OneFlow源码解析：Op、Kernel与解释器

撰文｜郑建华
更新｜赵露阳

Op与Kernel的注册

继续追踪执行流程会发现，ReluFunctor在构造UserOpExpr时会用到UserOpRegistryMgr管理的Op与Kernel。Op表示算子的描述信息，Kernel在不同设备上实现计算。

注册信息保存在私有的map变量中。UserOpRegistryMgr的头文件
（https://github.com/Oneflow-In...）中定义了3个宏，REGISTER_USER_OP、REGISTER_USER_OP_GRAD、REGISTER_USER_KERNEL分别用于注册op、grad_op、kernel。

1.1 ReluOp的注册

REGISTER_USER_OP负责UserOp的注册。通过检索代码可以找到这个宏的使用场景。ReluOp相关的源代码在这3个文件中：

class定义:
build/oneflow/core/framework/op_generated.h
注册op、op的部分实现:
build/oneflow/core/framework/op_generated.cpp
主要实现:
oneflow/oneflow/user/ops/relu_op.cpp

REGISTER_USER_OP宏在op_generated.cpp中展开后代码如下：

static UserOpRegisterTrigger<OpRegistry> g_register_trigger715 =
  ::oneflow::user_op::UserOpRegistryMgr::Get()
  .CheckAndGetOpRegistry("relu")
  .Input("x")
  .Output("y")
  .SetGetSbpFn(&ReluOp::GetSbp)
  .SetLogicalTensorDescInferFn(&ReluOp::InferLogicalTensorDesc)    .SetPhysicalTensorDescInferFn(&ReluOp::InferPhysicalTensorDesc)
  .SetDataTypeInferFn(&ReluOp::InferDataType);

调用流程如下：

CheckAndGetOpRegistry（https://github.com/Oneflow-In...）会创建一个OpRegistry（https://github.com/Oneflow-In...）对象，这个类和UserOpRegisterTrigger（https://github.com/Oneflow-In...）类一样，只是为构造OpRegistryResult（https://github.com/Oneflow-In...）用的中间类型。

OpRegistry会暂存中间结果并在Finish中设置一些默认推导逻辑。UserOpRegisterTrigger的构造函数会调用注册逻辑。静态变量就是为了触发构造函数从而调用注册逻辑，将构造好的OpRegistryResult保存到UserOpRegistryMgr（https://github.com/Oneflow-In...）（key是op_type，如relu）。

ReluOp表示一个具体的op_type，负责为OpRegistryResult提供Op特有的方法。

OpRegistryResult把不同的Op抽象为一个通用的结构（便于统一注册管理），主要包含描述信息，保存了op的输入输出描述，以及数据类型、sbp等的推导逻辑函数。对于relu来说，主要是记录了几个推导函数要调用ReluOp的静态方法；op_def主要包含input/output的名字。

1.2 ReluKernel的注册

ReluKernel在relu_kernel.cpp中注册，过程和Op的注册类似。REGISTER_USER_KERNEL宏产开后如下所示：

static UserOpRegisterTrigger<OpKernelRegistry> g_register_trigger0 =
  UserOpRegistryMgr::Get().
    CheckAndGetOpKernelRegistry("relu").
    .SetCreateFn(...)
    .SetIsMatchedHob(UnaryPrimitiveExists(ep::primitive::UnaryOp::kRelu, "y", "x"))
    .SetInplaceProposalFn([](const user_op::InferContext&,
                             const user_op::AddInplaceArgPair& AddInplaceArgPairFn) -> Maybe<void> {
      OF_RETURN_IF_ERROR(AddInplaceArgPairFn("y", 0, "x", 0, true));
      return Maybe<void>::Ok();
    });

注意SetCreateFn只是把一个如下的lambda表达式赋值给result_.create_fn，这个字段很重要，后续执行就是通过它获取kernel。

[]() {
    return user_op::NewOpKernel<UnaryPrimitiveKernel>(
        "y", "x", [](user_op::KernelComputeContext* ctx) {
            const user_op::TensorDesc* src = ctx->TensorDesc4ArgNameAndIndex("x", 0);
            const user_op::TensorDesc* dst = ctx->TensorDesc4ArgNameAndIndex("y", 0);
            return ep::primitive::NewPrimitive<ep::primitive::ElementwiseUnaryFactory>(
                ctx->device_type(), ep::primitive::UnaryOp::kRelu, src->data_type(),
                dst->data_type());
        });
}

对于relu来说，NewOpKernel就是new一个UnaryPrimitiveKernel对象并返回函数指针。最终注册的结果，会把OpKernelRegistryResult保存到UserOpRegistryMgr（key是op_type_name，如"relu"）。 1.3 Op和Kernel注册相关的类关系图

UserOpExpr的构造

上一篇提到，functional_api.yaml.cpp中的functional::Relu函数通过find("Relu")获取预先注册的PackedFunctor<impl::ReluFunctor>，调用其call方法会执行impl::ReluFunctor。

ReluFunctor
（https://github.com/Oneflow-In...）的核心代码如下：

class ReluFunctor {
 public:
  ReluFunctor() { op_ = CHECK_JUST(one::OpBuilder("relu").Input("x", 1).Output("y", 1).Build()); }
  Maybe<Tensor> operator()(const std::shared_ptr<Tensor>& x, bool inplace) const {
    // 忽略inplace相关逻辑
    return OpInterpUtil::Dispatch<Tensor>(*op_, {x});
  }
 private:
  std::shared_ptr<OpExpr> op_;
};

ReluFunctor
（https://github.com/Oneflow-In...）的构造函数中，主要是构造UserOpExpr（https://github.com/Oneflow-In...）。

每一个user op通过OpBuilder的Build()后，都会生成相应的UserOpExpr，用于存储属性、类型/shape/设备等推导方法，用于接下来op/kernel的实际计算。UserOpExpr包含以下成员：

base_attrs_
tensor_desc_infer_fn_
dtype_infer_fn_
device_and_stream_infer_fn_

它们分别用于存储该user op相关attrs属性、input/output tensor shape推导方法、数据类型data type推导方法、设备及计算流推导方法等。除了常用的UserOpExpr、还有一些用于系统op的BuiltinOpExpr。

OpBuilder的Input/Output调用主要是操作UserOpConf的proto对象，Build函数内会修改UserOpConf对象，比如根据OpRegistryResult::op_def补充默认值到attr。

之后构造UserOpExpr对象，UserOpConf对象被保存到UserOpExpr的父类BuiltinOpExprImpl<UserOpConf>的op_proto_字段，对于relu来说，op_proto_主要保存input, output等信息。UserOpExpr初始化时会从OpRegistryResult拷贝函数变量。

Functor的执行

ReluFunctor执行的核心逻辑是调用OpInterpUtil::Dispatch。调运顺序如下：

整个链路很长，本篇笔记只以Eager Local Mode下，对主要执行流程做一些说明。

3.1 根据环境和输入选择解释器

Dispatch调用的GetInterpreter（https://github.com/Oneflow-In...）返回的是一个AutogradInterpreter（https://github.com/Oneflow-In...）对象，这个类是在其内含的OpExprInterpreter成员变量基础之上增加了autograd的功能。GetIntrpreter内实际构造的是以下3种Interpreter，在Build函数返回时转为AutogradInterpreter。

LazyInterpreter: 用于lazy mode下的分布式静态图执行模式
EagerLocalInterpreter: 用于eager local mode本地单卡执行模式（和pytorch单卡或DDP对齐）
EagerGlobalInterpreter: 用于eager global mode，的分布式动态图执行模式

各个Interpreter的关系如下：

GetInterpreter的作用是根据输入和环境等信息，选择一个合适的解释器。

接着在Dispatch中调用解释器的AutogradInterpreter::Apply方法，在这个方法内调用internal_->Apply(...)（https://github.com/Oneflow-In...），也就是上述3个解释器的Apply方法。

3.2 Apply

通过上面我们知道，EagerLocalInterpreter、EagerGlobalnterpreter和LazyInterpreter 都将为其包裹上AutogradInterpreter的壳，通过AutogradInterpreter触发Apply的调用。顾名思义，AutogradInterpreter的作用主要是和autograd相关，其主要为eager mode下前向的op节点插入对应的，用于反向计算grad的节点。

下面以最常用的（Eager Mode）模式，讲解Apply的执行方法。在Eager Mode（无论是eager local还是eager consistent）模式下，实际都会走到EagerInterpreter的Apply（https://github.com/Oneflow-In...）方法：

Maybe<void> EagerInterpreter::Apply(const OpExpr& op_expr, const TensorTuple& inputs,
                                    TensorTuple* outputs, const OpExprInterpContext& ctx) const {
#define APPLY_IF(op_type)                                              \
  if (const auto* op = dynamic_cast<const op_type##Expr*>(&op_expr)) { \
    return ApplyImpl(*op, inputs, outputs, ctx);                       \
  }

  APPLY_IF(UserOp);
  APPLY_IF(VariableOp);
  APPLY_IF(CastToLocalOp);
  APPLY_IF(CastFromLocalOp);
  APPLY_IF(GlobalToGlobalOp);
  APPLY_IF(CastToGlobalOp);
  APPLY_IF(CastFromGlobalOp);
  APPLY_IF(DistributeSplitOp);
  APPLY_IF(DistributeCloneOp);
  APPLY_IF(DistributeConcatOp);
  APPLY_IF(DistributeAddOp);
  APPLY_IF(FunctionOp);
  APPLY_IF(SelectTopNOp)
#undef APPLY_IF

  OF_UNIMPLEMENTED() << "The type " << op_expr.op_type_name()
                     << " has not been supported in EagerInterpreter::Apply.";
}

这里通过宏定义APPLY_IF，增加了对不同类型op的分支处理，将op_expr dynamic_cast成相应子类op实现的Expr，如对于大多数用户来说，用到的op都是UserOp类型，所以这里实际上会走到这个分支中：

if (const auto* op = dynamic_cast<const UserOpExpr*>(&op_expr)) {
    return ApplyImpl(*op, inputs, outputs, ctx);
}

再看看EagerLocalInterpreter::ApplyImpl（https://github.com/Oneflow-In...）：

Maybe<void> EagerLocalInterpreter::ApplyImpl(const UserOpExpr& op_expr, const TensorTuple& inputs,
                                             TensorTuple* outputs,
                                             const OpExprInterpContext& ctx) const {
  return NaiveInterpret(op_expr, inputs, outputs, ctx);
}

其最终实现是NaiveInterpret（https://github.com/Oneflow-In...）。

3.3 NaiveInterpret

NaiveInterpret简单来说，主要用于做以下四件事：

check input tensor的device是否一致
生成output tensor
为output tensor推导和检查shape/stride/dtype
构建op执行指令，并派发至vm

简化版的代码如下：

Maybe<void> NaiveInterpret(const UserOpExpr& user_op_expr, const TensorTuple& inputs,
                           const Symbol<Device>& default_device, TensorTuple* outputs,
                           const OpExprInterpContext& ctx) {

  const auto& attrs = ctx.attrs;
  // 检查input tensor是否位于相同device上
  ...
      
  // 推导outout tensor的设备类型
  // Infer devices
  if (!user_op_expr.has_device_and_stream_infer_fn()) {
    stream = JUST(GetDefaultStreamByDevice(default_device));
    for (int i = 0; i < outputs->size(); i++) {
      auto* tensor_impl = JUST(TensorImpl4Tensor(outputs->at(i)));
      *JUST(tensor_impl->mut_device()) = default_device;
    }
  } else {
    need_check_mem_case = false;
    stream = JUST(user_op_expr.InferDeviceAndStream(attrs, inputs, outputs));
  }

  // 推导outout tensor的形状、数据类型
  // Infer shapes and dtypes
  const auto& device_tag = stream->device()->type();
  JUST(user_op_expr.InferPhysicalTensorDesc(
      attrs, device_tag,
      [&](int32_t i) -> const TensorMeta* {
        return CHECK_JUST(TensorImpl4Tensor(inputs[i]))->mut_tensor_meta();
      },
      [&](int32_t i) -> TensorMeta* {
        // using thread_local TensorMeta pointer if inplace.
        // using tensor_impl TensorMeta pointer if not inplace.
        return output_tensor_metas->at(i);
      }));

  // 为output tensor初始化eager_blob_object
  for (int i = 0; i < output_eager_blob_objects->size(); i++) {
    auto* tensor_impl = JUST(TensorImpl4Tensor(outputs->at(i)));
    if (!output_eager_blob_objects->at(i)) {
      if (!JUST(user_op_expr.SupportNonContiguous())) {
        std::shared_ptr<Stride> stride(new Stride(*tensor_impl->shape()));
        tensor_impl->mut_tensor_meta()->set_stride(stride);
      }
      const auto& dep_object = NewLocalDepObject();
      JUST(tensor_impl->InitEagerBlobObject(dep_object));
      output_eager_blob_objects->at(i) = JUST(tensor_impl->eager_blob_object());
    } else {
      // output i is inplaced.
      // check thread_local TensorMeta and tensor_impl TensorMeta.
      CHECK_OR_RETURN(tensor_impl->tensor_meta()->shape() == output_tensor_metas->at(i)->shape());
      CHECK_OR_RETURN(tensor_impl->tensor_meta()->dtype() == output_tensor_metas->at(i)->dtype());
    }
  }

  // 从user_op_expr中取出kernel
  const auto& kernel = JUST(user_op_expr.MutKernel4Stream(stream));
  kernel->set_need_check_mem_case(need_check_mem_case);

  for (int64_t index : kernel->output_tuple_indexes4mut2_obns()) {
    output_eager_blob_objects->at(index)->set_is_shape_synced(false);
  }
  // kernel dispatch至VM，等待后续实际的调度执行
  JUST(PhysicalRun([&](InstructionsBuilder* builder) -> Maybe<void> {
    return builder->Call(kernel, input_eager_blob_objects, output_eager_blob_objects, ctx, stream);
  }));
  return Maybe<void>::Ok();
}

PhysicalRun接受一个lambda functor作为参数，这里即InstructionsBuilder->Call方法，该方法接受kernel、input/output的eager blob object、kernel执行的上下文作为参数。Call方法实际会完成OpCall指令的构建，并最终将其派发至vm指令列表中，等待VM实际调度执行。

参考资料

OneFlow学习笔记：Op注册
（https://mp.weixin.qq.com/s/eF...）
从Functor到OpExprInterpreter
https://github.com/Oneflow-In...
https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

（本文经授权后发布，原文https://segmentfault.com/a/11...）

欢迎下载体验 OneFlow v0.8.0 最新版本：
https://github.com/Oneflow-In...

OneFlow源码解析：Op、Kernel与解释器

Op与Kernel的注册

UserOpExpr的构造

Functor的执行

OneFlow

引用和评论

SiliconCloud上线Reflection-Llama-3.1-70B

详解Diffusion扩散模型：理论、架构与实现

活动报名｜走进蚂蚁上海S空间，探索大模型背景下的私域知识库构建

专业级语义搜索优化：利用 Cohere AI、BGE Re-Ranker 及 Jina Reranker 实现精准结果重排

登 Nature 子刊！论文一作详解蛋白质语言模型的小样本学习方法，解决湿实验数据匮乏难题

SAM 2最新应用落地！牛津大学团队发布Medical SAM 2，刷新医学图像分割SOTA榜

Python用CNN - LSTM、ARIMA、Prophet股票价格预测的研究与分析|附数据代码