PyTorch C++ VS Python（2020年度版）

PyTorchには，Python版だけではなく，C++版のAPIがリリースされています．
同じライブラリでも，コンパイラ言語「C++」とインタプリタ言語「Python」を実行した時にどちらがどのくらい速いかは，非常に気になるところです．
そこで今年も，**C++とPythonの速度比較**をやってみました！

前回（2019年度）の続きです．
1年前は，特定の環境下では，Pythonのほうが速い場合がありました．
そこで今年も，（TorchScriptを使わない場合の）訓練と推論の時間を計測していきます．

また，今回は，オートエンコーダだけではなく，さまざまなモデルで比較してみました！

実験で使ったソースコード（C++）：https://github.com/koba-jon/pytorch_cpp
→つい最近，YOLOv2もアップロードしました！

実験の条件

実験環境

• OS: Ubuntu 20.04
• CUDA: 10.2
• cuDNN: 7.6.5
• CPU: Core i7-8700（12スレッド）
• GPU: GeForce GTX 1070

パッケージ

PyTorch公式：https://pytorch.org/

今回は，以下のパッケージをダウンロードしました．

Python版

• PyTorch Build: Stable (1.8.0)
• Your OS: Linux
• Package: Pip
• Language: Python
• Compute Platform: CUDA 10.2

C++版

• PyTorch Build: Stable (1.8.0)
• Your OS: Linux
• Package: LibTorch
• Language: C++/Java
• Compute Platform: CUDA 10.2
• Run this Command: Download here (cxx11 ABI)

モデル

全結合層のみ

• Autoencoder（1次元）

畳み込み層のみ

• Discriminator（DCGANより）

畳み込み層＋転置畳み込み層

• Autoencoder（2次元）
• DCGAN

畳み込み層＋プーリング層

• SegNet

畳み込み層＋プーリング層＋全結合層

• AlexNet
• ResNet（50層）

決定論的 or 非決定論的 （GPUオンリー）

GPUを使用する場合，cuDNNの挙動を変えることによって，速度が速くなったり遅くなったりします．
従って，この違いも速度比較に追加します．
ここでは，「再度プログラムを実行して全く同じ結果が得られる場合」は「決定論的」，そうでない場合は「非決定論的」とします．

Python版

• 決定論的

deterministic.py

seed = 0
torch.manual_seed(seed)
torch.cuda.manual_seed(seed)
np.random.seed(seed)
random.seed(seed)
torch.backends.cudnn.deterministic = True  # 速度が低下する代わりに決定論的
torch.backends.cudnn.benchmark = False     # 速度が低下する代わりに決定論的

• 非決定論的

non_deterministic.py

torch.backends.cudnn.deterministic = False  # 非決定論的である代わりに高速化
torch.backends.cudnn.benchmark = True       # 画像サイズが変化しない場合に高速化

C++版

• 決定論的

deterministic.cpp

int seed = 0;
torch::manual_seed(seed);
torch::globalContext().setDeterministicCuDNN(true);  // 速度が低下する代わりに決定論的
torch::globalContext().setBenchmarkCuDNN(false);  // 速度が低下する代わりに決定論的

• 非決定論的

non_deterministic.cpp

std::random_device rd;
torch::manual_seed(rd());
torch::globalContext().setDeterministicCuDNN(false);  // 非決定論的である代わりに高速化
torch::globalContext().setBenchmarkCuDNN(true);  // 画像サイズが変化しない場合に高速化

ライブラリの使用状況

使用したライブラリは，以下の通りです．

	Python	C++
コマンドライン引数	argparse	boost::program_options
モデルの設計	torch.nn	torch::nn
前処理（transform）	torchvision.transforms	自作（OpenCV使用）
データセットの取得（datasets）	torchvision.datasets（Pillow使用）	自作（OpenCV使用）
データローダー（dataloader）	torch.utils.data.DataLoader	自作（OpenMP使用）
損失関数（loss）	torch.nn	torch::nn
最適化手法（optimizer）	torch.optim	torch::optim
誤差逆伝搬法（backward）	torch.Tensor.backward()	torch::Tensor::backward()
プログレスバー	tqdm	自作

※ちなみに，C++において，クラス分類以外でPyTorchをやる場合は，データのロードとビジュアライズ周りの多くは，おそらく自分で作ることになるので覚悟しておきましょう．

プログラミング言語間で統一させた項目

基本的には，Pythonで有るライブラリがC++には無いといったように，どうしようもない箇所以外は，ほとんど同じと思ってもらって構いません．
また，GitHubのプログラムから変えてないと思ってもらって結構です．
ソースコード（C++）：https://github.com/koba-jon/pytorch_cpp

• データの次元（サイズ）
• データセットの種類（訓練・推論）
• 最適化手法
• モデルの構造
• モデルの初期化方法
• データのロード方法
• データセットのシャッフル方法

計測方法

Python: time
C++: std::chrono

• 訓練（Training）

1秒当たりの反復数（iteration数：データロード，順伝搬，逆伝搬，ビジュアライズなどを含む）を計測しました．
C++のプログラムを実行した場合，1[epoch]目が遅く，2[epoch]目から通常の速度になる場合があったため，（特に全結合層のみの場合）2[epoch]目以降の時間をもとに算出しました．

例えば，1[epoch]だけ処理するのに10[s]かかり，1[epoch]が1500[iteration]だったとします．
その場合は，1500[iteration] / 10[s] = 150[iteration/s]となります．

• 推論（Inference）

1秒当たりのデータ処理数（順伝搬のみ）を計測しました．
これは，テストデータ全ての順伝搬の平均時間をもとに算出しました．

例えば，順伝搬1回分の処理に平均して0.005[s]かかったとします．
その場合は，1[forward] / 0.005[s] = 200[forward/s]となります．

実験結果

全結合層のみ

データセット：正規分布データセット
入力データの形状：[N,D]＝[64,300]

• Autoencoder（1次元）

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	86.83	97.69	97.69
C++[iteration/s]	312.6	312.6	312.6
速度向上（Python→C++）	×3.6	×3.2	×3.2

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	3703.7	2272.73	2380.95
C++[forward/s]	9090.91	4000	4166.67
速度向上（Python→C++）	×2.45	×1.76	×1.75

畳み込み層のみ

データセット：MNIST
入力データの形状：[N,C,H,W]＝[64,1,64,64]

• Discriminator（DCGANより）

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	5.24	27.59	39.08
C++[iteration/s]	4.51	26.8	36.08
速度向上（Python→C++）	×0.86	×0.97	×0.92

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	222.72	2040.82	2000
C++[forward/s]	204.92	3571.43	3225.81
速度向上（Python→C++）	×0.92	×1.75	×1.61

畳み込み層＋転置畳み込み層

データセット：CelebA
入力データの形状：[N,C,H,W]＝[64,3,64,64]

• Autoencoder（2次元）

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	1.14	9.56	14.39
C++[iteration/s]	1.05	9.16	13.44
速度向上（Python→C++）	×0.92	×0.96	×0.93

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	89.85	1136.36	1111.11
C++[forward/s]	95.79	1851.85	1785.71
速度向上（Python→C++）	×1.07	×1.63	×1.61

• DCGAN

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	0.94	6.43	9.53
C++[iteration/s]	0.83	6.28	9.08
速度向上（Python→C++）	×0.88	×0.98	×0.95

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	92	1063.83	515.46
C++[forward/s]	117.65	1515.15	598.8
速度向上（Python→C++）	×1.28	×1.42	×1.16

畳み込み層＋プーリング層

データセット：VOC2012
入力データの形状：[N,C,H,W]＝[64,3,64,64]

• SegNet

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	0.51	4.56	6.83
C++[iteration/s]	0.41	4.1	5.86
速度向上（Python→C++）	×0.81	×0.9	×0.86

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	47.55	401.61	331.13
C++[forward/s]	53.02	735.29	490.2
速度向上（Python→C++）	×1.12	×1.83	×1.48

畳み込み層＋プーリング層＋全結合層

データセット：MNIST
入力データの形状：[N,C,H,W]＝[64,1,224,224]

• AlexNet

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	0.67	6.17	8.45
C++[iteration/s]	0.56	5.27	6.9
速度向上（Python→C++）	×0.84	×0.85	×0.82

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	49.68	1219.51	1176.47
C++[forward/s]	52.38	1785.71	1694.92
速度向上（Python→C++）	×1.05	×1.46	×1.44

• ResNet（50層）

訓練：1秒当たりの反復数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[iteration/s]	0.15	1.58	1.74
C++[iteration/s]	0.13	1.52	1.68
速度向上（Python→C++）	×0.85	×0.96	×0.97

推論：1秒当たりのデータ処理数

	CPU（Core i7-8700）	GPU（GeForce GTX 1070）
		決定論的	非決定論的
Python[forward/s]	16.82	234.74	221.24
C++[forward/s]	17.38	367.65	341.3
速度向上（Python→C++）	×1.03	×1.57	×1.54

まとめ

「C++」と「Python」どっちが速いか？

訓練：全層「全結合層」の場合はC++の方が非常に速く，「畳み込み層」「転置畳み込み層」がある場合はPythonの方が少しだけ速い．
推論：全てのネットワークにおいて，C++の方がかなり速い．

• 全層「全結合層」の場合は，確実にC++の方が良い．
• それ以外を使う場合は，コーディング時間も考えて基本的にPythonで問題ない．
• できるなら，訓練だけ「Python」，推論だけ「C++」が良い．（ただ，この使い方ならTorchScriptを使った方が良さそう...）

新たに得られた知見

• 全層「全結合層」の推論の場合は，CPUだけ（GPUなし）の方が良い．（できればC++が良い）
• 「畳み込み層」「転置畳み込み層」がある場合は，GPUを使った方が圧倒的に良い．
• 実験結果の再現性を確保しなくていいなら，訓練は「非決定論的」，推論は「決定論的」でやるのが最も良い．（推論を「非決定論的」にしても速度の恩恵を受けないため）

参考URL

• https://pytorch.org/cppdocs/
• https://github.com/koba-jon/pytorch_cpp
• https://qiita.com/koba-jon/items/274e5e4970da72216f73