TensorFlowをビルドしてcondaでインストールできるようにする

TensorFlowをソースコードからビルドし、さらに、condaでインストールできるようにしました。その結果、1.2倍ほど（雀の涙）速度が速くなりました。

やったこと

大きく分けて、以下二つのことをしました。

1. TensorFlowのソースコードをビルドして、wheelファイルを作る
2. wheelファイルを、condaでインストール可能な形式にビルドする

1の時点でpipでインストール可能ですが、私の環境はAnacondaなので、一貫性のため、condaでインストールできるようにしました。

環境／構成

環境

• iMac (21.5-inch, 2017)
• CPU：2.3 GHz Intel Core i5
• メモリ：8GB

構成

• macOS High Sierra
• Homebrew
• pyenv
• Anaconda（3系）
• TensorFlow / Keras

構築手順にしたがい構築していることを前提にしますが、他の構成でも読み替えればうまくいくと思います。ただし、Xcode、Command Line Toolsをインストールしておかないと、Bazelがコンパイラを見つけられずに失敗しそうな気がします。

動機

以下ログが出力されているのを見つけたこと。

2018-08-07 18:02:45.085140: I tensorflow/core/platform/cpu_feature_guard.cc:141] Your CPU supports instructions that this TensorFlow binary was not compiled to use: AVX2 FMA

このログは、「君のPCのCPUが『拡張命令』をサポートしているにも関わらず、TensorFlowが拡張命令を使うようにコンパイルされていない」と言っています。 つまり、スペックを引き出しきれていないよ、ということです。

私の使っているTensorFlowは、ANACONDA CLOUDのconda-forgeリポジトリから取得した「tensorflow 1.9.0 py36_0」です。バージョン管理の一貫性のために、次の二つの選択肢のうち、前者を選んだということです。

• ANACONDA CLOUDからcondaでインストールする
• TensorFlow公式サイトからpipでインストールする

ネットの総論では「ソースコードからビルドすれば、このログは出なくなり、多少なりとも速くなる。しかし、手間に見合うかどうか微妙なので、ログを無視するか、GPUを手に入れたほうがいい」とのことのようです。確かに、GPUだと10〜100倍速くなるらしいですからね。でも、ま、何事も経験ということで、ソースコードからのビルドを試してみました。

wheel作成

JDK8をインストールします。（Bazelを動かすのに必要。）

brew cask install homebrew/cask-versions/java8

ビルドツールBazelをインストールします。

brew install bazel

作業ディレクトリを作成のうえ、TensorFlowのソースコードをクローンしてきます。時間をかけたくなかったので、バージョンをしぼりました。本稿執筆時点（2018/08/08）での最新安定バージョンです。

cd <作業ディレクトリ>
git clone --depth=1 -b v1.9.0 https://github.com/tensorflow/tensorflow

Python3に切り替えの上、構成ファイル作成プログラムを実行します。

pyenv versions
pyenv global <Python3の入っているAnaconda>
cd tensorflow
./configure

質問には基本デフォルトで回答します。つまり、[return]を連打すればよいです。その結果、.bazelrcと.tf_configure.bazelrcが生成されます。

さて、Bazelでビルドを開始します。まず、コマンドbazel clean --expungeを実行します。ビルド時、「ツールチェインの解決」に失敗することがあり、そのための予防措置です。おまじないのようなものだと思ってください。

次に、ビルド。以下、--copt=mに続いて、ログに出ていた拡張命令を小文字で記述します。mを忘れるとエラーになるので、気をつけてください。

bazel build -c opt --copt=-mavx2 --copt=-mfma -k //tensorflow/tools/pip_package:build_pip_package

ビルドは時間がかかります。私の場合、82分かかりました。さらに（TensorFlowのプログラマに対する）警告が山ほど出ますが、気にする必要はありません。

ビルドが完了したら、カレントディレクトリを移動せずに、以下コマンドを実行します。

bazel-bin/tensorflow/tools/pip_package/build_pip_package tensorflow.pkg

結果、カレントディレクトリ内にpkgファイルが生成されます。Finderでpkgファイルを右クリック→「パッケージの内容を表示」から、wheelファイルをコピーして取り出すことができます。

conda-build

wheelファイル保管ディレクトリを作成し、取り出したwheelファイルを置きます。

新たに作業ディレクトリ2を作成し、直下に二種類のファイルを作成します。

まずは、build.sh。

#!/bin/bash

WHEELHOUSE=<wheelファイル保管ディレクトリへの絶対パス>

pip install --no-deps $WHEELHOUSE/tensorflow-1.9.0-cp36-cp36m-macosx_10_7_x86_64.whl

次に、meta.yaml。

package:
  name: tensorflow
  version: "1.9.0"

build:
  number: 0
  entry_points:
    - freeze_graph = tensorflow.python.tools.freeze_graph:run_main
    - toco_from_protos = tensorflow.contrib.lite.toco.python.toco_from_protos:main
    - tflite_convert = tensorflow.contrib.lite.python.tflite_convert:main
    - toco = tensorflow.contrib.lite.python.tflite_convert:main
    - saved_model_cli = tensorflow.python.tools.saved_model_cli:main

requirements:
  build:
    - python
    - pip
  run:
    - python
    - absl-py >=0.1.6
    - astor >=0.6.0
    - gast >=0.2.0
    - numpy >=1.13.3
    - six >=1.10.0
    - protobuf >=3.4.0
    - tensorboard 1.9.*
    - termcolor >=1.1.0
    - grpcio >=1.8.6

test:
  imports:
    - tensorflow
  commands:
    - tensorboard --help | grep USAGE
    - freeze_graph --help
    - toco_from_protos --help
    - toco --help
    - saved_model_cli --help 

about:
  home: http://tensorflow.org/
  license: Apache 2.0
  license_family: Apache
  summary: TensorFlow is a machine learning library, base package contains only tensorflow.
  description: |
    TensorFlow provides multiple APIs.The lowest level API, TensorFlow Core
    provides you with complete programming control.
    Base package contains only tensorflow, not tensorflow-tensorboard.
  dev_url: https://github.com/tensorflow/tensorflow
  doc_url: https://www.tensorflow.org/get_started/get_started
  doc_source_url: https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/docs_src

内容は、conda-forgeの真似事です。より応用の効くやり方としては、維持管理手順を参考に、Pythonのみ、Anaconda無しの仮想環境を新規に追加。さらに、pipdeptreeとTensorFlowをpipで追加したのち、コマンドpipdeptreeで依存パッケージを調べてみると良いでしょう。

ファイルが作成できたら、condaのパッケージをビルドします。テストも行われるので、15分はかかるでしょう。途中、新規にパッケージを追加する旨が表示されますが、ビルド／テスト用の環境に追加されるものであり、既存環境に追加されるものではないので安心してください。

conda build -c conda-forge <作業ディレクトリ2>

パッケージは、以下の二箇所に出力されます。

• ~/.pyenv/versions/anaconda<バージョン>/conda-bld/osx-64
• ~/.pyenv/versions/anaconda<バージョン>/pkgs

出力されたパッケージを検証するため、維持管理手順を参考に、TensorFlowの入っていない仮想環境を一つ追加します。

仮想環境が追加できたら、ワークスペースに移動し、仮想環境に入ります。

cd <ワークスペース>
conda activate <作成した仮想環境>

仮想環境にTensorFlowとKerasをインストールします。内容確認、そしてインストールの順です。最後のコマンドは、TensorFlowが確かにローカルからインストールされたことを確かめるためのものです。

conda install --dry-run -c conda-forge --use-local tensorflow
conda install -c conda-forge --use-local tensorflow
conda install --dry-run keras
conda install keras
conda list | grep tensorflow

これで一連の手順は終わりです。最後に仮想環境から抜け、システムのPythonをデフォルト（system）に戻しておきましょう。

conda deactivate
pyenv global system
cd ~
pyenv versions

性能測定

Jupyter Notbookを用いて、性能を測定しましょう。性能測定用のコードはこんな感じです。

from keras.datasets import mnist
mnist.load_data()

import time
start = time.time()

## mnist_cnn.py ##

K.clear_session()

elapsed_time = time.time() - start
print ("elapsed_time:{0}".format(elapsed_time) + "[sec]")

## mnist_cnn.py ##の箇所は、mnist_cnn.pyから取得したコードで置き換えてください。

測定結果

比較対象

以下の三環境で性能を測定し、比較しました。

1. 拡張命令なし（＝ANACONDA CLOUDのconda-forgeリポジトリからcondaでインストールした環境）
2. 拡張命令あり（＝今回作った環境）
3. 公式（＝TensorFlow公式サイトからpipでインストールした環境）

比較結果

1. 拡張命令なし：elapsed_time:1364.960855960846[sec]
2. 拡張命令あり：elapsed_time:1112.0023930072784[sec]
3. 公式：elapsed_time:1381.5033478736877[sec]

epoch	1.拡張命令なし	2.拡張命令あり	3.公式
1	116s	95s	117s
2	115s	93s	117s
3	113s	91s	113s
4	113s	92s	114s
5	113s	92s	114s
6	112s	93s	114s
7	113s	91s	114s
8	113s	91s	115s
9	113s	92s	113s
10	112s	91s	114s
11	112s	93s	114s
12	112s	92s	115s
平均	113.1s	92.2s	114.5s

考察

t検定を行ってみました。

from scipy import stats
without_expansion = [116,115,113,113,113,112,113,113,113,112,112,112]
with_expansion = [95,93,91,92,92,93,91,91,92,91,93,92]
official = [117,117,113,114,114,114,114,115,113,114,114,115]
res1 = stats.ttest_ind(without_expansion, official, equal_var = False)
res2 = stats.ttest_ind(without_expansion, with_expansion, equal_var = False)
print(res1)
print(res2)

Ttest_indResult(statistic=-2.715855310874572, pvalue=0.012643877897195724)
Ttest_indResult(statistic=42.099960209201704, pvalue=1.6828611571718665e-22)

t検定の結果に対する考察は以下のとおりです。

• 「拡張命令なし」と「公式」は、5%水準で有意差があると言える。だが、実際の差を見ると微差である。結局、バイナリを広く配布するわけで、特定のCPUに特化したビルドは行っていないのである。
• 「拡張命令あり」と「拡張命令なし」は、1%水準で有意差がある。速度にして1.23倍、時間にして0.81倍。CPUの拡張命令を使った結果、処理が速くなったと考えられる。

まとめ

本稿で分かったことを、以下にまとめます。

• pip用のwheelファイルを元に、conda用のパッケージをビルドできる。
• TensorFlowをソースコードからビルドし、CPUの拡張命令を使うようにすることで、1.2倍ほど速度が速くなる。ただし、桁数が変わるほどは速くならない。

この記事で書いたように、機械学習は仮説検証の繰り返しです。検証の精度を上げるには、桁数が変わる程度の変化が欲しいところです。

…誰か、NVIDIAのGPUを積んだ高性能マシンを買ってくれないかな。

参考サイト

• TensorFlowのインストール
• Python: Keras/TensorFlow の学習を CPU の拡張命令で高速化する (Mac OS X)
• 拡張命令セットでTensorFlowをコンパイルする方法
• TensorFlow CPU最適化ビルド
• TensorFlowをソースからインストールしてみる(Mac)
• TensorFlowをソースからビルドする方法とその効果
• Building conda packages from scratch
• Using wheel files with conda
• conda-forge/tensorflow-feedstock/recipe
• AnacondaRecipes/tensorflow_recipes/tensorflow-base
• Python: pipdeptree でパッケージの依存関係を調べる
• Docs » Command reference » conda build
• Docs » Command reference » conda install
• 【Python】処理にかかる時間を計測して表示
• keras-team/keras/examples/mnist_cnn.py