视焦点讯！OneFlow源码解析：算子指令在虚拟机中的执行

撰文｜郑建华、赵露阳

1

Op在虚拟机里的执行

1.1 PhysicalRun和InstructionsBuilder

上一篇文章《OneFlow源码解析：Op、Kernel与解释器》中提到：

这个PhysicalRun函数里包裹着一个lambda函数：

(相关资料图)

JUST(PhysicalRun([&](InstructionsBuilder* builder) -> Maybe { return builder->Call(xxx);}));

其中，lambda函数接受一个InstructionsBuilder指针(builder)，并调用builder->Call方法，用于实际完成Op指令在VM中的构建。而PhysicalRun（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/framework/instructions_builder.h#L160）在 oneflow/core/framework/instructions_builder.h中定义，其接受lambda函数作为模版参数(CallbackT)：

// Make VM instructions with instruction builder and run instructions with physical/local view.templateMaybe PhysicalRun(const CallbackT& Build) { vm::InstructionList instruction_list; InstructionsBuilder instructions_builder(&instruction_list); JUST(Build(&instructions_builder)); JUST(vm::Run(instructions_builder.mut_instruction_list())); return Maybe::Ok();}

可见，PhysicalRun函数中，首先初始化一个InstructionsBuilder，然后将InstructionsBuilder指针作为参数传给lambda函数，完成实际指令的构建；最后通过vm::Run()方法将该指令发送至VM，等候VM实际调度和执行。Run方法如下：

Maybe Run(vm::InstructionList* instruction_list) { auto* virtual_machine = JUST(SingletonMaybe()); JUST(virtual_machine->Receive(instruction_list)); return Maybe::Ok();}

可以看见，Run()方法获取了全局单例的VM对象指针，然后通过vm的Receive()方法，将该条指令发送给虚拟机（所以这里Run其实有点歧义，更贴切的意思，其实是指令发送或传送）。

这个VirtualMachine->Receive方法很重要，会在后面的第2.章节中详细展开。

1.2 InstructionsBuilder

上面PhysicalRun函数中的InstructionsBuilder，类似一个指令构建的helper，InstructionsBuilder的系列方法配合指令策略(InstructionPolicy)，可以帮助构建不同类型的vm指令。

从InstructionsBuilder

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/framework/instructions_builder.h#L47）的定义中，我们可以看到指令的构建方法，其中常用方法如下：

// 用于lazy mode(nn.Graph)// Build VM execution instructions with NNGraph"s inputs/outputs/parameters for NNGraph execution.Maybe LaunchLazyJob(const vm::EagerBlobObjectListPtr& inputs, const vm::EagerBlobObjectListPtr& outputs, const vm::EagerBlobObjectListPtr& parameters, const std::shared_ptr& nn_graph);// 用于全局同步，同步等待所有指令调用完成Maybe GlobalSync();// 用于Tensor内存释放(归还allocator)Maybe ReleaseTensor(const std::shared_ptr& eager_blob_object);// 操作Tensor实际内存（blob）templateMaybe AccessBlobByCallback( const T tensor, const std::function&)>& callback, const std::string& modifier);// 最常用的指令构建方法，用于构造op执行所需的OpCall指令Maybe Call(const std::shared_ptr& opkernel, vm::EagerBlobObjectList&& input_eager_blob_objects, vm::EagerBlobObjectList&& output_eager_blob_objects, const one::OpExprInterpContext& ctx, Symbol stream);

1.3 InstructionPolicy

InstructionPolicy

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/instruction_policy.h#L34）——指令策略，通常用于配合InstructionsBuilder实际构建出不同的vm指令。InstructionPolicy的子类实现如下：

这些子类的InstructionPolicy可近似认为是指令类型。如，用于Op执行的OpCallInstructionPolicy、用于Tensor内存释放的ReleaseTensorInstructionPolicy、用于屏障阻塞的BarrierInstructionPolicy等。

以Op执行为例：

JUST(PhysicalRun([&](InstructionsBuilder* builder) -> Maybe { return builder->Call(xxx);}));

实际上是通过InstructionsBuilder的Call方法

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/framework/instructions_builder.cpp#L355），配合OpCall的指令策略（OpCallInstructionPolicy），构造了OpCall指令：

Maybe InstructionsBuilder::Call( const std::shared_ptr& opkernel, vm::EagerBlobObjectList&& input_eager_blob_objects, vm::EagerBlobObjectList&& output_eager_blob_objects, const std::shared_ptr& global_tensor_infer_result, const one::OpExprInterpContext& ctx, Symbol stream) { ... ... // 获取当前vm stream auto* vm_stream = JUST(Singleton::Get()->GetVmStream(stream)); // 通过OpCallInstructionPolicy初始化OpCall指令 auto instruction = intrusive::make_shared( vm_stream, std::make_shared( vm_stream, opkernel, std::move(input_eager_blob_objects), std::move(output_eager_blob_objects), global_tensor_infer_result, ctx, *one::CurrentDevVmDepObjectConsumeMode())); // 指令入列表 instruction_list_->EmplaceBack(std::move(instruction)); return Maybe::Ok();}

并将构建好的指令塞入指令列表，待后续VM调度并实际执行。

2

虚拟机的运行原理

2.1 VM初始化

OneFlow环境初始化时，会触发VirtualMachineScope

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine_scope.cpp#L24）的初始化：

VirtualMachineScope::VirtualMachineScope(const Resource& resource) { Singleton::New();}

进而触发VM对象——VirtualMachine

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine.cpp#L81）的初始化。VM作为一个Singleton对象，全局唯一。

VirtualMachine::VirtualMachine() : disable_vm_threads_(false), scheduler_stopped_(false) { // Class VirtualMachineEngine only cares the basic logical of vm, while class VirtualMachine // manages threads and condition variables. // In order to notify threads in VirtualMachineEngine, a notify callback lambda should be take as // an argument for VirtualMachineEngine"s constructor. engine_ = intrusive::make_shared(); OF_PROFILER_NAME_THIS_HOST_THREAD("_Main"); std::function SchedulerInitializer; GetSchedulerThreadInitializer(&SchedulerInitializer); schedule_thread_ = std::thread(&VirtualMachine::ScheduleLoop, this, SchedulerInitializer); transport_local_dep_object_.Reset();}

VM初始化中最重要的内容，便是：

1.初始化了一个VM的执行引擎——VirtualMachineEngine

2.通过VirtualMachine::ScheduleLoop启动了VM的调度线程

VirtualMachine::ScheduleLoop

VM对象只负责条件变量和线程管理；而主要业务逻辑处理（包括指令构建、调度、派发和执行等），则由VirtualMachineEngine

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine_engine.h#L47）对象负责；VM初始化时还开辟了单独的schedule线程用于VM引擎处理调度逻辑，在VirtualMachine::ScheduleLoop

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine.cpp#L292）中：

void VirtualMachine::ScheduleLoop(const std::function& Initializer) { SyncVmModeGuard guard(SyncVmMode::kEnable); Initializer(); MultiThreadScheduleCtx schedule_ctx{}; while (pending_notifier_.WaitAndClearNotifiedCnt() == kNotifierStatusSuccess) { OF_PROFILER_RANGE_GUARD("VirtualMachine::ScheduleLoop"); auto start = std::chrono::steady_clock::now(); static constexpr int kWorkingMicroseconds = 1000; // Every time this thread wakes up, engine_ is scheduled for about `kWorkingMicroseconds`. // The cost of os thread switching is about 5-10 microseconds. Doing more scheduling in // a single waiting up can reach higher performance. do { do { const size_t total_inserted = engine_->total_inserted_instruction_cnt(); const size_t total_erased = engine_->total_erased_instruction_cnt(); engine_->Schedule(schedule_ctx); if (ThreadLocalEnvBool() && total_inserted == engine_->total_inserted_instruction_cnt() && total_erased == engine_->total_erased_instruction_cnt()) { // nothing handled. std::this_thread::yield(); } } while (!engine_->SchedulerThreadUnsafeEmpty()); } while (MicrosecondsFrom(start) < kWorkingMicroseconds); } ScheduleUntilVMEmpty(engine_.Mutable(), schedule_ctx); CHECK_JUST(ForEachThreadCtx(engine_.Mutable(), [&](vm::ThreadCtx* thread_ctx) -> Maybe { thread_ctx->mut_notifier()->Close(); return Maybe::Ok(); })); { std::unique_lock lock(worker_threads_mutex_); for (const auto& worker_thread : worker_threads_) { worker_thread->join(); } } scheduler_stopped_ = true;}

ScheduleLoop是一个近似于busy loop的while循环，pending_notifier_是VM内部维护的成员，实际上是ScheduleLoop线程的通知/唤醒者，其定义位于oneflow/oneflow/core/common/notifier.h：

class Notifier final { public: OF_DISALLOW_COPY_AND_MOVE(Notifier); Notifier() : notified_cnt_(0), is_closed_(false) {} ~Notifier() = default; NotifierStatus Notify(); NotifierStatus WaitAndClearNotifiedCnt(); void Close(); private: size_t notified_cnt_; std::mutex mutex_; bool is_closed_; std::condition_variable cond_;};

其主要维护了互斥锁mutex_、线程是否关闭的flag is_closed_、条件变量cond_。忽略线程唤醒、超时相关逻辑，ScheduleLoop中最重要的事情是engine_->Schedule(schedule_ctx);

while (pending_notifier_.WaitAndClearNotifiedCnt() == kNotifierStatusSuccess) { auto start = std::chrono::steady_clock::now(); ... do { do { ... engine_->Schedule(schedule_ctx); ... } while (!engine_->SchedulerThreadUnsafeEmpty()); } while (MicrosecondsFrom(start) < kWorkingMicroseconds); }

当VM维护的指令队列不为空时，便不断唤醒VM引擎执行指令调度逻辑——engine->Schedule()

2.2 VM指令调度

void VirtualMachineEngine::Schedule(const ScheduleCtx& schedule_ctx) { // Release finished instructions and try to schedule out instructions in DAG onto ready list. if (unlikely(mut_active_stream_list()->size())) { ReleaseFinishedInstructions(schedule_ctx); } // Try run the first barrier instruction. if (unlikely(mut_barrier_instruction_list()->size())) { TryRunBarrierInstruction(schedule_ctx); } // Handle pending instructions, and try schedule them to ready list. // Use thread_unsafe_size to avoid acquiring mutex lock. // The inconsistency between pending_instruction_list.list_head_.list_head_.container_ and // pending_instruction_list.list_head_.list_head_.size_ is not a fatal error because // VirtualMachineEngine::Schedule is always in a buzy loop. All instructions will get handled // eventually. // VirtualMachineEngine::Receive may be less effiencient if the thread safe version // `pending_instruction_list().size()` used here, because VirtualMachineEngine::Schedule is more // likely to get the mutex lock. if (unlikely(local_pending_instruction_list().size())) { HandleLocalPending(); } else if (unlikely(pending_instruction_list().thread_unsafe_size())) { // MoveTo is under a lock. mut_pending_instruction_list()->MoveTo(mut_local_pending_instruction_list()); if (local_pending_instruction_list().size()) { HandleLocalPending(); } } // dispatch ready instructions and try to schedule out instructions in DAG onto ready list. if (unlikely(mut_ready_instruction_list()->size())) { DispatchAndPrescheduleInstructions(schedule_ctx); } // handle scheduler probes if (unlikely(local_probe_list_.size())) { HandleLocalProbe(); } else if (unlikely(probe_list_.thread_unsafe_size())) { probe_list_.MoveTo(&local_probe_list_); if (local_probe_list_.size()) { HandleLocalProbe(); } }}

VM引擎维护了一系列指令列表的成员：

InstructionMutexedList pending_instruction_list_;// local_pending_instruction_list_ should be consider as the cache of pending_instruction_list_.InstructionList local_pending_instruction_list_;ReadyInstructionList ready_instruction_list_;LivelyInstructionList lively_instruction_list_;BarrierInstructionList barrier_instruction_list_;

pending相关的instruction_list是悬挂/待处理的指令列表；

lively相关的instruction_list是活跃的正在执行中的指令列表；

ready相关的instruction_list则是已完成准备工作（指令融合、指令DAG构建等）待执行的指令列表；

VM引擎Schedule时，会对指令队列做相应处理，包括：

将已完成准备工作的指令放入ready_instruction_list_中维护；

尝试运行barrier指令列表(barrier_instruction_list_)中的第一条指令；

如果本地pending指令列表(local_pending_instruction_list_)非空，则通过HandleLocalPending方法处理这些悬挂指令(指令融合、指令执行DAG图构建、插入ready列表)

如果ready指令列表非空，则通过DispatchAndPrescheduleInstructions方法进行指令派发和预调度处理。

这里重点介绍指令派发相关的DispatchAndPrescheduleInstructions方法，其中DispatchAndPrescheduleInstructions中最主要的是就是DispatchInstruction指令派发方法，这里的指令派发可以认为实际上就是指令执行。

2.3 VM指令派发

VirtualMachineEngine::DispatchInstruction 

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine_engine.cpp#L372）方法是vm引擎中的核心，其实际完成了指令的派发和实际执行，代码如下：

templatevoid VirtualMachineEngine::DispatchInstruction(Instruction* instruction, const ScheduleCtx& schedule_ctx) { auto* stream = instruction->mut_stream(); // Prepare { // 指令的Prepare const auto& ret = TRY(instruction->Prepare()); if (unlikely(!ret.IsOk())) { // 处理指令Prepare过程中的OOM的逻辑 if (ret.error()->has_out_of_memory_error()) { // 让allocator释放不必要的cacahe，再重新执行指令的Prepare (this->*OOMHandler)(stream, schedule_ctx); ... } } } // 将当前指令放入running_instruction_list stream->mut_running_instruction_list()->PushBack(instruction); if (stream->active_stream_hook().empty()) { mut_active_stream_list()->PushBack(stream); } // Compute if (OnSchedulerThread(*stream)) { // StreamPolicy的Run方法触发指令的实际执行——Compute stream->stream_policy().Run(instruction); } else { stream->mut_thread_ctx()->mut_worker_pending_instruction_list()->PushBack(instruction); schedule_ctx.OnWorkerLoadPending(stream->mut_thread_ctx()); }}

DispatchInstruction的核心主要有2块：

执行指令的Prepare

执行指令的Compute

Prepare负责一些指令执行前的准备；Compute则是实际的指令执行，指令执行并不是直接通过instruction->Run而是在StreamPolicy的Run方法中完成的，这里又涉及到一个StreamPolicy对象。

StreamPolicy::Run

StreamPolicy

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/stream_policy.h#L46）是个虚基类：

class StreamPolicy { public: virtual ~StreamPolicy() = default; virtual ep::Stream* stream() = 0; virtual vm::Allocator* mut_allocator() = 0; virtual DeviceType device_type() const = 0; virtual void InitInstructionStatus(const Stream& stream, InstructionStatusBuffer* status_buffer) const = 0; virtual void DeleteInstructionStatus(const Stream& stream, InstructionStatusBuffer* status_buffer) const = 0; virtual bool QueryInstructionStatusDone(const Stream& stream, const InstructionStatusBuffer& status_buffer) const = 0; virtual void Run(Instruction* instruction) const = 0; virtual bool OnSchedulerThread(StreamType stream_type) const; virtual bool SupportingTransportInstructions() const = 0; protected: StreamPolicy() = default;};

stream()方法返回ep::Stream指针，指向的是针对不同平台的ep::stream对象。

mut_allocator()方法返回一个vm的Allocator指针，用于内存分配/释放。

InitInstructionStatus/QueryInstructionStatusDone/DeleteInstructionStatus用于创建/查询/销毁指令执行状态

Run方法则是核心，定义了该Stream具体运行时的逻辑。

StreamPolicy相关的继承和子类如下：

看一下EpStreamPolicyBase的Run方法（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/ep_stream_policy_base.cpp#L41）：

void EpStreamPolicyBase::Run(Instruction* instruction) const { ... auto* stream = instruction->mut_stream(); EpStreamPolicyBase* ep_stream_policy_base = dynamic_cast(stream->mut_stream_policy()); ... auto* ep_device = ep_stream_policy_base->GetOrCreateEpDevice(); ep_device->SetAsActiveDevice(); instruction->Compute(); ...}

首先获取了该stream对应的ep device，然后执行了instruction的Compute方法，即指令的实际执行。

2.4 VM执行执行

以OpCall指令为例，看一下op指令的Compute

（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/op_call_instruction_policy.cpp#L201）：

void OpCallInstructionPolicy::Compute(vm::Instruction* instruction) { OpCallInstructionUtil::Compute(this, instruction);}

OpCallInstructionPolicy方法调用了OpCallInstructionUtil的Compute方法：

上面我们可以看到，在指令Prepare时，做了output tensor内存分配；而指令Compute中最重要的方法是：

TryInitOpKernelStateAndCache——初始化一些kernel计算需要的状态或缓存

OpKernelCompute——执行该op对应的kernel，kernel内主要是实际的op计算逻辑

user kernel统一位于：oneflow/user/kernels目录下，.cpp通常对应cpu kernel逻辑；.cu为cuda kernel逻辑。到这里，就会触发user_kernel的Compute方法，不同op的kernel计算逻辑不同，以rele op为例，实际Compute过程可参考文章《算子在深度学习框架中的执行及interpreter》的第5小节。

2.5 VM指令发送

这里的VM指令发送，指的是VM外部的指令发送过程（不是VM内部的指令派发）。上面2.1～2.3小节介绍了VM以及VM引擎的初始化、VM内部指令的调度、派发和实际执行的过程，那么这些指令是如何发送到VM的呢？答案是：在1.1小节中提到的PhysicalRun

PhysicalRun最终会触发VirtualMachine->Receive方法，并通过VirtualMachineEngine的Receive方法完成外部指令 -> VM内部的发送。

VirtualMachineEngine的Receive方法（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5/oneflow/core/vm/virtual_machine_engine.cpp#L400）主要将该指令通过MoveFrom方法push back到指令悬挂列表(pending_instruction_list_)的末尾，从而完成指令的发送。

// Returns true if old scheduler_pending_instruction_list is emptyMaybe VirtualMachineEngine::Receive(InstructionList* compute_instruction_list) { OF_PROFILER_RANGE_GUARD("vm:Receive");#ifdef OF_ENABLE_PROFILER INTRUSIVE_UNSAFE_FOR_EACH_PTR(compute_instruction, compute_instruction_list) { OF_PROFILER_RANGE_GUARD(compute_instruction->DebugName()); }#endif bool old_list_empty = mut_pending_instruction_list()->MoveFrom(compute_instruction_list); return old_list_empty;}

3 

小结

至此，Op执行相关的流程算是大体串了一遍。一句flow.relu()后面会涉及这么多内容。但这里其实也只关注了主干逻辑，忽略了中间大量的细节。

流程的梳理只是第一步，还需要从中归纳总结一些概念和概念之间的关系，再结合公开资料反推印证设计理念的落地实现。

不过目前对代码和设计的了解还很肤浅，下面的内容纯属大胆猜测。

3.1 UserOpExpr

UserOpExpr表示UserOp执行时所需的上下文，其实UserOp只是Op中的一种。下图展示了不同Op的继承关系。可以看到tensor从local/global之间的转换等也都涉及不同的OpExpr。

3.2 Op执行的宏观脉络

从上面的类关系图出发，以核心类为节点，也能看出Op执行流程的宏观脉络。整个流程大体在下面这些角色之间流转：

ReluFunctor

UserOpExpr

Interpreter

PhysicalRun

VirtualMachine->Receive

VirtualMachine->ScheduleLoop ...

3.3 虚拟机运行和调度总结

VM -> ScheduleLoop

VM引擎Schedule

处理悬挂指令（HandleLocalPending）

指令派发（DispatchInstruction）

准备（instruction->Prepare）

执行（StreamPolicy.Run -> instruction->Compute)

指令预调度

VM -> Receive

VM引擎 -> Receive

指令入悬挂列表

通常，我们习惯在动态图模式下训练深度学习网络，使用Python搭建网络，并通过各种op进行前向、反向、loss计算、调试debug等过程，这些Python代码可以看作是动态的op的执行序列。

OneFlow虚拟机将op执行序列抽象成了各种VM指令序列。OneFlow的虚拟机会对这些op执行序列进行动态翻译并生成VM指令序列，通过PhysicalRun构造完毕后，动态地将指令发送至VM的悬挂列表中维护。这些指令或在时间上存在先后顺序，或在数据上存在依赖关系，所以悬挂列表中的指令后续会被虚拟机进行一些指令融合、指令连边、动态构建指令DAG图的过程，然后移入就绪列表中维护，等待虚拟机调度并实际执行。虚拟机负责维护若干个指令队列，以及指令在这些队列之间的状态转换。

OneFlow虚拟机还统一了动态图模式（Eager Mode）和静态图模式（Lazy Mode）。静态图模式下，通过nn.Graph编译出深度学习网络的Job，这个Job同样被虚拟机抽象成了VM指令并接受虚拟机的调度和执行。大胆猜测一下，这也为日后动静转换、更极致的性能优化埋下了伏笔。

参考资料

从OpExprInterpreter到OpKernel

动态调度的“诅咒”| 原有深度学习框架的缺陷③

算子在深度学习框架中的执行及interpreter

OneFlow源码：

https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/tree/88f147d50e75d1644e552ed445dd58f9b5121ea5

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