深度学习之TersorRT

1 简介

TensorRT是一个高性能的深度学习推理（Inference）优化器，可以为深度学习应用提供低延迟、高吞吐率的部署推理。TensorRT可用于对超大规模数据中心、嵌入式平台或自动驾驶平台进行推理加速。TensorRT现已能支持TensorFlow、Caffe、Mxnet、Pytorch等几乎所有的深度学习框架，将TensorRT和NVIDIA的GPU结合起来，能在几乎所有的框架中进行快速和高效的部署推理。

TensorRT 是一个C++库，从 TensorRT 3 开始提供C++ API和Python API，主要用来针对 NVIDIA GPU进行高性能推理（Inference）加速。现在最新版TensorRT是4.0版本。

TensorRT 之前称为GIE。

关于推理（Inference）：

Training-vs-Inference-Graphic

ai_difference_between_deep_learning_training_inference

由以上两张图可以很清楚的看出，训练（training）和推理（inference）的区别：

训练（training）包含了前向传播和后向传播两个阶段，针对的是训练集。训练时通过误差反向传播来不断修改网络权值（weights）。
推理（inference）只包含前向传播一个阶段，针对的是除了训练集之外的新数据。可以是测试集，但不完全是，更多的是整个数据集之外的数据。其实就是针对新数据进行预测，预测时，速度是一个很重要的因素。

一般的深度学习项目，训练时为了加快速度，会使用多GPU分布式训练。但在部署推理时，为了降低成本，往往使用单个GPU机器甚至嵌入式平台（比如 NVIDIA Jetson）进行部署，部署端也要有与训练时相同的深度学习环境，如caffe，TensorFlow等。

由于训练的网络模型可能会很大（比如 inception，resnet等），参数很多，而且部署端的机器性能存在差异，就会导致推理速度慢，延迟高。这对于那些高实时性的应用场合是致命的，比如自动驾驶要求实时目标检测，目标追踪等。

所以为了提高部署推理的速度，出现了很多轻量级神经网络，比如squeezenet，mobilenet，shufflenet等。基本做法都是基于现有的经典模型提出一种新的模型结构，然后用这些改造过的模型重新训练，再重新部署。

而 tensorRT 则是对训练好的模型进行优化。 tensorRT 就只是推理优化器。当你的网络训练完之后，可以将训练模型文件直接丢进tensorRT中，而不再需要依赖深度学习框架（Caffe，TensorFlow等），如下：

可以认为tensorRT是一个只有前向传播的深度学习框架，这个框架可以将 Caffe，TensorFlow的网络模型解析，然后与tensorRT中对应的层进行一一映射，把其他框架的模型统一全部转换到tensorRT中，然后在tensorRT中可以针对NVIDIA自家GPU实施优化策略，并进行部署加速。

目前TensorRT4.0 几乎可以支持所有常用的深度学习框架，对于caffe和TensorFlow来说，tensorRT可以直接解析他们的网络模型；对于caffe2，pytorch，mxnet，chainer，CNTK等框架则是首先要将模型转为 ONNX 的通用深度学习模型，然后对ONNX模型做解析。而tensorflow和MATLAB已经将TensorRT集成到框架中去了。

ONNX（Open Neural Network Exchange ）是微软和Facebook携手开发的开放式神经网络交换工具，也就是说不管用什么框架训练，只要转换为ONNX模型，就可以放在其他框架上面去inference。这是一种统一的神经网络模型定义和保存方式，上面提到的除了tensorflow之外的其他框架官方应该都对onnx做了支持，而ONNX自己开发了对tensorflow的支持。从深度学习框架方面来说，这是各大厂商对抗谷歌tensorflow垄断地位的一种有效方式；从研究人员和开发者方面来说，这可以使开发者轻易地在不同机器学习工具之间进行转换，并为项目选择最好的组合方式，加快从研究到生产的速度。

上面图中还有一个 Netwok Definition API 这个是为了给那些使用自定义的深度学习框架训练模型的人提供的TensorRT接口。举个栗子：比如 YOLO 作者使用的darknet要转tensorrt估计得使用这个API，不过一般网上有很多使用其他框架训练的YOLO，这就可以使用对应的caffe/tensorflow/onnx API了。

ONNX / TensorFlow / Custom deep-learning frame模型的工作方式：

现在tensorRT支持的层有：

Activation: ReLU, tanh and sigmoid
Concatenation : Link together multiple tensors across the channel dimension.
Convolution: 3D，2D
Deconvolution
Fully-connected: with or without bias
ElementWise: sum, product or max of two tensors
Pooling: max and average
Padding
Flatten
LRN: cross-channel only
SoftMax: cross-channel only
RNN: RNN, GRU, and LSTM
Scale: Affine transformation and/or exponentiation by constant values
Shuffle: Reshuffling of tensors , reshape or transpose data
Squeeze: Removes dimensions of size 1 from the shape of a tensor
Unary: Supported operations are exp, log, sqrt, recip, abs and neg
Plugin: integrate custom layer implementations that TensorRT does not natively support.

基本上比较经典的层比如，卷积，反卷积，全连接，RNN，softmax等，在tensorRT中都是有对应的实现方式的，tensorRT是可以直接解析的。

但是由于现在深度学习技术发展日新月异，各种不同结构的自定义层（比如：STN）层出不穷，所以tensorRT是不可能全部支持当前存在的所有层的。那对于这些自定义的层该怎么办？

tensorRT中有一个 Plugin 层，这个层提供了 API 可以由用户自己定义tensorRT不支持的层。 如下图：

这就解决了适应不同用户的自定义层的需求。

2 优化方式

TentsorRT 优化方式：

TensorRT优化方法主要有以下几种方式，最主要的是前面两种。

层间融合或张量融合（Layer & Tensor Fusion）

如下图左侧是GoogLeNetInception模块的计算图。这个结构中有很多层，在部署模型推理时，这每一层的运算操作都是由GPU完成的，但实际上是GPU通过启动不同的CUDA（Compute unified device architecture）核心来完成计算的，CUDA核心计算张量的速度是很快的，但是往往大量的时间是浪费在CUDA核心的启动和对每一层输入/输出张量的读写操作上面，这造成了内存带宽的瓶颈和GPU资源的浪费。TensorRT通过对层间的横向或纵向合并（合并后的结构称为CBR，意指 convolution, bias, and ReLU layers are fused to form a single layer），使得层的数量大大减少。横向合并可以把卷积、偏置和激活层合并成一个CBR结构，只占用一个CUDA核心。纵向合并可以把结构相同，但是权值不同的层合并成一个更宽的层，也只占用一个CUDA核心。合并之后的计算图（图4右侧）的层次更少了，占用的CUDA核心数也少了，因此整个模型结构会更小，更快，更高效。
数据精度校准（Weight &Activation Precision Calibration）

大部分深度学习框架在训练神经网络时网络中的张量（Tensor）都是32位浮点数的精度（Full 32-bit precision，FP32），一旦网络训练完成，在部署推理的过程中由于不需要反向传播，完全可以适当降低数据精度，比如降为FP16或INT8的精度。更低的数据精度将会使得内存占用和延迟更低，模型体积更小。

如下表为不同精度的动态范围：

Precision	Dynamic Range
FP32	−3.4×1038 +3.4×1038−3.4×1038 +3.4×1038
FP16	−65504 +65504−65504 +65504
INT8	−128 +127−128 +127

INT8只有256个不同的数值，使用INT8来表示 FP32精度的数值，肯定会丢失信息，造成性能下降。不过TensorRT会提供完全自动化的校准（Calibration ）过程，会以最好的匹配性能将FP32精度的数据降低为INT8精度，最小化性能损失。关于校准过程，后面会专门做一个探究。

Kernel Auto-Tuning

网络模型在推理计算时，是调用GPU的CUDA核进行计算的。TensorRT可以针对不同的算法，不同的网络模型，不同的GPU平台，进行 CUDA核的调整（怎么调整的还不清楚），以保证当前模型在特定平台上以最优性能计算。

TensorRT will pick the implementation from a library of kernels that delivers the best performance for the target GPU, input data size, filter size, tensor layout, batch size and other parameters.
Dynamic Tensor Memory

在每个tensor的使用期间，TensorRT会为其指定显存，避免显存重复申请，减少内存占用和提高重复使用效率。
Multi-Stream Execution

Scalable design to process multiple input streams in parallel，这个应该就是GPU底层的优化了。

3 安装

这里是英伟达提供的安装指导，如果有仔细认真看官方指导，基本上按照官方的指导肯定能安装成功。

问题是肯定有很多人不愿意认真看英文指导，比如说我就是，我看那个指导都是直接找到命令行所在，直接敲命令，然后就出了很多问题，然后搜索好长时间，最后才发现，原来官方install guide里是有说明的。

这里使用的是 deb 包安装的方式，以下是安装过程，我是cuda 8.0 ，cuda9.0也是类似的。

进行下面三步时最好先将后面记录的遇到的问题仔细看看，然后回过头来按照一二三步来安装。

第一步：

$ sudo dpkg -i nv-tensorrt-repo-ubuntu1604-ga-cuda8.0-trt3.0-20171128_1-1_amd64.deb
 
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install tensorrt

其中的deb包要换成与自己 cuda和系统对应的版本。

第二步：

使用python2则安装如下依赖

1	`$ sudo apt-get install python-libnvinfer-doc`

这个是为了安装一些依赖的：比如 python-libnvinfer python-libnvinfer-dev swig3.0

如果是python3则安装如下依赖

1	`$ sudo apt-get install python3-libnvinfer-doc`

第三步：

1	`$ sudo apt-get install uff-converter-tf`

这个是安装通用文件格式转换器，主要用在 TensorRT 与TensorFlow 交互使用的时候。

不过我安装的时候还是出问题了：

安装tensorRT之前要将cuda的两个deb包添加上，因为TensorRT依赖好多cuda的一些东西比如 cuda-cublas-8-0 ，我之前cuda是用runfile安装的，所以TensorRT安装时有些依赖库找不到导致出错，如下图：

上面提示缺少依赖包，但是实际上 libnvinfer4 的包是tensorRT安装了之后才有的，那现在反而成了依赖包了，不管他，缺什么安装什么，但是还是出错，如下：

哇，还是缺少依赖包，这次是缺 cuda-cublas-8-0 ，现在知道了，缺的是cuda的相关组件。

后来把 cuda 的两个deb包安装之后就没问题了，cuda 8.0 的deb包在这里，如下图，下载红框里的两个deb包。

如果用的是 runfile 的方式安装的cuda的话，很容易出错，因为网上大部分cuda安装教程都是用runfile的方式安装的。所以如果cuda就是用deb包安装的话，就没有这个问题，如果使用runfile安装的话，安装tensorRT之前要把这两个deb包安装上，安装方式如下：

1 2	`$ sudo dpkg -i cuda-repo-ubuntu1604-8-0-local-cublas-performance-update_8.0.61-1_amd64.deb $ sudo dpkg -i cuda-repo-ubuntu1604-8-0-local-ga2_8.0.61-1_amd64.deb`

以上是自己摸索出来的，折腾了一番之后才发现原来官方的 install guide已经说明了，如下：

The debian installation automatically installs any dependencies, but:

requires sudo root privileges to install

provides no flexibility as to which location TensorRT is installed into

requires that the CUDA Toolkit has also been installed with a debian package.

注意最后一条，意思是如果用deb包安装TensorRT，那么前提是你的CUDA也是用deb包安装的。

怪自己没有认真看，要是多花个5分钟仔细看一下，就不用折腾这么久了，由此深有感触，文档还是官方英文原版的最好，而且要认真看。

不过不知道用 runfile cuda+Tar File Installation tensorRT的组合安装方式是怎么样的，没试过。

tensorRT 3 支持CUDA 8 和 CUDA 9，但是只支持 cuDNN 7，我第一次安装的时候cuDNN是5.1的，结果总是出错，错误是啥忘记了，反正换成cuDNN 7就好了，这个官方指导也有说明，不过比较隐蔽，他是放在 4.2 Tar File Installation 一节说明的：
1. Install the following dependencies, if not already present:
  ‣ Install the CUDA Toolkit v8.0, 9.0 or 9.2
  ‣ cuDNN 7.1.3
  ‣ Python 2 or Python 3
我试过只要大版本是 cudnn7就可以。这个也容易忽略。

安装好后，使用 $ dpkg -l | grep TensorRT 命令检测是否成功，输出如下所示即为成功

安装后会在 /usr/src 目录下生成一个 tensorrt 文件夹，里面包含 bin , data , python , samples 四个文件夹， samples 文件夹中是官方例程的源码； data , python 文件中存放官方例程用到的资源文件，比如caffemodel文件，TensorFlow模型文件，一些图片等；bin 文件夹用于存放编译后的二进制文件。

可以把 tensorrt 文件夹拷贝到用户目录下，方便自己修改测试例程中的代码。

进入 samples 文件夹直接 make，会在 bin 目录中生成可执行文件，可以一一进行测试学习。

另外tensorRT是不开源的，它的头文件位于 /usr/include/x86_64-linux-gnu 目录下，共有七个，分别为：

/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvCaffeParser.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvInfer.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvInferPlugin.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvOnnxConfig.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvOnnxParser.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvUffParser.h
/usr/include/x86_64-linux-gnu/NvUtils.h

TensorRT4.0相比于3.0新增了对ONNX的支持。

tensorRT的库文件位于 /usr/lib/x86_64-linux-gnu 目录下，如下(筛选出来的，掺杂了一些其他nvidia库)：

/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvToolsExt.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer_plugin.a
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer_plugin.so.4
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvcaffe_parser.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvparsers.so.4.1.2
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/stubs/libnvrtc.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvcaffe_parser.a
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvidia-opencl.so.1
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvvm.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer.a
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvvm.so.3
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvToolsExt.so.1
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc.so.7.5
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvparsers.a
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvblas.so.7.5
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvToolsExt.so.1.0.0
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvcaffe_parser.so.4.1.2
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer_plugin.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc-builtins.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvparsers.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc-builtins.so.7.5.18
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvblas.so.7.5.18
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvvm.so.3.0.0
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc-builtins.so.7.5
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer.so.4.1.2
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvidia-opencl.so.390.30
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvrtc.so.7.5.17
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvblas.so
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer.so.4
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvparsers.so.4
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvinfer_plugin.so.4.1.2
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnvcaffe_parser.so.4

编译

将 /usr/src/tensorrt 文件夹拷贝到用户目录下，假设路径为 <tensorrt_srcpath> 。

第一个问题：

在 <tensorrt_srcpath>/tensorrt/samples 文件夹中有个 Makefile.config 文件，里面第4行：

1	`CUDA_VER?=cuda-$(shell dpkg-query -f '$${version}\n' -W 'cuda-cudart-[0-9]*' \| cut -d . -f 1,2 \| sort -n \| tail -n 1)`

这一句是为了获取cuda版本的，我的机器是 CUDA 8.0 。我记得我第一次安装时，后面dpkg命令输出的不是8.0，是一个很奇怪的数字，导致我不能编译 tensorRT 例程。后来我直接在这句后面添加了一句： CUDA_VER=cuda-8.0 ，简单粗暴解决问题了。

这个问题好像是还是因为我之前安装 cuda 时是用 runfile 的方式安装的，用这种方式安装的cuda不会安装cuda的deb包，所以上面语句输出的是不对的，导致找不到cuda库目录，编译不能进行。

可以使用命令sudo dpkg -i cuda-repo-ubuntu1604-8-0-local-ga2_8.0.61-1_amd64.deb ，安装deb包，就可以了。或者像我那样添加 CUDA_VER=cuda-8.0 也可以。

如果安装cuda就是使用deb包安装的话，就不会出现这个问题。

第二个问题：

如果机器上安装了多个cuda版本，像我这个机器上 cuda8.0，9.0，9.1都装上了，上面语句得到的就只是 CUDA_VER=9.1，如果安装的是其他版本cuda的TensorRT的话肯定是不对的。

可以直接在第4行下面添加：

1	`CUDA_INSTALL_DIR=/usr/local/cuda-9.0`

3 TensorRT 使用流程

这是个很简单的流程，先简单了解一下，以后会深入研究更高级的用法。

在使用tensorRT的过程中需要提供以下文件（以caffe为例）：

A network architecture file (deploy.prototxt), 模型文件
Trained weights (net.caffemodel), 权值文件
A label file to provide a name for each output class. 标签文件

前两个是为了解析模型时使用，最后一个是推理输出时将数字映射为有意义的文字标签。

tensorRT的使用包括两个阶段， build and deployment：

build：Import and optimize trained models to generate inference engines

pasted-image-0-5-625x140

build阶段主要完成模型转换（从caffe或TensorFlow到TensorRT），在模型转换时会完成前述优化过程中的层间融合，精度校准。这一步的输出是一个针对特定GPU平台和网络模型的优化过的TensorRT模型，这个TensorRT模型可以序列化存储到磁盘或内存中。存储到磁盘中的文件称之为 plan file。

下面代码是一个简单的build过程：

//创建一个builder
IBuilder* builder = createInferBuilder(gLogger);
 
// parse the caffe model to populate the network, then set the outputs
// 创建一个network对象，不过这时network对象只是一个空架子
INetworkDefinition* network = builder->createNetwork();
 
//tensorRT提供一个高级别的API：CaffeParser，用于解析Caffe模型
//parser.parse函数接受的参数就是上面提到的文件，和network对象
//这一步之后network对象里面的参数才被填充，才具有实际的意义
CaffeParser parser;
auto blob_name_to_tensor = parser.parse(“deploy.prototxt”,
trained_file.c_str(),
*network,
DataType::kFLOAT);
 
// 标记输出 tensors
// specify which tensors are outputs
network->markOutput(*blob_name_to_tensor->find("prob"));
 
// Build the engine
// 设置batchsize和工作空间，然后创建inference engine
builder->setMaxBatchSize(1);
builder->setMaxWorkspaceSize(1 << 30);
//调用buildCudaEngine时才会进行前述的层间融合或精度校准优化方式
ICudaEngine* engine = builder->buildCudaEngine(*network);

上面的过程使用了一个高级别的API：CaffeParser，直接读取 caffe的模型文件，就可以解析，也就是填充network对象。解析的过程也可以直接使用一些低级别的C++API，比如：

1 2	`ITensor* in = network->addInput(“input”, DataType::kFloat, Dims3{…}); IPoolingLayer* pool = network->addPooling(in, PoolingType::kMAX, …);`

解析caffe模型之后，必须要指定输出tensor，设置batchsize，和设置工作空间。设置batchsize就跟使用caffe测试是一样的，设置工作空间是进行前述层间融合和张量融合的必要措施。层间融合和张量融合的过程是在调用builder->buildCudaEngine时才进行的。

deploy：Generate runtime inference engine for inference

pasted-image-0-6-625x129

deploy阶段主要完成推理过程，Kernel Auto-Tuning 和 Dynamic Tensor Memory 应该是在这里完成的。将上面一个步骤中的plan文件首先反序列化，并创建一个 runtime engine，然后就可以输入数据（比如测试集或数据集之外的图片），然后输出分类向量结果或检测结果。

tensorRT的好处就是不需要安装其他深度学习框架，就可以实现部署和推理。

以下是一个简单的deploy代码：这里面没有包含反序列化过程和测试时的batch流获取

// The execution context is responsible for launching the
// compute kernels 创建上下文环境 context，用于启动kernel
IExecutionContext *context = engine->createExecutionContext();
 
// In order to bind the buffers, we need to know the names of the
// input and output tensors. //获取输入，输出tensor索引
int inputIndex = engine->getBindingIndex(INPUT_LAYER_NAME),
int outputIndex = engine->getBindingIndex(OUTPUT_LAYER_NAME);
 
//申请GPU显存
// Allocate GPU memory for Input / Output data
void* buffers = malloc(engine->getNbBindings() * sizeof(void*));
cudaMalloc(&buffers[inputIndex], batchSize * size_of_single_input);
cudaMalloc(&buffers[outputIndex], batchSize * size_of_single_output);
 
//使用cuda 流来管理并行计算
// Use CUDA streams to manage the concurrency of copying and executing
cudaStream_t stream;
cudaStreamCreate(&stream);
 
//从内存到显存，input是读入内存中的数据；buffers[inputIndex]是显存上的存储区域，用于存放输入数据
// Copy Input Data to the GPU
cudaMemcpyAsync(buffers[inputIndex], input,
batchSize * size_of_single_input,
cudaMemcpyHostToDevice, stream);
 
//启动cuda核计算
// Launch an instance of the GIE compute kernel
context.enqueue(batchSize, buffers, stream, nullptr);
 
//从显存到内存，buffers[outputIndex]是显存中的存储区，存放模型输出；output是内存中的数据
// Copy Output Data to the Host
cudaMemcpyAsync(output, buffers[outputIndex],
batchSize * size_of_single_output,
cudaMemcpyDeviceToHost, stream));
 
//如果使用了多个cuda流，需要同步
// It is possible to have multiple instances of the code above
// in flight on the GPU in different streams.
// The host can then sync on a given stream and use the results
cudaStreamSynchronize(stream);