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# 如何写新的Operator
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- [概念简介](#概念简介)
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- [实现C++类](#实现c类)
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- [定义ProtoMaker类](#定义protomaker类)
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- [定义Operator类](#定义operator类)
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- [定义OpKernel类](#定义opkernel类)
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- [注册Operator](#注册operator)
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- [编译](#编译)
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- [绑定Python](#绑定python)
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- [实现单元测试](#实现单元测试)
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- [前向Operator单测](#前向operator单测)
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- [反向Operator单测](#反向operator单测)
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- [编译和执行](#编译和执行)
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- [注意事项](#注意事项)
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## 概念简介
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简单介绍需要用到基类，详细介绍请参考设计文档。
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- `framework::OperatorBase`: Operator(简写，Op)基类。
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- `framework::OpKernel`: Op计算函数的基类，称作Kernel。
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- `framework::OperatorWithKernel`：继承自OperatorBase，Op有计算函数，称作有Kernel。
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- `class OpProtoAndCheckerMaker`：描述该Op的输入、输出、属性、注释,主要用于Python API接口生成
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依据是否包含kernel，可以将Op分为两种：包含Kernel的Op和不包含kernel的Op，前者Op的定义继承自`OperatorWithKernel`，后者继承自`OperatorBase`。本教程主要介绍带Kernel的Op如何写，简单总结Op需要包含的内容如下：
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<table>
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<thead>
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<tr>
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<th>内容</th>
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<th>定义位置</th>
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</tr>
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</thead>
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<tbody>
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<tr>
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<td>OpProtoMake定义 </td>
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<td>.cc 文件，Backward Op不需要定义OpProtoMake </td>
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</tr>
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<tr>
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<td>Op定义 </td>
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<td> .cc 文件</td>
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</tr>
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<tr>
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<td>Kernel实现 </td>
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<td> CPU、CUDA共享Kernel实现在.h 文件中，否则，CPU 实现在.cc 文件中，CUDA 实现在.cu 文件中。</td>
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</tr>
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<tr>
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<td>注册Op </td>
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<td> Op注册实现在.cc 文件；Kernel注册CPU实现在.cc 文件中，CUDA实现在.cu 文件中</td>
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</tr>
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</tbody>
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</table>
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实现新的op都添加至目录[paddle/fluid/operators](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/tree/develop/paddle/fluid/operators)下，文件命名以`*_op.h`（如有） 、 `*_op.cc` 、`*_op.cu`（如有）结尾。**系统会根据文件名自动构建op和其对应的Python扩展。**
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下面以矩阵乘操作，即[MulOp](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc)为例来介绍如何写带Kernel的Operator。
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## 实现C++类
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### 定义ProtoMaker类
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矩阵乘法的公式：$Out = X * Y$, 可见该计算由两个输入，一个输出组成。
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首先定义`ProtoMaker`来描述该Op的输入、输出，并添加注释：
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```cpp
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class MulOpMaker : public framework::OpProtoAndCheckerMaker {
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public:
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MulOpMaker(OpProto *proto, OpAttrChecker *op_checker)
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: OpProtoAndCheckerMaker(proto, op_checker) {
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AddInput("X", "(Tensor), 2D tensor of size (M x K)");
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AddInput("Y", "(Tensor), 2D tensor of size (K x N)");
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AddOutput("Out", "(Tensor), 2D tensor of size (M x N)");
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AddComment(R"DOC(
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Two Element Mul Operator.
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The equation is: Out = X * Y
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)DOC");
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}
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};
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```
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[`MulOpMaker`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc#L76-L127)继承自`framework::OpProtoAndCheckerMaker`，构造函数含有2个参数：
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- `framework::OpProto` ： 前者存储Op的输入输出和参数属性，将用于Python API接口的生成。
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- `framework::OpAttrChecker` ：后者用于检查参数属性的合法性。
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构造函数里通过`AddInput`添加输入参数，通过`AddOutput`添加输出参数，通过`AddComment`添加Op的注释。这些函数会将对应内容添加到`OpProto`中。
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上面的代码在`MulOp`中添加两个输入`X`和`Y`，添加了一个输出`Out`，并解释了各自含义，命名请遵守[命名规范](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/doc/fluid/dev/name_convention.md)。
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再以[`ScaleOp`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/scale_op.cc#L38-L55)为例：
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```cpp
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|
template <typename AttrType>
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|
class ScaleOpMaker : public framework::OpProtoAndCheckerMaker {
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|
public:
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ScaleOpMaker(OpProto *proto, OpAttrChecker *op_checker)
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|
: OpProtoAndCheckerMaker(proto, op_checker) {
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AddInput("X", "(Tensor) Input tensor of scale operator.");
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|
AddOutput("Out", "(Tensor) Output tensor of scale operator.");
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|
AddComment(R"DOC(
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|
Scale operator
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|
$$Out = scale*X$$
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|
)DOC");
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|
AddAttr<AttrType>("scale",
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"(float, default 1.0)"
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"The scaling factor of the scale operator.")
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.SetDefault(1.0);
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}
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|
};
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```
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这个例子有`AddAttr<AttrType>("scale", "...").SetDefault(1.0);` : 增加`scale`系数，作为参数属性，并且设置默认值为1.0。
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### 定义GradProtoMaker类
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每个Op的必须有一个对应的GraProtoMaker，若未定制对应前向Op的GradProtoMaker，fluid提供了DefaultGradProtoMaker，默认注册会使用全部输入输出，包括Input, Output, Output@Grad等，使用不需要的变量的会造成显存浪费。
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下面示例定义了ScaleOp的GradProtoMaker。
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```cpp
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class ScaleGradMaker : public framework::SingleGradOpDescMaker {
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public:
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using framework::SingleGradOpDescMaker::SingleGradOpDescMaker;
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std::unique_ptr<framework::OpDesc> Apply() const override {
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auto *grad_op = new framework::OpDesc();
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grad_op->SetType("scale");
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|
grad_op->SetInput("X", OutputGrad("Out"));
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|
grad_op->SetOutput("Out", InputGrad("X"));
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|
grad_op->SetAttr("scale", GetAttr("scale"));
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return std::unique_ptr<framework::OpDesc>(grad_op);
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|
|
}
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|
};
|
|
|
```
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### 定义Operator类
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下面实现了MulOp的定义：
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```cpp
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class MulOp : public framework::OperatorWithKernel {
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public:
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using framework::OperatorWithKernel::OperatorWithKernel;
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protected:
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|
void InferShape(const framework::InferShapeContext &ctx) const override {
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auto dim0 = ctx.Input<Tensor>("X")->dims();
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auto dim1 = ctx.Input<Tensor>("Y")->dims();
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PADDLE_ENFORCE_EQ(dim0.size(), 2,
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|
"input X(%s) should be a tensor with 2 dims, a matrix",
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ctx.op_.Input("X"));
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PADDLE_ENFORCE_EQ(dim1.size(), 2,
|
|
|
"input Y(%s) should be a tensor with 2 dims, a matrix",
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|
|
ctx.op_.Input("Y"));
|
|
|
PADDLE_ENFORCE_EQ(
|
|
|
dim0[1], dim1[0],
|
|
|
"First matrix's width must be equal with second matrix's height.");
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|
|
ctx.Output<Tensor>("Out")->Resize({dim0[0], dim1[1]});
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|
}
|
|
|
};
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|
|
```
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|
[`MulOp`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/mul_op.cc#L22)继承自`OperatorWithKernel`。`public`成员：
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```cpp
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|
using framework::OperatorWithKernel::OperatorWithKernel;
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|
```
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这句表示使用基类`OperatorWithKernel`的构造函数，也可写成：
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```cpp
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|
MulOp(const std::string &type, const framework::VariableNameMap &inputs,
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const framework::VariableNameMap &outputs,
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const framework::AttributeMap &attrs)
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|
: OperatorWithKernel(type, inputs, outputs, attrs) {}
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|
```
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还需要重写`InferShape`接口。`InferShape`为const函数，不能修改Op的成员变量，参数为`const framework::InferShapeContext &ctx`，通过该参数可获取到输入输出以及属性。它的功能是：
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- 1). 做检查， 尽早报错：检查输入数据维度、类型等是否合法。
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- 2). 设置输出Tensor的形状。
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通常`OpProtoMaker`和`Op`类的定义写在`.cc`文件中，和下面将要介绍的注册函数一起放在`.cc`中
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### 定义OpKernel类
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`MulKernel`继承自`framework::OpKernel`，带有下面两个模板参数:
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- `typename DeviceContext`: 表示设备类型，不同设备(CPU、CUDA)共享同一个Kernel时，需加该模板参数，不共享则不加，一个不共享的例子是[`OnehotCrossEntropyOpKernel`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/cross_entropy_op.h#L43)。
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- `typename T` : 表示数据类型，如`float`, `double`等。
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需要为`MulKernel`类重写`Compute`接口。
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- `Compute`接受一个输入参数：`const framework::ExecutionContext& context`。
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- 与`InferShapeContext`相比，`ExecutionContext`增加了设备类型，同样可获取到输入输出和属性参数。
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- `Compute`函数里实现`OpKernel`的具体计算逻辑。
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下面是 `MulKernel` `Compute`的实现：
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```cpp
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template <typename DeviceContext, typename T>
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|
class MulKernel : public framework::OpKernel {
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public:
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void Compute(const framework::ExecutionContext& context) const override {
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auto* X = context.Input<Tensor>("X");
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auto* Y = context.Input<Tensor>("Y");
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auto* Z = context.Output<Tensor>("Out");
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Z->mutable_data<T>(context.GetPlace());
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auto& device_context = context.template device_context<DeviceContext>();
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|
math::matmul<DeviceContext, T>(*X, false, *Y, false, 1, Z, 0, device_context);
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}
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};
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|
```
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需要注意：**不同设备(CPU、CUDA)共享一个Op定义，是否则共享同一个`OpKernel`，取决于`Compute`调用的函数是否支持不同设备。**
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`MulOp`的CPU、CUDA实现共享同一个`Kernel`。`OpKernel`不共享的例子可以参考：[`OnehotCrossEntropyOpKernel`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/fluid/operators/cross_entropy_op.h#L43)。
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为了使`OpKernel`的计算过程书写更加简单，并且CPU、CUDA的代码可以复用，我们通常借助 Eigen unsupported Tensor模块来实现`Compute`接口。关于在PaddlePaddle中如何使用Eigen库，请参考[使用文档](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/doc/fluid/dev/use_eigen_cn.md)。
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到此，前向Op实现完成。接下来，需要在`.cc`文件中注册该op和kernel。
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反向Op类的定义，反向OpKernel的定义与前向Op类似，这里不再赘述。**但需注意反向Op没有`ProtoMaker`**。
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### 注册Operator
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- 在`.cc`文件中注册前向、反向Op类，注册CPU Kernel。
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```cpp
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namespace ops = paddle::operators;
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REGISTER_OPERATOR(mul, ops::MulOp, ops::MulOpMaker,
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paddle::framework::DefaultGradOpDescMaker<true>)
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REGISTER_OPERATOR(mul_grad, ops::MulGradOp)
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|
REGISTER_OP_CPU_KERNEL(mul, ops::MulKernel<paddle::platform::CPUDeviceContext, float>);
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|
REGISTER_OP_CPU_KERNEL(mul_grad,
|
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|
ops::MulGradKernel<paddle::platform::CPUDeviceContext, float>);
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```
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在上面的代码中：
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- `REGISTER_OPERATOR` ： 注册`ops::MulOp`类，类型名为`mul`，该类的`ProtoMaker`为`ops::MulOpMaker`，注册`ops::MulOpGrad`，类型名为`mul_grad`。
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- `REGISTER_OP_CPU_KERNEL` ：注册`ops::MulKernel`类，并特化模板参数为`paddle::platform::CPUPlace`和`float`类型，同理，注册`ops::MulGradKernel`类。
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- 在 `.cu`文件中注册CUDA Kernel。
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- 请注意，如果CUDA Kernel的实现基于Eigen unsupported模块，那么在 `.cu`的开始请加上宏定义 `#define EIGEN_USE_GPU`，代码示例如下：
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```cpp
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// if use Eigen unsupported module before include head files
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#define EIGEN_USE_GPU
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namespace ops = paddle::operators;
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REGISTER_OP_CUDA_KERNEL(mul, ops::MulKernel<paddle::platform::CUDADeviceContext, float>);
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REGISTER_OP_CUDA_KERNEL(mul_grad,
|
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|
ops::MulGradKernel<paddle::platform::CUDADeviceContext, float>);
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```
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### 编译
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运行下面命令可以进行编译：
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```
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make mul_op
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```
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## 绑定Python
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系统会对新增的op自动绑定Python，并链接到生成的lib库中。
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## 实现单元测试
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单测包括对比前向Op不同设备(CPU、CUDA)的实现、对比反向OP不同设备(CPU、CUDA)的实现、反向Op的梯度测试。下面介绍介绍[`MulOp`的单元测试](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/fluid/tests/unittests/test_mul_op.py)。
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### 前向Operator单测
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Op单元测试继承自`OpTest`。各项更加具体的单元测试在`TestMulOp`里完成。测试Operator，需要：
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1. 在`setUp`函数定义输入、输出，以及相关的属性参数。
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2. 生成随机的输入数据。
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3. 在Python脚本中实现与前向operator相同的计算逻辑，得到输出值，与operator前向计算的输出进行对比。
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4. 反向计算已经自动集成进测试框架，直接调用相应接口即可。
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```python
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import unittest
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import numpy as np
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from op_test import OpTest
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class TestMulOp(OpTest):
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def setUp(self):
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self.op_type = "mul"
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self.inputs = {
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'X': np.random.random((32, 84)).astype("float32"),
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'Y': np.random.random((84, 100)).astype("float32")
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}
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self.outputs = {'Out': np.dot(self.inputs['X'], self.inputs['Y'])}
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def test_check_output(self):
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self.check_output()
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def test_check_grad_normal(self):
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self.check_grad(['X', 'Y'], 'Out', max_relative_error=0.5)
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def test_check_grad_ingore_x(self):
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self.check_grad(
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['Y'], 'Out', max_relative_error=0.5, no_grad_set=set("X"))
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def test_check_grad_ingore_y(self):
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|
self.check_grad(
|
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|
['X'], 'Out', max_relative_error=0.5, no_grad_set=set('Y'))
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```
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上面的代码首先导入依赖的包，下面是对`setUp`函数中操作的重要变量的详细解释：
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- `self.op_type = "mul" ` : 定义类型，与operator注册时注册的类型一致。
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- `self.inputs` : 定义输入，类型为`numpy.array`，并初始化。
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- `self.outputs` : 定义输出，并在Python脚本中完成与operator同样的计算逻辑，返回Python端的计算结果。
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### 反向operator单测
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而反向测试中：
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- `test_check_grad_normal`中调用`check_grad`使用数值法检测梯度正确性和稳定性。
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- 第一个参数`["X", "Y"]` : 指定对输入变量`X`、`Y`做梯度检测。
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- 第二个参数`"Out"` : 指定前向网络最终的输出目标变量`Out`。
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- 第三个参数`max_relative_error`：指定检测梯度时能容忍的最大错误值。
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- `test_check_grad_ingore_x`和`test_check_grad_ingore_y`分支用来测试只需要计算一个输入梯度的情况。
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### 编译和执行
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`python/paddle/fluid/tests/unittests/` 目录下新增的 `test_*.py` 单元测试会被自动加入工程进行编译。
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请注意，**不同于Op的编译测试，运行单元测试测时需要编译整个工程**，并且编译时需要打开`WITH_TESTING`, 即`cmake paddle_dir -DWITH_TESTING=ON`。编译成功后，执行下面的命令来运行单元测试：
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```bash
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make test ARGS="-R test_mul_op -V"
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```
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或者:
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```bash
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ctest -R test_mul_op
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```
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## 注意事项
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- 注册Op时的类型名，需要和该Op的名字一样。即不允许在`A_op.cc`里面，注册`REGISTER_OPERATOR(B, ...)`等，这将会导致单元测试出错。
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- 如果Op没有实现CUDA Kernel，请不要创建空的`*_op.cu`，这将会导致单元测试出错。
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- 如果多个Op依赖一些共用的函数，可以创建非`*_op.*`格式的文件来存放，如`gather.h`文件。
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### PADDLE_ENFORCE使用注意
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实现Op时检查数据的合法性需要使用PADDLE_ENFORCE以及PADDLE_ENFORCE_EQ等宏定义，基本格式如下：
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```
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PADDLE_ENFORCE(表达式, 错误提示信息)
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PADDLE_ENFORCE_EQ(比较对象A, 比较对象B, 错误提示信息)
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```
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如果表达式为真，或者比较对象A=B，则检查通过，否则会终止程序运行，向用户反馈相应的错误提示信息。
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为了确保提示友好易懂，开发者需要注意其使用方法。
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#### 总体原则
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任何使用了PADDLE_ENFORCE与PADDLE_ENFORCE_**检查的地方，必须有详略得当的备注解释！**错误提示信息**不能为空！
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#### 提示信息书写标准
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1. [required] 哪里错了？为什么错了？
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- 例如：`ValueError: Mismatched label shape`
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2. [optional] 期望的输入是什么样的？实际的输入是怎样的？
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- 例如：`Expected labels dimension=1. Received 4.`
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3. [optional] 能否给出修改意见？
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- 例如：`Suggested Fix:If your classifier expects one-hot encoding label,check your n_classes argument to the estimatorand/or the shape of your label.Otherwise, check the shape of your label.`
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如果并非必要或者简洁的描述即可表达清楚以上要点，根据情况书写亦可。
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##### FAQ 典型问题
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1. 无报错信息或报错信息过于简单，不能给用户提供有效的提示！
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问题示例1 ：未写提示信息
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PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("X"), "");
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```
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问题示例2 ：提示信息过于简单
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```
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PADDLE_ENFORCE(i != nullptr, "i must be set"); // i是什么？
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```
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2. 在报错信息中使用开发人员定义的变量缩写，不易理解！
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问题示例：
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```
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PADDLE_ENFORCE(forward_pd != nullptr,
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"Fail to find eltwise_fwd_pd in device context"); //eltwise_fwd_pd用户可能看不懂
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```
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3. OP内部调用非法接口：Op内部如果出现Output = ShareDataWith(Input)
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问题示例：
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```cpp
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auto *out = ctx.Output<framework::LoDTensor>("Out");
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auto *in = ctx.Input<framework::LoDTensor>("X");
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out->ShareDataWith(*in);
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```
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Op内部如果出现Output = ShareDataWith(Input)，相当于operator图的中有一条隐藏边，连接了Input和Output，这条边无法在图分析中表达，引发基于图优化的错误。
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4. OP实现的性能实践
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调用了eigen的broadcast, chop等操作，性能会比手写cuda kernel差几倍以上。此时cpu的实现可以复用eigen，gpu实现可以实现cuda kernel.
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#### OP InferShape检查提示信息特别说明
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- 检查输入输出变量，请统一遵循以下格式
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`Input(变量名) of OP名 operator should not be null.`
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正确示例：
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PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("Input"),
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"Input(Input) of LSTMP operator should not be null.");
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```
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- 反向Op的输入输出检查，要写明反向Op的名字
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正确示例：
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```
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PADDLE_ENFORCE(ctx->HasInput("X"),
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"Input(X) of LoDResetGrad opreator should not be null.");
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```
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