将编译器pass添加到Relay

编译器pass是扩展Relay功能集和对Relay程序执行优化的主要接口。通过编写编译器pass，可以修改AST或收集有关AST的信息，具体取决于目标。事实上，Relay的一些最重要的内置功能（如autodiff和类型推断），只不过是“标准”编译器pass。

在高层次上，写pass有两个关键组成部分：

创建一个或多个遍历程序的C++类

将遍历实现及元数据包装在pass manager API中，以便可以与pass基础结构完整交互。

首先，将概述编写编译器pass的关键机制。然后，将介绍一个Relay中常量折叠pass的具体示例。

AST遍历器

用于遍历Relay程序的基类是ExprFunctor。提供的公共接口是一个VisitExpr方法，接受一个表达式和零个或多个参数，返回某种类型的实例。扩展此类时，可以通过为每种类型的表达式重写VisitExpr_ f的实现，定义AST遍历模式。

VisitExpr和VisitExpr_间的关系与调度有关。每个VisitExpr_定义都针对特定类型的表达式，但不总是知道要访问的节点类型。为了解决这个问题，ExprFunctor提供了一个VisitExpr函数，该函数从给定的表达式路由到处理VisitExpr_案例。尽管C++已经提供了动态调度，ExpPrimor还是定义了VisteExPR使用的VTe表。通过定义vtable，可以更好地控制调度。例如，如果想定义一个PrintVisitor遍历器，在每次访问前打印“Here”，可以覆盖VisitExpr：

void PrintVisitor::VisitExpr(const Expr& expr) {

  std::cout << "Here" << std::endl;

  ExprFunctor::VisitExpr(expr);

}

ExprFunctor本身是一个非常通用的类，这就是为什么经常会扩展ExprVisitor或ExprMutator。这些类扩展了ExprFunctor，提供了VisitExpr_的默认实现，该实现获取每种表达式类型的公共遍历模式。拥有这些默认实现，不同行为的表达式类型提供覆盖实现。在下面的介绍中，将单独描述每个子类。

ExprVisitor

ExprVisitor用于不修改程序，执行程序分析和收集信息的过程。在这个类中，VisitExpr和私有对应项不返回任何内容。此类提供的VisitExpr_实现，只需访问表达式的所有字段即可。IfNode的默认实现如下所示。

void ExprVisitor::VisitExpr_(const IfNode* op) {

  this->VisitExpr(op->cond);

  this->VisitExpr(op->true_branch);

  this->VisitExpr(op->false_branch);

}

在这里调用的是VisitExpr，不是VisitExpr，可以使用vtable in ExprFunctor进行路由。

现在，如果想编写一个类调用检查器，检查程序中是否出现任何函数调用，只需要扩展ExprVisitor，定义以下VisitExpr_方法：

void VisitExpr_(const CallNode* n) final {

  result_ = true;

}

其中result_是一个字段。在这种情况下，不需要在CallNode的字段上进一步递归，因为result_已经为true，原始表达式包含一个调用。为了使visitor可用，将提供以下公共方法：

bool Check(const Expr& expr) final {

  result_ = false;

  VisitExpr(expr);

  return result_;

}

这就是所需要的。在调用顶级递归前，定义一个公共接口，执行一些bookkeeping记录是非常常见的。当然，可以通过创建一个独立的pass，进一步包装API，该pass创建一个CallChecker实例调用Check，只花了很少的努力就实现了目标。

Expression Mutators

ExprMutator用于以某种方式转换程序的pass。使用该类，VisitExpr及私有对应项返回Expr。此类提供的默认VisitExpr_，实现访问表达式的所有字段，这些字段都是表达式，将这些字段设置为访问结果。TupleGetItemNode的默认实现如下所示。

Expr ExprMutator::VisitExpr_(const TupleGetItemNode* g) {

  auto t = this->Mutate(g->tuple);

  if (g->tuple == t) {

    return GetRef<Expr>(g);

  } else {

    return TupleGetItem(t, g->index);

  }

}

这里有几件事需要注意。首先，Mutate是ExprMutator中VisitExpr的别名。其次，如果Mutate调用修改了tuple字段，只返回一个新节点。这种更新方法称为功能更新，这样做可以避免不必要的分配。

ExprMutator的一个特性是ExprVisitor没有的，一个用于缓存结果的内置备注字段。ExprMutator有一个memoizer是有道理的，知道正在缓存哪些类型的结果（即Expr），ExprVisitor的访问方法不返回任何内容。通常，当想要将结果缓存在ExprVisitor的子类中时，需要定义缓存。

现在，如果想编写一个类IfCollapser，用真正分支替换每个if语句，将覆盖IfNode的VisitExpr_：

Expr ExprMutator::VisitExpr_(const IfNode* op) {

  return this->Mutate(op->true_branch);

}

返回的表达式不一定是IfNode，因为返回类型是Expr。现在，创建公共接口：

Expr CollapseIfs(const Expr& expr) final {

  return this->Mutate(expr);

}

有了这个mutator，不需要做任何记录，但仍然希望遵循使用描述性方法，作为接口的惯例。

示例：常量折叠

为了更好地理解编写pass，将以常量折叠pass（见src/relay/transforms/fold_constant.cc）为指导，因为是一个相对简单的过程，包含了两种类型的遍历。

常量折叠涉及计算程序中，只涉及常量值的表达式，然后用计算结果替换这些表达式。此pass的目标是预先加载所有可以进行的计算。为了实现这一点，常量折叠pass使用访客（ConstantChecker）和变异子（ConstantFolder）。

ConstantChecker Visitor

此访问者用于检查表达式是否为常量。在Relay中，如果表达式是常量节点或只有常量字段的元组节点，将定义为常量。

使用一个memo_字段，从节点映射是否为常量，缓存这些结果。以下是ConstantChecker中的VisitExpr_定义。

void VisitExpr_(const ConstantNode* n) final {

  memo_[GetRef<Constant>(n)] = true;

}

void VisitExpr_(const TupleNode* n) final {

  bool result = true;

  for (const auto& field : n->fields) {

    if (!Check(field)) {

      result = false;

      break;

    }

  }

  memo_[GetRef<Tuple>(n)] = result;

}

用于协调这些定义的记录是一个检查方法，返回给定表达式是否被视为常量。

bool Check(const Expr& expr) {

  const auto it = memo_.find(expr);

  if (it != memo_.end())

    return it->second;

  VisitExpr(expr);

  return memo_[expr];

}

不会为遇到的每个节点修改memo_；相反，只在遇到的节点可能是常量时修改memo_。然后，当memo_不包含expr时，依赖于默认值为false。

ConstantFolder Mutator常量折叠变异体

该mutator变异器执行大部分常量折叠pass，在内部使用ConstantChecker。在Relay中，常量折叠涉及三种节点类型：LetNode、TupleItemGetNode和CallNode。在下面的段落中，将解释pass中每个角色的作用。

Expr VisitExpr_(const LetNode* op) final {

  Expr value = this->Mutate(op->value);

  if (value.as<ConstantNode>()) {

    memo_[op->var] = value;

    return this->Mutate(op->body);

  } else {

    Var var = Downcast<Var>(this->Mutate(op->var));

    Expr body = this->Mutate(op->body);

    if (var.same_as(op->var) &&

        value.same_as(op->value) &&

        body.same_as(op->body)) {

      return GetRef<Expr>(op);

    } else {

      return Let(var, value, body);

    }

  }

}

在LetNode的情况下，首先尝试对表达式中绑定的值进行常量折叠。填充memo_，返回访问主体的结果，将绑定值传播到主体中的使用站点。如果不能将绑定值常量化，将模拟默认实现。

Expr VisitExpr_(const TupleGetItemNode* op) final {

  Expr res = ExprMutator::VisitExpr_(op);

  op = res.as<TupleGetItemNode>();

  if (const auto* tuple = op->tuple.as<TupleNode>()) {

    return tuple->fields[op->index];

  } else {

    return res;

  }

}

在TupleItemGetNode的情况下，检查op->tuple字段是否是TupleNode。用op->index指向的元组字段替换元组get。需要检查的原因是op->tuple可能计算为一个tuple，本身不是tuple。

Expr VisitExpr_(const CallNode* call) final {

  static auto op_stateful = Op::GetAttrMap<TOpIsStateful>("TOpIsStateful");

  Expr res = ExprMutator::VisitExpr_(call);

  call = res.as<CallNode>();

  // We don't constant fold function with zero arguments.

  // This is a heuristic that is useful.

  // For example it is harmful to fold ones(shape=(4, 5)).

  if (call->args.size() == 0) return res;

  const OpNode* op = call->op.as<OpNode>();

  if (op == nullptr) return res;

  // skip stateful ops.

  if (op_stateful.get(GetRef<Op>(op), false)) return res;

  bool all_const_args = true;

  for (Expr arg : call->args) {

    if (!checker_.Check(arg)) {

      all_const_args = false;

    }

  }

  if (all_const_args) {

    return ConstEvaluate(res);

  } else {

    return res;

  }

}

在CallNode的情况下，首先使用ExprMutator的VisitExpr_访问调用，将调用的所有字段折叠起来。使用ExprMutator:：VisitExpr_uu而不是VisitExpr，因为希望绕过vtable（避免无限循环），使用ExprMutator提供的默认实现。然后，仅在所有参数都是常量时（使用ConstantChecker）计算调用。对调用求值会产生一个值，因此使用help方法ValueToExpr，将求值表达式放回AST中。

现在，为常量文件夹构造一个更方便的接口FoldConstant。FoldConstant是ConstantFolder类外的一个独立函数，接受一个表达式，在内部创建和使用ConstantFolder实例（完整定义可在src/relay/transforms/fold_constant.cc中找到）。

向pass管理器注册pass

参阅：ref:`pass infra`上的文档，了解有关此主题的更多详细信息。

编写AST遍历器后，可以使用以下代码，将pass注册为TVM API端点：

namespace transform {

Pass FoldConstant() {

  runtime::TypedPackedFunc<Function(Function, Module, PassContext)> pass_func =

    [=](Function f, Module m, PassContext pc) {

      return Downcast<Function>(FoldConstant(f));

  };

  return CreateFunctionPass(pass_func, 2, "FoldConstant", {});

}

}  // namespace transform

如果将上述代码生成的Pass对象，提供给Pass基础设施，将确保将AST遍历应用于给定Relay模块中的每个函数，这是常量折叠Pass的预期行为（它应尽可能折叠所有常数）。

函数CreateFunctionPass允许注册pass的优化级别（在本例中为2），该级别可用于根据pass的通用工具、pass名称以及pass的任何依赖项，将pas分组。pass的依赖项以任何pass的列表的形式给出，这些pass的结果是运行当前pass所必需的。FoldConstant没有任何依赖项，但许多Relay pass确实依赖于类型信息，因此InferType是一个常见的依赖项；另一些可能依赖于程序，通过ToANormalForm pass处于A-normal形式。

注意，PassContext对象包含pass用于错误报告和配置选项的信息；FoldConstant不需要此信息，但其它pass可能会引用PassContext对象。

现在可以通过pass基础设施调用pass，不过最好为pass添加一个Python绑定，如下面的代码片段所示：

TVM_REGISTER_GLOBAL("relay._transform.FoldConstant")

.set_body_typed(FoldConstant);

一旦以上述方式定义了Pass对象，就可以使用Pass基础设施的顺序构造调用，该构造获取一个Pass列表，按顺序应用于Relay模块，从而获得转换后的模块。例如，下面的代码将FoldConstant和ToANormalForm pass（一个接一个），应用于mod中的每个函数，获得一个新模块。

seq = transform.Sequential([

    relay.transform.FoldConstant(),

    relay.transform.ToANormalForm()

])

new_mod = seq(mod)

有关注册的更多详细信息，可以在TVM Runtime系统中找到，有关pass manager接口的更多信息可以在pass基础设施中找到。Relay的标准pass在include/tvm/Relay/transform.h中列出，在src/Relay/transforms/中实现。

参考链接：

https://tvm.apache.org/docs/dev/how_to/relay_add_pass.html