint<int32>("T") means that attr "T" (defined
// in the op registration above) must be "int32" to use this template
// instantiation.
REGISTER_KERNEL_BUILDER(
    Name("ZeroOut")
    .Device(DEVICE_CPU)
    .TypeConstraint<int32>("T"),
    ZeroOutInt32Op);
REGISTER_KERNEL_BUILDER(
    Name("ZeroOut")
    .Device(DEVICE_CPU)
    .TypeConstraint<float>("T"),
    ZeroOutFloatOp);

要保留向后兼容性,您应在将特性添加到现有运算时指定默认值

REGISTER_OP("ZeroOut")
  .Attr("T: {float, int32} = DT_INT32")
  .Input("to_zero: T")
  .Output("zeroed: T")

假设您想添加更多类型,例如 double

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Attr("T: {float, double, int32}")
    .Input("to_zero: T")
    .Output("zeroed: T");

通常,您可以使用 C++ 模板,而无需使用上面所示的冗余代码编写另一个 OpKernel。对于每个重载,您仍然有一个内核注册(REGISTER_KERNEL_BUILDER 调用)。

template <typename T>
class ZeroOutOp : public OpKernel {
 public:
  explicit ZeroOutOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {}

  void Compute(OpKernelContext* context) override {
    // Grab the input tensor
    const Tensor& input_tensor = context->input(0);
    auto input = input_tensor.flat<T>();

    // Create an output tensor
    Tensor* output = NULL;
    OP_REQUIRES_OK(context,
                   context->allocate_output(0, input_tensor.shape(), &output));
    auto output_flat = output->template flat<T>();

    // Set all the elements of the output tensor to 0
    const int N = input.size();
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      output_flat(i) = 0;
    }

    // Preserve the first input value
    if (N > 0) output_flat(0) = input(0);
  }
};

// Note that TypeConstraint<int32>("T") means that attr "T" (defined
// in the op registration above) must be "int32" to use this template
// instantiation.
REGISTER_KERNEL_BUILDER(
    Name("ZeroOut")
    .Device(DEVICE_CPU)
    .TypeConstraint<int32>("T"),
    ZeroOutOp<int32>);
REGISTER_KERNEL_BUILDER(
    Name("ZeroOut")
    .Device(DEVICE_CPU)
    .TypeConstraint<float>("T"),
    ZeroOutOp<float>);
REGISTER_KERNEL_BUILDER(
    Name("ZeroOut")
    .Device(DEVICE_CPU)
    .TypeConstraint<double>("T"),
    ZeroOutOp<double>);

如果您有多个重载,则可以将注册放在宏中。

#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"

#define REGISTER_KERNEL(type)                                       \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                          \
      Name("ZeroOut").Device(DEVICE_CPU).TypeConstraint<type>("T"), \
      ZeroOutOp<type>)

REGISTER_KERNEL(int32);
REGISTER_KERNEL(float);
REGISTER_KERNEL(double);

#undef REGISTER_KERNEL

根据您为其注册内核的类型列表,您可以使用 tensorflow/core/framework/register_types.h 提供的宏:

#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"
#include "tensorflow/core/framework/register_types.h"

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Attr("T: realnumbertype")
    .Input("to_zero: T")
    .Output("zeroed: T");

template <typename T>
class ZeroOutOp : public OpKernel { ... };

#define REGISTER_KERNEL(type)                                       \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(                                          \
      Name("ZeroOut").Device(DEVICE_CPU).TypeConstraint<type>("T"), \
      ZeroOutOp<type>)

TF_CALL_REAL_NUMBER_TYPES(REGISTER_KERNEL);

#undef REGISTER_KERNEL
列表输入和输出

除了能够接受或生成不同类型之外,运算还可以使用或生成数量可变的张量。

在下一个示例中,特性 T 存储了一个类型列表,并同时用作输入 in 和输出 out 的类型。输入和输出是该类型的张量列表(输出中的张量数量和类型与输入的相同,因为二者的类型均为 T)。

REGISTER_OP("PolymorphicListExample")
    .Attr("T: list(type)")
    .Input("in: T")
    .Output("out: T");

您还可以对可在列表中指定的类型施加限制。在下一个示例中,输入是 floatdouble 张量的列表。例如,运算接受输入类型 (float, double, float),在这种情况下,输出类型也将是 (float, double, float)

REGISTER_OP("ListTypeRestrictionExample")
    .Attr("T: list({float, double})")
    .Input("in: T")
    .Output("out: T");

如果您希望列表中的所有张量都具有相同类型,则可以运行如下命令:

REGISTER_OP("IntListInputExample")
    .Attr("N: int")
    .Input("in: N * int32")
    .Output("out: int32");

此运算接受 int32 张量列表,并使用 int 特性 N 指定列表的长度。

类型也可以是多态类型。在下一个示例中,输入是相同(但未指定)类型 ("T") 的张量(长度为 "N")列表,输出是一个具有匹配类型的张量:

REGISTER_OP("SameListInputExample")
    .Attr("N: int")
    .Attr("T: type")
    .Input("in: N * T")
    .Output("out: T");

默认情况下,张量列表的最小长度为 1。您可以对相应特性使用 ">=" 约束来更改该默认值。在下一个示例中,输入是至少有 2 个 int32 张量的列表:

REGISTER_OP("MinLengthIntListExample")
    .Attr("N: int >= 2")
    .Input("in: N * int32")
    .Output("out: int32");

相同的语法也适用于 "list(type)" 特性:

REGISTER_OP("MinimumLengthPolymorphicListExample")
    .Attr("T: list(type) >= 3")
    .Input("in: T")
    .Output("out: T");

输入和输出

综上所述,运算注册可以有多个输入和输出:

REGISTER_OP("MultipleInsAndOuts")
    .Input("y: int32")
    .Input("z: float")
    .Output("a: string")
    .Output("b: int32");

每个输入或输出规范的格式如下:

<name>: <io-type-expr>

其中 <name> 以字母开头,可以包含字母数字字符和下划线。<io-type-expr> 是以下类型表达式之一:

  • <type>,其中 <type> 是受支持的输入类型(例如 floatint32string)。它会指定一个具有给定类型的张量。

    请参见 tf.DType

    REGISTER_OP("BuiltInTypesExample")
        .Input("integers: int32")
        .Input("complex_numbers: complex64");
    
  • <attr-type>,其中 <attr-type> 是类型为 typelist(type)(可能有类型限制)的类型的名称。此语法允许多态运算

    REGISTER_OP("PolymorphicSingleInput")
        .Attr("T: type")
        .Input("in: T");
    
    REGISTER_OP("RestrictedPolymorphicSingleInput")
        .Attr("T: {int32, int64}")
        .Input("in: T");
    

    引用类型为 list(type) 的特性可让您接受张量序列。

    REGISTER_OP("ArbitraryTensorSequenceExample")
        .Attr("T: list(type)")
        .Input("in: T")
        .Output("out: T");
    
    REGISTER_OP("RestrictedTensorSequenceExample")
        .Attr("T: list({int32, int64})")
        .Input("in: T")
        .Output("out: T");
    

    请注意,输出 out 和输入 in 中的张量数量和类型相同,因为二者的类型均为 T

  • 对于具有相同类型的张量序列:<number> * <type>,其中 <number> 是类型为 int特性表的名称。<type> 可以是 tf.DType,也可以是类型为 type 的特性的名称。就第一种情况举例来说,此运算会接受 int32 张量列表:

    REGISTER_OP("Int32SequenceExample")
        .Attr("NumTensors: int")
        .Input("in: NumTensors * int32")
    

    此运算会接受任何类型的张量列表,只要它们类型都相同即可:

    REGISTER_OP("SameTypeSequenceExample")
        .Attr("NumTensors: int")
        .Attr("T: type")
        .Input("in: NumTensors * T")
    
  • 对于张量引用:Ref(<type>),其中 <type> 是之前的类型之一。

系统将推断输入类型中使用的任何特性。按照惯例,这些推断特性使用大写名称(如 TN)。否则,输入、输出和特性会具有与函数参数类似的名称(例如 num_outputs)。要了解更多详细信息,请参阅前面有关命名的部分

要了解更多详细信息,请参见 tensorflow/core/framework/op_def_builder.h

向后兼容性

假设您已编写一个不错的自定义运算并与其他人共享,客户在使用您的运算时感到满意。不过,您需要以某种方式对运算进行更改。

通常,对现有检入规范的更改必须向后兼容:更改运算规范不得破坏之前根据旧规范构造的序列化 GraphDef 协议缓冲区。此处详细介绍了 GraphDef 兼容性。

可通过以下几种方式保持向后兼容性。

  1. 添加到运算的任何新特性都必须定义默认值,并且在使用该默认值时,运算必须具有原始行为。要将运算从非多态更改为多态,您必须为新类型特性提供默认值,以便在默认情况下保留原始签名。例如,如果您的运算是:

    REGISTER_OP("MyGeneralUnaryOp")
        .Input("in: float")
        .Output("out: float");
    

    您可以利用以下方法以向后兼容的方式将该运算设为多态:

    REGISTER_OP("MyGeneralUnaryOp")
        .Input("in: T")
        .Output("out: T")
        .Attr("T: numerictype = DT_FLOAT");
    
  2. 您可以安全地放宽对特性的约束。例如,您可以从 {int32, int64} 更改为 {int32, int64, float}type,也可以从 {"apple", "orange"} 更改为 {"apple", "banana", "orange"}string

  3. 只要列表类型的默认值与旧签名匹配,您就可以将单一输入/输出更改为列表输入/输出。

  4. 您可以添加新的列表输入/输出(如果默认为空)。

  5. 为您创建的任何新运算设置命名空间,方法是在运算名称前添加项目独有的内容作为前缀。这样可以避免您的运算与未来版本的 TensorFlow 中可能包含的任何运算发生冲突。

  6. 未雨绸缪!尝试预测运算的未来用途。某些签名更改无法以兼容的方式完成(例如,将相同类型的列表变为类型变化的列表)。

可以在 tensorflow/core/framework/op_compatibility_test.cc 中找到安全和不安全更改的完整列表。如果您无法以向后兼容的方式更改运算,则创建新的运算,并使用新语义设置新名称。

另请注意,虽然这些更改可以保持 GraphDef 兼容性,但生成的 Python 代码可能会以与旧调用者不兼容的方式发生更改。要使 Python API 保持兼容,可以在手写 Python 包装器中小心地进行更改,并保留旧签名(可能要在末尾添加新的可选参数时除外)。通常,只有在 TensorFlow 更改主要版本时,才可以进行不兼容的更改,并且这些更改必须符合 GraphDef 版本语义

GPU 支持

您可以实现不同的 OpKernel 并为 CPU 和 GPU 各注册一个内核,就像您可为不同类型注册内核一样。tensorflow/core/kernels/ 中提供了几个支持 GPU 的内核示例。请注意,某些内核在 .cc 文件中具有 CPU 版本,在以 _gpu.cu.cc 结尾的文件中具有 GPU 版本,并且在 .h 文件中具有一些共享的通用代码。

例如,tf.padtensorflow/core/kernels/pad_op.cc 中具有除 GPU 内核之外的所有代码。GPU 内核位于 tensorflow/core/kernels/pad_op_gpu.cu.cc 中,共享代码是在 tensorflow/core/kernels/pad_op.h 中定义的模板化类。我们以这种方式组织代码有两个原因:可以让您在 CPU 和 GPU 实现之间共享通用代码,并将 GPU 实现放入单独的文件中,这样它便只能由 GPU 编译器进行编译。

有一点需要注意,即使使用 pad 的 GPU 内核版本,它在 CPU 内存中仍然需要 "paddings" 输入。要标记在 CPU 上保留输入或输出,请添加对内核注册的 HostMemory() 调用,例如:

#define REGISTER_GPU_KERNEL(T)                         \
  REGISTER_KERNEL_BUILDER(Name("Pad")                  \
                              .Device(DEVICE_GPU)      \
                              .TypeConstraint<T>("T")  \
                              .HostMemory("paddings"), \
                          PadOp<GPUDevice, T>)

编译 GPU 设备的内核

要了解使用 CUDA 内核实现运算的示例,请参见 cuda_op_kernel.cu.cctf_custom_op_library 接受 gpu_srcs 参数,可以在其中指定包含 CUDA 内核的源文件(*.cu.cc 文件)列表。要与 TensorFlow 的二进制安装一起使用,必须使用 NVIDIA 的 nvcc 编译器编译 CUDA 内核。您可以使用以下命令序列将 cuda_op_kernel.cu.cccuda_op_kernel.cc 编译成一个可动态加载的库:

nvcc -std=c++11 -c -o cuda_op_kernel.cu.o cuda_op_kernel.cu.cc \
  ${TF_CFLAGS[@]} -D GOOGLE_CUDA=1 -x cu -Xcompiler -fPIC

g++ -std=c++11 -shared -o cuda_op_kernel.so cuda_op_kernel.cc \
  cuda_op_kernel.cu.o ${TF_CFLAGS[@]} -fPIC -lcudart ${TF_LFLAGS[@]}

可以像往常一样,在 Python 中使用 tf.load_op_library 函数加载上面生成的 cuda_op_kernel.so

请注意,如果 CUDA 库未安装在 /usr/local/lib64 中,则您需要在上面的第二个 (g++) 命令中明确指定路径。例如,如果 CUDA 安装在 /usr/local/cuda-8.0 中,则添加 -L /usr/local/cuda-8.0/lib64/

注:在某些 Linux 设置中,需要在 nvcc 编译步骤中添加其他选项。将 -D_MWAITXINTRIN_H_INCLUDED 添加到 nvcc 命令行可以避免 mwaitxintrin.h 出错。

在 Python 中实现梯度

给定运算的计算图后,TensorFlow 会使用自动微分(反向传播)相对于现有运算添加表示梯度的新运算。要使自动微分对新运算生效,您必须注册一个梯度函数,在给定相对于运算输出的梯度时,计算相对于运算输入的梯度。

在数学上,如果运算计算 (y = f(x)),注册的梯度运算会通过链式法则将相对于 (y) 的损失 (L) 的梯度 (\partial L/ \partial y) 转换为相对于 (x) 的梯度 (\partial L/ \partial x):

$$\frac{\partial L}{\partial x} = \frac{\partial L}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial x} = \frac{\partial L}{\partial y} \frac{\partial f}{\partial x}.$$

对于 ZeroOut,输入中只有一个条目会影响输出,因此相对于输入的梯度是稀疏的“独热”张量。具体表示方式如下:

from tensorflow.python.framework import ops
from tensorflow.python.ops import array_ops
from tensorflow.python.ops import sparse_ops

@ops.RegisterGradient("ZeroOut")
def _zero_out_grad(op, grad):
  """The gradients for `zero_out`.

  Args:
    op: The `zero_out` `Operation` that we are differentiating, which we can use
      to find the inputs and outputs of the original op.
    grad: Gradient with respect to the output of the `zero_out` op.

  Returns:
    Gradients with respect to the input of `zero_out`.
  """
  to_zero = op.inputs[0]
  shape = array_ops.shape(to_zero)
  index = array_ops.zeros_like(shape)
  first_grad = array_ops.reshape(grad, [-1])[0]
  to_zero_grad = sparse_ops.sparse_to_dense([index], shape, first_grad, 0)
  return [to_zero_grad]  # List of one Tensor, since we have one input

有关使用 tf.RegisterGradient 注册梯度函数的详细信息如下:

  • 对于具有一个输出的运算,梯度函数将采用 tf.Operationoptf.Tensor grad,并根据张量 op.inputs[i]op.outputs[i]grad 构建新运算。任何特性的相关信息均可通过 tf.Operation.get_attr 找到。

  • 如果运算有多个输出,则梯度函数将采用 opgrads,其中 grads 是相对于每个输出的梯度列表。梯度函数的结果必须是 Tensor 对象(表示相对于每个输入的梯度)列表。

  • 如果某个输入(例如用作索引的整数输入)没有明确定义的梯度,则返回的相应梯度应为 None。例如,对于采用浮点张量 x 和整数索引 i 的运算,梯度函数将为 return [x_grad, None]

  • 如果运算根本没有有意义的梯度,您通常无需注册任何梯度,并且只要从不需要该运算的梯度,就没有问题。在某些情况下,运算没有明确定义的梯度,但可以参与梯度计算。在这种情况下,您可以使用 ops.NotDifferentiable 自动向后传播零。

请注意,在调用梯度函数时,只有运算的数据流图可用,而张量数据本身不可用。因此,必须使用其他 TensorFlow 运算执行所有计算,以在计算图执行时运行。

C++ 中的形状函数

TensorFlow API 具有一项称为“形状推理”的功能,该功能可以提供有关张量形状的信息,而无需执行计算图。形状推理由在 C++ REGISTER_OP 声明中为每个运算类型注册的“形状函数”提供支持,并承担两个角色:声明输入的形状在计算图构造期间是兼容的,并指定输出的形状。

形状函数定义为 shape_inference::InferenceContext 类上的运算。例如,在 ZeroOut 的形状函数中:

    .SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
      c->set_output(0, c->input(0));
      return Status::OK();
    });

c->set_output(0, c->input(0)); 会声明第一个输出的形状应当设置为第一个输入的形状。如果按输出索引选择输出(如上例所示),则 set_output 的第二个参数应当为 ShapeHandle 对象。您可以通过空 ShapeHandle 对象的默认构造函数创建该对象。具有索引 idx 的输入的 ShapeHandle 对象可以通过 c->input(idx) 获得。

有许多常用的形状函数适用于多种运算(例如 shape_inference::UnchangedShape),您可以在 common_shape_fns.h 中找到这些函数并按如下方式使用它们:

REGISTER_OP("ZeroOut")
    .Input("to_zero: int32")
    .Output("zeroed: int32")
    .SetShapeFn(::tensorflow::shape_inference::UnchangedShape);

形状函数还可以约束输入的形状。对于具有向量形状约束的 ZeroOut 版本,形状函数将如下所示:

    .SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
      ::tensorflow::shape_inference::ShapeHandle input;
      TF_RETURN_IF_ERROR(c->WithRank(c->input(0), 1, &input));
      c->set_output(0, input);
      return Status::OK();
    });

WithRank 调用会验证输入形状 c->input(0) 是否具有只有一维的形状(或者,如果输入形状未知,输出形状将为具有一个未知维度的向量)。

如果您的运算是多态的且包含多个输入,则可以使用 InferenceContext 成员确定要检查的形状的数量,并使用 Merge 验证这些形状是否均兼容(或者,使用可提供对运算特性的访问权限的 InferenceContext::GetAttr 来访问表示长度的特性)。

    .SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
      ::tensorflow::shape_inference::ShapeHandle input;
      ::tensorflow::shape_inference::ShapeHandle output;
      for (size_t i = 0; i < c->num_inputs(); ++i) {
        TF_RETURN_IF_ERROR(c->WithRank(c->input(i), 2, &input));
        TF_RETURN_IF_ERROR(c->Merge(output, input, &output));
      }
      c->set_output(0, output);
      return Status::OK();
    });

由于形状推理是可选功能,并且张量的形状可能会动态变化,因此对于任何输入的不完整形状信息,形状函数必须可靠。InferenceContext 中的 Merge 方法允许调用者声明两个形状是相同的,即使其中任一个或两个都没有完整的信息。我们为所有核心 TensorFlow 运算定义了形状函数,并提供了许多不同的用法示例。

InferenceContext 类具有许多可用于定义形状函数操作的函数。例如,您可以使用 InferenceContext::DimInferenceContext::WithValue 验证特定维度是否具有非常具体的值;您可以使用 InferenceContext::AddInferenceContext::Multiply 指定输出维度是两个输入维度的和/积。要了解您可以指定的所有不同形状操作,请参见 InferenceContext 类。以下示例将第一个输出的形状设置为 (n, 3),其中第一个输入的形状为 (n, ...)

.SetShapeFn([](::tensorflow::shape_inference::InferenceContext* c) {
    c->set_output(0, c->Matrix(c->Dim(c->input(0), 0), 3));
    return Status::OK();
});

如果您具有复杂的形状函数,则应考虑添加测试,以验证各种输入形状组合是否会生成预期的输出形状组合。您可以在我们的一些核心运算测试中看到有关如何编写这些测试的示例。(INFER_OKINFER_ERROR 的语法有点晦涩,但在表示测试中的输入和输出形状规范时力求做到紧凑。就目前而言,请查看这些测试中的周围注释来了解形状字符串规范。)

为您的自定义运算构建 pip 软件包

要为您的运算构建 pip 软件包,请参见 tensorflow/custom-op 示例。本文说明了如何从 TensorFlow pip 软件包构建自定义运算,而不是从源代码构建 TensorFlow。