在线服务(Online Serving)，又称为在线推理(Inference)，是机器学习工程中的重要的一环，通过在线服务，训练出来的模型得以释放价值。蘑菇街计算视觉拥有大几十个服务，每天调用次数高达千万级别。为了高效稳定的支撑在线服务，蘑菇街技术团队研发在线服务框架，它支持 Tensorflow、Pytorch 和 Openvino 等深度学习框架，支持运行在 CPU 和 GPU 资源上，并且单显卡支持运行多个模型，大大提升 GPU 资源利用率。
Online Serving 简介
从本质而言，在线服务就是提供(http, rpc)等接口，用户输入 X, X 经过 pre-process 处理成符合模型输入的参数，经由模型推理后得到 Y，Y 经过 post-process 处理成符合用户认知的数据格式，最后将结果返回。
第 2 步和训练中的 evalute/test 相应步骤几乎一样，只是在线推理下的 batch size 往往为 1，远远小于训练过程中的 batch size，故在线推理下的显卡和显存的利用率相对训练更低。
以 mnist 为例，其模型输入为 28 * 28 的图片，模型输出为 1 * 10 的向量。从用户体验角度来看，客户端更期望的输入是一张图片的 URL，返回结果是预测的数字，相比 10 维向量，数字更符合人类的认知。所以从易用性出发，在线服务不仅需要预测模块(2)，还需要预处理(1)和后处理模块(3)，方能为用户提供友好的服务。很遗憾的是，当前大部分开源的在线服务框架或者云服务，仅仅提供了模型预测功能。
开源的 Online Serving 现状
纵观业界，开源的在线服务项目可谓形态灵活、百花齐放，但也呈现出微服务化、容器化部署的特点，本节选择几个具备代表性的开源项目进行分析。
Tensorflow
TensorFlow Serving is a flexible, high-performance serving system for machine learning models, designed for production environments.
正如官网所述，基于 C++ 编写的 Tensorflow Serving 注定是一个高性能的在线服务系统框架，它支持 Tensorflow，Pytorch 等深度学习框架训练导出的模型(通常基于 ONNX 完成模型转换)，而且部署非常方便，支持多个版本的模型，详细的例子请见官网。特别在结合 K8S + Docker，完美的解决了资源管理和调度、服务弹性部署、服务发现等痛点，从而对外提供稳定可靠的服务。
Tensorflow Serving 的缺点也很明显，正如本文第一节所讲，它缺乏预处理和后处理相关的逻辑，所以影响用户体验，这点由官网样例也能看出来，用户需要关注调用 API 时传入的数据及其维度和格式，解析 protobuf 等等。另外一个痛点是 Tensorflow 对其它深度学习框架生成的模型不够友好，比如卷积和池化时的 padding 参数，不同的深度学习框架的存在差异，例如博文 Running Pytorch models in Tensorflow。
Pytorch
对于 Pytorch 的 Online Serving，社区并没有提供相关的框架，仅在官网文档 model-serving-in-pyorch 给出了一个概述，为不同场景下的 Online Serving 介绍了一些可行性的方案。
云化场景：基于 AWS Sagemaker、Azure Machine Learning 等公有云服务进行部署。
本地场景：采用 flask 构建自己的微服务进行部署，例如 Deploy your PyTorch model to Production。
开源 Model Server：如 Kubeflow 中的 KFServing 等等，详情请见下文。
KFServing
KFServing 是 Kubeflow 的子项目，旨在 Kubernetes 的基础上提供 Serverless 的在线推理服务，它支持多种机器学习框架，具备弹性伸缩、服务治理、A/B Test、金丝雀发布等重要功能，允许用户扩展 pre-processing、post-processing 逻辑，从而对外提供完整易用的服务，它主要有两部分组成：
KFServing Controller：基于 K8S 定义了在线推理服务相关资源 K8S CRD(Custom Resource Definition) 和生命周期管理 API，这部分主要为 golang 代码。
Model Server: 基于 tornado 提供了一套 Restful Web 框架，支持 Tensorflow、Pytorch 等深度学习框架，这部分为 Python 代码。
如上图所示，KFServing 的弱点也很明显，深度依赖 Knative、Istio 等模块，这些模块比较复杂，且稳定性有待商榷，其次 200+Stars 的 KFServing 的成熟度亦欠佳。但长远来看，待 Knative、Istio 稳定和普及后，KFServing 或将释放更大能力。
蘑菇街 Online Serving 实践
蘑菇街计算视觉有大几十个在线服务(模型)，其中不少运行在 GPU 容器上，每个服务的业务代码通常在数百行以内，依赖 Pytorch、Tensorflow 和 Openvino 等框架完成推理。因此，建设一个易用、支持多深度学习框架、支持异构计算的统一在线服务，将大大提升效率和降低维护成本。
基本需求
易用性主要体现在两方面，一方面是对客户端要提供简单易用的 API，即 HTTP Restful API，由于公司所有图片均存储在对象存储上，故用户只需要在 body 中提供图片的 URL 即可，图片的下载和解析在服务端完成；另外一方面是在线服务模块对算法同学要简单易用，以便快速迭代上线。
此外，在线服务模块不仅需要支持 Tensorflow、Pytorch 和 Openvino 等深度学习框架，还需要同时支持 GPU 和 CPU 计算资源。Batch size 为 1 下的推理无法充分利用 GPU 资源，我们通过单卡运行多个服务以提升 GPU 资源利用率。
最后，支持弹性部署、完善的业务层面的监控和服务发现等功能也非常重要。
技术选型和实现
本节介绍蘑菇街计算视觉在线推理的实践，包括技术选型、架构和一些经验等。
语言和 Web 框架
Java 是公司的"标准"语言，几乎所有的基础技术体系均是基于 Java 建设。但是在机器学习领域，Python 有着无可比拟的丰富的生态，包括主流的深度学习框架和大量的图像数学库。采用 Java 实现在线推理通常碰到对应库和函数缺失的情况，甚至导致准确性下降的问题。其次 Java 并非算法同学常用的语言，导致经常需要工程同学协助实现对应的逻辑，带来大量的沟通成本，影响上线效率。虽然 Java 性能较 Python 高，但权衡准确性和效率等因素，Python 是更好的选择。
现在分析 Python 下的并发方式，主要从进程、线程和协程择优用之。由于 CUDA 对多进程支持不够成熟，容易出现耗尽显存等异常情况，故排除多进程；受 GIL(Global Interpreter Lock) 锁的限制，线程的性能要低于协程，故最终采用高效和成熟的 Gevent 协程库提供并发，选择简单易用的 Flask 作为 WSGI Web 框架，对外提供 Restful API。
为了进一步提升易用性，可将下载图片、统计等通用功能放置在 WSGI 的 Middleware 中。每当新增一个在线服务，只需增加一个继承基础类的新类，并在新类中实现 load 和 handler 两个方法即可。其中 load 方法仅在服务启动时执行一次，用于完成下载和加载模型、创建 session 等初始化工作；handler 方法实现具体的业务逻辑，通常包含预处理、预测和后处理三个步骤，每当一个请求到来，启动一个协程执行对应在线服务的 handler 方法，并将结果返回给客户端。通过给每个 handler 方法加上各自的互斥锁，使得同一个服务只能串行执行，以避免相同服务并行带来的可能的 GPU 异常，但是不同服务之间可并行执行。
容器化部署
我们采用容器化部署在线服务，针对 CPU 和 GPU 异构资源制作了对应的两个镜像。以 GPU 场景为例，所有服务所依赖的深度学习框架库、图像库、数学库和 GPU 驱动相关已在镜像中安装，虽然这个镜像高达十几个 GB，但是便于使用，特别是算法同学新增一个模型时，极少会碰到库缺失的情况。在线推理的逻辑较训练相比简单许多，对各种库的版本要求比较宽松，通常只需一个版本的镜像即可满足所有 GPU 在线服务的依赖要求。
K8S 不支持显卡虚拟化，且业内暂无开源的解决方案，只能为每个 GPU 容器分配一张真实的显卡，每个容器运行一个在线服务进程，它支持加载多个服务(模型)，其中服务的数量由模型大小和显存大小决定。通常而言，在线推理的显卡，如 P4 通常为 8GB，计算视觉的模型大小普遍在小几百 MB，一张 8G 的 P4 GPU 可加载十几个服务，且不同服务之间可以并行执行，故 GPU 资源可以得到较为充分的利用，使用率可达到 40%，单卡能支持几十 QPS。
借助 K8S 的 StatefulSet，进一步简化部署和弹性扩缩，同时提升可靠性。
架构
每当在线推理的容器启动时，它根据环境变量决定加载哪些服务(模型)，依次从模型管理中心下载和加载模型，完成初始化工作后再注册路由和 API，最后成功启动的服务注册到注册中心。客户端根据服务名称从注册中心获取 IP 信息，然后访问对应的服务。Middleware 的统计模块会采集 QPS 等数据，并上报到监控中心。
模型管理主要用于存储和管理模型，常用的存储媒介有对象存储、HDFS 等，蘑菇街采用 HDFS 作为模型的存储中心。监控模块因不同公司而异，通常的做法是通过 Kafka 或者监控服务的 API 上传统计数据。注册中心主要用于服务发现，Zookeeper 或 Redis 是常用的方案。我们之所以需要注册中心，是因为有大几十个服务(模型)，同时单个 pod 加载多个服务并且这些服务经常增删，所以 K8S 原生的服务发现功能无法满足需求。但是如果您的服务数量少或者极少变更，那么采用 K8S 的服务发现即可，甚至可部署在虚拟机上，不需要注册中心。
为了提升性能，可以在多个层次增加 Cache。对于业务存在周期性调用的服务，可以将结果缓存在 Redis；计算视觉通常依赖多个在线服务完成一件事情，比如搭配购业务，它需要依次调用目标检测、服装粗分类和服装细分类的服务，将图片缓存在内存可在一定概率上避免重复下载，降低 RTT。对于视频类服务，由于视频较大，可以采用本地磁盘缓存视频和拆帧后的图片。
注意事项
在单卡支持运行多个服务(模型)时，主要遇到两个问题：
同一个 GPU 上运行同时不同框架的服务时，例如 Tensorflow 和 Pytorch，容易造成异常，故同一个 Pod 只能加载相同框架的服务。
同一个进程下 Tensorflow 的 config.gpu_options.per_process_gpu_memory_fraction 仅在第一次初始化 session 时生效，为了避免该值设置过小引起异常，建议 TF Pod 下的所有服务的参数均设置为 0.95。
作者简介
范德良，花名揽胜，蘑菇街技术专家，在 IaaS、PaaS 和机器学习工程领域具有丰富经验。
杨立，花名浮尘，蘑菇街智能投放平台小组负责人，深度参与了蘑菇街算法在线服务体系 0 到 1 的建设，主导了搜索推荐链路算法相关核心系统平台的建设与持续演进。
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