优Tech分享 | ncnn的设计理念和软件工程

2021 年 2 月 1 日
AI
深度神经网络

ncnn是腾讯优图实验室第一次对外公开深度学习的研究成果。作为一个为手机端极致优化的高性能神经网络前向计算框架，ncnn于2017年7月正式开源，在设计之初便将手机端的特殊场景融入核心理念，成为业界首个为移动端优化的开源神经网络推断库。

1月19日，腾讯优图举办了优Tech线上沙龙，ncnn开源负责人、腾讯优图实验室高级研究员nihui围绕《ncnn的设计理念和软件工程》进行了直播分享，讲述了ncnn项目的设计动机、架构设计以及运作多年所依赖的软件工程方法。

据nihui介绍，ncnn在设计之初首先考虑的就是可用性（易用性），也就是不仅要让ncnn项目能使用，还要让开发者在使用的同时能学习，从而创造新项目。其次考虑的是移植性，基于此，ncnn项目采用了C++03标准，而非当前安卓和ios平台使用的C++11，这样就能保证老的嵌入式平台或其他平台也能同样适用。另外，ncnn项目使用了Vulkan的API，让一套代码可以在诸如安卓、IOS等任意平台上实现。

维护性也是ncnn项目的设计理念之一，为方便开发者阅读，降低阅读成本，ncnn中的优化代码都是可选的，这就相当于整个框架不依赖于优化代码，有利于分离。最后，ncnn作为底层推理框架要考虑兼容性，底层赋能后，开发者就算换代码，也能适用最新框架。

数据结构方面，ncnn的Mat只有W、H、C三个维度，没有其他框架常见的batch维度。其优势主要表现在两个方面：一是代码数量少，维护性更好；二是在实际应用场景中，像美颜、自拍等可以更快速应用出结果。

据了解，Mat中加了cstep属性，可以让每一个channel都做一个数据对齐，访问、储存等操作都可以在对齐内存上进行，效率更高。举例来说，如果不加cstep，像armV7就有很多对齐和不对齐的数据，访问速度会存在差异。

此外，ncnn的数据结构还做了Type-less，起初Mat只能放float数据类型，但int8需要放其他类型的数据，出于兼容性的考虑，Mat在尽量不改变数据结构的基础上，通过层实现的自我约定来实现数据类型解读，降低复杂性，按软件工程中的一句话说就是“约定优于配置”。

ncnn的模型中有两个文件，对此，开发者可能会有疑问：为什么成套使用的结构和权重还要放两个文件？

ncnn模型其中一个文件是Human editable（人类可编辑）。AI推理部署有一个很难的环节叫模型转换，有很多模型因为缺少某个算子或转换器没写好等问题无法转换，ncnn遇到这种情况，转出的模型也是不可用的，这时就需要用到Human editable。ncnn 主流操作方式是把param文件用编译器打开，找到不支持的算子，如Expand，删掉它或改为支持的算子，手工去优化模型结构的图。算子的参数表示是扩展性比较好的Key =Value。

另一个文件Bin，纯粹是放权重的文件，没有结构化信息，结构要放在Param中。可以把多个模型的Bin文件直接拼在一起，形成一个大的模型文件，更便于部署。

ncnn在动态推理的设计上比较前瞻，在2017年发布时就已具备三种dynamic。

一是尺寸，ncnn可以任意输入尺寸，一般其他推理加载模型时会需要指定最大尺寸，但ncnn不需要，开发者给它多少它就能算多少。

二是维度，动态shape分为两种：知道输入维度和不确定维度，ncnn的算子是直接支持不确定维度操作的，比如BinaryOp运行时接受两维数据，也接受一维和三维数据。

三是推理图，在ncnn中，可以在同一模型中实现任意节点到节点的推理路径，像条件判断和循环也可以通过不同子图，换来换去，在运行时判断和调度哪部分需要计算，哪部分不需要计算，这样的动态推理路径可以提升效率。

ncnn采用了一个纯粹的继承关系去做的架构设计，精心优化的架构代码，比如：x86、arm、vulkan等都是继承自cpu的一个最基础实践的，当遇到没有优化的参数组合时能方便的回退到cpu基础实现。ncnn中的算子kernel和op定义是不分离的，只需要一份代码，方便凝聚算子自身的模块性，减少算子之间的耦合。此外，kernel和op定义不分离也很好的践行了最初的设计理念，对于想要学习、自己做优化的开发者来说更加方便。