pytorch底层原理学习--PyTorch 架构梳理

PyTorch 完整架构流程图

关键组件详解

1. Python Code

   • 作用：用户编写的模型定义、训练脚本
   • 示例：model = nn.Linear(10, 2); output = model(input)
   • 特点：高级API，易用性强

2. Python Frontend

   • 组成：torch, torch.nn, torch.optim等模块
   • 功能：提供神经网络层、优化器、张量操作等高级接口
   • 关键类：Tensor, Module, Optimizer

3. Eager Execution

   • 机制：命令式编程模式，操作立即执行
   • 优点：调试方便，动态图灵活性高
   • 示例：x = torch.tensor([1.0]); y = x * 2 (立即计算)

4. JIT/TorchScript

   • 作用：将Python模型编译为优化后的静态图
   • 流程：torch.jit.script(model) → 生成IR → 优化
   • 优势：部署友好，性能优化空间大

5. pybind11 Bindings

   • 功能：Python与C++间的双向绑定层
   • 实现：自动生成包装代码，实现无缝调用
   • 效率：接近原生C++性能的跨语言调用

6. C++ Frontend (libtorch)

   组件	功能
   TorchScript 支持	加载/执行 Python 导出的模型（.pt 文件）
   ATen 张量库	核心张量操作（CPU/CUDA）
   神经网络模块	torch::nn 命名空间下的层实现
   自动求导引擎	C++ 环境下的 autograd 支持
   序列化工具	模型保存/加载（torch::save()/load()）
   多后端支持	CPU/CUDA/ROCM 硬件加速

   • 定位：PyTorch的C++核心库
   • 功能：提供与Python API对应的C++接口
   • 使用场景：高性能推理、嵌入式部署

7. Autograd Engine

   • 核心功能：动态构建计算图并管理梯度计算

8. ATen (A Tensor Library)

   • 角色：PyTorch的核心张量库
   • 特性：
     • 500+张量操作
     • 统一CPU/CUDA接口
     • 自动微分支持
   • 路径：aten/src/ATen/native/ (算子实现)

9. Intermediate Representation (IR)

   • 作用：TorchScript的中间表示形式
   • 结构：基于图的表示，包含节点(Node)、边(Edge)
   • 优化：常量折叠、算子融合等

10. Operator Dispatch

    • 机制：根据设备类型分发算子

    • 伪代码：

      def add(tensor):
          if tensor.device == 'cuda':
              return cuda_add_kernel(tensor)
          else:
              return cpu_add_kernel(tensor)
      

11. CPU Kernels

    • 优化技术：
      • SIMD指令集 (AVX2/AVX512)
      • 多线程并行 (OpenMP)
      • 数学加速库 (MKL, oneDNN)
    • 典型操作：矩阵乘法、卷积等

12. CUDA Kernels

    • 架构：

    • 加速库：cuDNN (深度学习), cuBLAS (线性代数)

    • 异步执行：通过CUDA流实现计算/传输并行

完整执行流程示例

参考资料：

《deep learning with pytorch》15.3 与PyTorch JIT 编译器交互，第一版中文版

PyTorch

PyTorch Architecture | harleyszhang/llm_note | DeepWiki

(PyTorch源码分析（1）- 整体预览 - 知乎

《PyTorch: An Imperative Style, High-Performance Deep Learning Library》
https://pytorch.org/blog/a-tour-of-pytorch-internals-1/
https://pytorch.org/blog/a-tour-of-pytorch-internals-2/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/598044604
https://zhuanlan.zhihu.com/p/708375873
https://zhuanlan.zhihu.com/p/338256656
https://blog.ezyang.com/2019/05/pytorch-internals/
https://deepwiki.com/harleyszhang/llm_note/5.2-pytorch-architecture?utm_source=chatgpt.com
https://medium.com/@hxu296/a-trip-to-kernels-understanding-pytorchs-internal-architecture-fc955aafd54c
https://zhuanlan.zhihu.com/p/609288586
https://mlfrontiers.substack.com/p/understanding-ml-compilers-the-journey
https://se.ewi.tudelft.nl/desosa2019/chapters/pytorch/#fnref:3
https://medium.com/@hxu296/a-trip-to-kernels-understanding-pytorchs-internal-architecture-fc955aafd54c
https://blog.christianperone.com/2018/03/pytorch-internal-architecture-tour/
https://docs.pytorch.org/tutorials/beginner/saving_loading_models.html#saving-loading-a-general-checkpoint-for-inference-and-or-resuming-training