http://blog.luoyetx.com/2015/10/reading-caffe-2/
Blob 在 Caffe 中扮演了重要的角色，用于存储数据和网络参数，同时也在 CPU 和 GPU 之间做了数据同步。Blob 原本在 Caffe 中被表示为一个 4 维数组 (num x channel x height x width)，现在可以表示多维数组，最高维数由宏 kMaxBlobAxes 确定，目前 blob.hpp 中设置了 const int kMaxBlobAxes = 32;。Blob 类的代码主要集中在 blob.hpp 和 blob.cpp 中。
数据与相关操作函数
Blob 类主要包括如下成员
1
2
3
4
5
6
| shared_ptr<SyncedMemory> data_;
shared_ptr<SyncedMemory> diff_;
shared_ptr<SyncedMemory> shape_data_;
vector<int> shape_;
int count_;
int capacity_;
|
其中 SyncedMemory 主要用来实现数据在 CPU 和 GPU 上的管理。同时 Blob 类提供一组函数来操作这些数据。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
| const Dtype* cpu_data() const;
void set_cpu_data(Dtype* data);
const int* gpu_shape() const;
const Dtype* gpu_data() const;
const Dtype* cpu_diff() const;
const Dtype* gpu_diff() const;
Dtype* mutable_cpu_data();
Dtype* mutable_gpu_data();
Dtype* mutable_cpu_diff();
Dtype* mutable_gpu_diff();
|
我们可以通过这些函数拿到 Blob 内部的数据包括修改 Blob 的内部数据。其中的 Dtype 是泛型类型，在定义 Blob 变量时设置的，一般为 float 或者 double。
Blob 类在内部所存储的数据是一块连续的内存，为了表示多维数组，shape_ 和 shapedata 记录了每一维的大小，这样就能够很轻松地从给出的坐标中计算出 offset 从而得到那个点的数据。由于 Blob 主要还是用来表示 4 维数组 (最初就是这样的)，Blob 类中仍使用了 int num(); int channels(); int height(); int width(); 这些函数，其实 num 等价于 shape()[0]，channels 等价于 shape()[1]，height 等价于 shape()[2]，width 等价于 shape()[3]。计算 offset 时可以使用这四个数字或者直接给出坐标。
1
2
| int offset(const int n, const int c = 0, const int h = 0, const int w = 0);
int offset(const vector<int>& indices);
|
有了 Blob 提供的这组函数和上一组函数，我们就可以轻易地操作 Blob 内部的数据了。
动态多维数组
Blob 类可以动态改变数组的尺寸，当拓展数组导致原有内存空间不足以存放下数据时 (count > capacity)，就会重新分配内存。Blob 提供了一组 Reshape 函数来完成这个功能。
1
2
3
4
| void Reshape(const int num, const int channels, const int height, const int width);
void Reshape(const vector<int>& shape);
void Reshape(const BlobShape& shape);
void ReshapeLike(const Blob& other);
|
Blob 类在初始化时并没有分配内存，也是通过调用 Reshape 来分配内存的。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
| template <typename Dtype>
void Blob<Dtype>::Reshape(const vector<int>& shape) {
CHECK_LE(shape.size(), kMaxBlobAxes); // 检查维数
count_ = 1; // 用于计算新的多维数组的大小
shape_.resize(shape.size()); // 更新维数
if (!shape_data_ || shape_data_->size() < shape.size() * sizeof(int)) {
// shape_data_ 未初始化或者内存太小
shape_data_.reset(new SyncedMemory(shape.size() * sizeof(int)));
}
int* shape_data = static_cast<int*>(shape_data_->mutable_cpu_data());
for (int i = 0; i < shape.size(); ++i) {
CHECK_GE(shape[i], 0);
CHECK_LE(shape[i], INT_MAX / count_) << "blob size exceeds INT_MAX";
count_ *= shape[i];
shape_[i] = shape[i];
shape_data[i] = shape[i];
}
if (count_ > capacity_) {
// 内存不够
capacity_ = count_;
data_.reset(new SyncedMemory(capacity_ * sizeof(Dtype)));
diff_.reset(new SyncedMemory(capacity_ * sizeof(Dtype)));
}
}
|
SyncedMemory
Blob 事实上是对 SyncedMemory 的封装。SyncedMemory 完成了对内存的实际操作，包括数据在 CPU 和 GPU 上的同步。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
| enum SyncedHead { UNINITIALIZED, HEAD_AT_CPU, HEAD_AT_GPU, SYNCED };
void* cpu_ptr_;
void* gpu_ptr_;
size_t size_;
SyncedHead head_;
bool own_cpu_data_;
bool cpu_malloc_use_cuda_;
bool own_gpu_data_;
int gpu_device_;
|
SyncedMemory 内部存放了两份数据，分别位于 CPU 和 GPU 上，用 cpu_ptr 和 gpu_ptr 表示。同时 SyncedMemory 也给出了一组函数来获取和设置实际数据。
1
2
3
4
5
6
| const void* cpu_data();
void set_cpu_data(void* data);
const void* gpu_data();
void set_gpu_data(void* data);
void* mutable_cpu_data();
void* mutable_gpu_data();
|
head_ 表示了数据的同步状态，通过调用 to_cpu() 和 to_gpu() 来做同步。如果 head_ = UNINITIALIZED 则分配相应的内存。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
| inline void SyncedMemory::to_cpu() {
switch (head_) {
case UNINITIALIZED:
CaffeMallocHost(&cpu_ptr_, size_, &cpu_malloc_use_cuda_);
caffe_memset(size_, 0, cpu_ptr_);
head_ = HEAD_AT_CPU;
own_cpu_data_ = true;
break;
case HEAD_AT_GPU:
#ifndef CPU_ONLY
if (cpu_ptr_ == NULL) {
CaffeMallocHost(&cpu_ptr_, size_, &cpu_malloc_use_cuda_);
own_cpu_data_ = true;
}
caffe_gpu_memcpy(size_, gpu_ptr_, cpu_ptr_);
head_ = SYNCED;
#else
NO_GPU;
#endif
break;
case HEAD_AT_CPU:
case SYNCED:
break;
}
}
inline void SyncedMemory::to_gpu() {
#ifndef CPU_ONLY
switch (head_) {
case UNINITIALIZED:
CUDA_CHECK(cudaGetDevice(&gpu_device_));
CUDA_CHECK(cudaMalloc(&gpu_ptr_, size_));
caffe_gpu_memset(size_, 0, gpu_ptr_);
head_ = HEAD_AT_GPU;
own_gpu_data_ = true;
break;
case HEAD_AT_CPU:
if (gpu_ptr_ == NULL) {
CUDA_CHECK(cudaGetDevice(&gpu_device_));
CUDA_CHECK(cudaMalloc(&gpu_ptr_, size_));
own_gpu_data_ = true;
}
caffe_gpu_memcpy(size_, cpu_ptr_, gpu_ptr_);
head_ = SYNCED;
break;
case HEAD_AT_GPU:
case SYNCED:
break;
}
#else
NO_GPU;
#endif
}
|
数据序列化
Blob 数据可以通过 Protobuf 来做相应的序列化操作，ToProto 和 FromProto 完成相应的序列化操作。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
| message BlobProto {
optional BlobShape shape = 7;
repeated float data = 5 [packed = true];
repeated float diff = 6 [packed = true];
repeated double double_data = 8 [packed = true];
repeated double double_diff = 9 [packed = true];
optional int32 num = 1 [default = 0];
optional int32 channels = 2 [default = 0];
optional int32 height = 3 [default = 0];
optional int32 width = 4 [default = 0];
}
|
小结
Caffe 通过 SyncedMemory 和 Blob 封装了底层数据，为 Caffe 框架上的其他组件提供最基础的数据抽象，后面的 Layer 参数，Net 参数以及 Solver 的参数等都是 Blob 数据，所以理解 Blob 抽象和管理数据的实现方式有助于后续 Caffe 源码的阅读，也是阅读 Caffe 源码的第一步。
)
