复杂推理模型从服务器移植到Web浏览器的理论和实战

2022-04-17 08:26:45

作者 | 道仙
来源 | 阿里技术公众号

一背景

随着机器学习的应用面越来越广，能在浏览器中跑模型推理的Javascript框架引擎也越来越多了。在项目中，前端同学可能会找到一些跑在服务端的python算法模型，很想将其直接集成到自己的代码中，以Javascript语言在浏览器中运行。

对于一部分简单的模型，推理的前处理、后处理比较容易，不涉及复杂的科学计算，碰到这种模型，最多做个模型格式转化，然后用推理框架直接跑就可以了，这种移植成本很低。

而很大一部分模型会涉及复杂的前处理、后处理，包括大量的矩阵运算、图像处理等Python代码。这种情况一般的思路就是用Javascript语言将Python代码手工翻译一遍，这么做的问题是费时费力还容易出错。

Pyodide作为浏览器中的科学计算框架，很好的解决了这个问题：浏览器中运行原生的Python代码进行前、后处理，大量numpy、scipy的矩阵、张量等计算无需翻译为Javascript，为移植节省了很多工作。本文就基于pyodide框架，从理论和实战两个角度，帮助前端同学解决复杂模型的移植这一棘手问题。

二原理篇

Pyodide是个可以在浏览器中跑的WebAssembly（wasm）应用。它基于CPython的源代码进行了扩展，使用emscripten编译成为wasm，同时也把一大堆科学计算相关的pypi包也编译成了wasm，这样就能在浏览器中解释执行python语句进行科学计算了。所以pyodide也必然遵循wasm的各种约束。Pyodide在浏览器中的位置如下图所示：

1 wasm内存布局

这是wasm线性内存的布局：

Data数据段是从0x400开始的， Function Table表也在其中，起始地址为memoryBase（Emscripten中默认为1024，即0x400），STACKTOP为栈地址起始，堆地址起始为STACK_MAX。而我们实际更关心的是Javascript内存与wasm内存的互相访问。

2 Javascript与Python的互访

浏览器基于安全方面的考虑，防止wasm程序把浏览器搞崩溃，通过把wasm运行在一个沙箱化的执行环境中，禁止了wasm程序访问Javascript内存，而Javascript代码却可以访问wasm内存。因为wasm内存本质上是一个巨大的ArrayBuffer，接受Javascript的管理。我们称之为“单向内存访问”。

作为一个wasm格式的普通程序，pyodide被调用起来后，当然只能直接访问wasm内存。

为了实现互访，pyodide引入了proxy，类似于指针：在Javascript侧，通过一个PyProxy对象来引用python内存里的对象；在Python侧，通过一个JsProxy对象来引用Javascript内存里的对象。

在Javascript侧生成一个PyProxy对象：

const arr_pyproxy = pyodide.globals.get('arr')  // arr是python里的一个全局对象

在Python侧生成一个JsProxy对象：

import js
from js import foo   # foo是Javascript里的一个全局对象

互访时的类型转换分为如下三个等级：

【自动转换】对于简单类型，如数字、字符串、布尔等，会被自动拷贝内存值，此时产生的就不是Proxy、而是最终的值了。
【半自动转换】非简单的内置类型，都需要通过to_js()、to_py()方式来显式转换：
- 对于Python内置的list、dict、numpy.ndarray等对象，不属于简单类型，不会自动转换类型，必须通过pyodide.to_js()来转，相应的会被转成JS的list、map、TypedArray类型
- 反过来也类似，通过to_py()方法，JS的TypedArray转为memoryview，list、map转为list、dict
【手动转换】各种class、function和用户自定义类型，因为对方的语言没有对应的现成类型，所以只能以proxy的形式存在，需要通过运算符来间接操纵，就像操纵提线木偶一样。为了达到方便操纵的目的，pyodide对两种语言进行了语法模拟，用一种语言里的操作符模拟另一种语言的类似行为。例如：JS中的let a=new XXX()，在Python中就变为a=XXX.new()。

这里列举了一部分，详情可以查文档（见文章底部）。

Javascript的模块也可以引入到Python中，这样Python就能直接调用该模块的接口和方法了。例如，pyodide没有编译opencv包，可以使用opencv.js：

import pyodide
import js.cv as cv2
print(dir(cv2))

这对于pyodide缺失的pypi包是个很好的补充。

三实践篇

我们从一个空白页面开始。使用浏览器打开测试页面（测试页面见文章底部）。

1 初始化python

为了方便观察运行过程，使用动态的方式加载所需js和执行python代码。打开浏览器控制台，依次运行以下语句：

function loadJS( url, callback ){
  var script = document.createElement('script'),
  fn = callback || function(){};
  script.type = 'text/javascript';
  script.onload = function(){
      fn();
  };
  script.src = url;
  document.getElementsByTagName('head')[0].appendChild(script);
}
// 加载opencv
loadJS('https://test-bucket-duplicate.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/public/opencv/opencv.js',  function(){
    console.log('js load ok');
});

// 加载推理引擎onnxruntime.js。当然也可以使用其他推理引擎
loadJS('https://test-bucket-duplicate.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/public/onnxruntime/onnx.min.js',  function(){
    console.log('js load ok');
});

// 初始化python运行环境
loadJS('https://test-bucket-duplicate.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/public/pyodide/0.18.0/pyodide.js',  function(){
    console.log('js load ok');
});
pyodide = await loadPyodide({ indexURL : "https://test-bucket-duplicate.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/public/pyodide/0.18.0/"});
await pyodide.loadPackage(['micropip']);

至此，python和pip就安装完毕了，都位于内存文件系统中。我们可以查看一下python被安装到了哪里：

注意，这个文件系统是内存里虚拟出来的，刷新页面就丢失了。不过由于浏览器本身有缓存，所以刷新页面后从服务端再次加载pyodide的引导js和主体wasm还是比较快的，只要不清理浏览器缓存。

2 加载pypi包

在pyodide初始化完成后，python系统自带的标准模块可以直接import。第三方模块需要用micropip.install()安装：

pypi.org上的纯python包可以用micropip.install() 直接安装
含有C语言扩展（编译为动态链接库）的wheel包，需要对照官方已编译包的列表
- 在列表中的直接用micropip.install()安装
- 不在这个列表里的，就需要自己手动编译后发布到服务器后再用micropip.install()安装。

下图展示了业内常用的两种编译为wasm的方式。

自己编译wasm package的方法可参考官方手册，大致步骤就是pull官方的编译基础镜像，把待编译包的setup.cfg文件放到模块目录里，再加上些hack的语句和配置（如果有的话），然后指定目标进行编译。编译成功后部署时，需要注意2点：

设置允许跨域
对于wasm格式的文件请求，响应Header里应当带上："Content-type": "application/wasm"

下面是一个自建wasm服务器的nginx/openresty示例配置：

        location ~ ^/wasm/ {
          add_header 'Access-Control-Allow-Origin' "*";
          add_header 'Access-Control-Allow-Credentials' "true";
          root /path/to/wasm_dir;
          header_filter_by_lua '
            uri = ngx.var.uri
            if string.match(uri, ".js$") == nil then
                ngx.header["Content-type"] = "application/wasm"
            end
          ';
        }

回到我们的推理实例，现在用pip安装模型推理所需的numpy和Pillow包并将其import：

await pyodide.runPythonAsync(`
import micropip
micropip.install(["numpy", "Pillow"])
`);

await pyodide.runPythonAsync(`
import pyodide
import js.cv as cv2
import js.onnx as onnxruntime
import numpy as np
`);

这样python所需的opencv、onnxruntime包就已全部导入了。

3 opencv的使用

一般python里的图片数组都是从JS里传过来的，这里我们模拟构造一张图片，然后用opencv对其resize。上面提到过，pyodide官方的opencv还没编译出来。如果涉及到的opencv方法调用有其他pypi包的替代品，那是最好的：比如，cv.resize可以用Pillow库的PIL.resize代替（注意Pillow的resize速度比opencv的resize要慢）；cv.threshold可以用numpy.where代替。否则只能调用opencv.js的能力了。为了演示pyodide语法，这里都从opencv.js库里调用。

await pyodide.runPythonAsync(`
# 构造一个1080p图片
h,w = 1080,1920
img = np.arange(h * w * 3, dtype=np.uint8).reshape(h, w, 3)

# 使用cv2.resize将其缩小为1/10
# 原python代码：small_img = cv2.resize(img, (h_small, w_small))
# 改成调用opencv.js：
h_small,w_small = 108, 192
mat = cv2.matFromArray(h, w, cv2.CV_8UC3, pyodide.to_js(img.reshape(h * w * 3)))
dst = cv2.Mat.new(h_small, w_small, cv2.CV_8UC3)  
cv2.resize(mat, dst, cv2.Size.new(w_small, h_small), 0, 0, cv2.INTER_NEAREST)
small_img = np.asarray(dst.data.to_py()).reshape(h_small, w_small, 3)
`);

传参原则：除了简单的数字、字符串类型可以直接传，其他类型都需要通过pyodide.to_js()转换后再传入。返回值的获取也类似，除了简单的数字、字符串类型可以直接获取，其他类型都需要通过xx.to_py()转换后获取结果。

接着对一个mask检测其轮廓：

await pyodide.runPythonAsync(`
# 使用cv2.findContours来检测轮廓。假设mask为二维numpy数组，只有0、1两个值
# 原python代码：contours  = cv2.findContours(mask, cv2.RETR_CCOMP,cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
# 改成调用opencv.js：
contours_jsproxy = cv2.MatVector.new()   # cv2.Mat数组，对应opencv.js中的 contours = new cv.MatVector()语句
hierarchy_jsproxy = cv2.Mat.new()
mat = cv2.matFromArray(mask.shape[0], mask.shape[1],  cv2.CV_8UC1, pyodide.to_js(mask.reshape(mask.size)))
cv2.findContours(mat, pyodide.to_js(contours_jsproxy), pyodide.to_js(hierarchy_jsproxy), cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
# contours js格式转python格式
contours = []
for i in range(contours_jsproxy.size()):
  c_jsproxy = contours_jsproxy.get(i)
  c = np.asarray(c_jsproxy.data32S.to_py()).reshape(c_jsproxy.rows, c_jsproxy.cols, 2)
  contours.append(c)
`);

4 推理引擎的使用

最后，用onnx.js加载模型并进行推理，详细语法可参考onnx.js官方文档。其他js版的推理引擎也都可以参考各自的文档。

await pyodide.runPythonAsync(`
model_url="onnx模型的地址"
session = onnxruntime.InferenceSession.new()
session.loadModel(model_url)
session.run(......)
`);

通过以上的操作，我们确保了一切都在python语法范围内进行，这样修改原始的Python文件就比较容易了：把不支持的函数替换成我们自定义的调用js的方法；原Python里的推理替换成调用js版的推理引擎；最后在Javascript主程序框架里加少许调用Python的胶水代码就完成了。

5 挂载持久存储文件系统

有时我们需要对一些数据持久保存，可以利用pyodide提供的持久化文件系统（其实是emscripten提供的），见手册（文章底部）。

// 创建挂载点
pyodide.FS.mkdir('/mnt');
// 挂载文件系统
pyodide.FS.mount(pyodide.FS.filesystems.IDBFS, {}, '/mnt');
// 写入一个文件
pyodide.FS.writeFile('/mnt/test.txt', 'hello world');
// 真正的保存文件到持久文件系统
pyodide.FS.syncfs(function (err) {
    console.log(err);
});

这样文件就持久保存了。即使当我们刷新页面后，仍可以通过挂载该文件系统来读出里面的内容：

// 创建挂载点
pyodide.FS.mkdir('/mnt');
// 挂载文件系统
pyodide.FS.mount(pyodide.FS.filesystems.IDBFS, {}, '/mnt');
// 写入一个文件
pyodide.FS.writeFile('/mnt/test.txt', 'hello world');
// 真正的保存文件到持久文件系统
pyodide.FS.syncfs(function (err) {
    console.log(err);
});

运行结果如下：

当然，以上语句可以在python中以Proxy的语法方式运行。

持久文件系统有很多用处。例如，可以帮我们在多线程（webworker）之间共享大数据；可以把模型文件持久存储到文件系统里，无需每次都通过网络加载。

6 打wheel包

单Python文件无需打包，直接当成一个巨大的字符串，交给pyodide.runPythonAsync()运行就好了。当有多个Python文件时，我们可以把这些python文件打成普通wheel包，部署到webserver，然后可以用micropip直接安装该wheel包：

micropip.install("https://foo.com/bar-1.2.3-xxx.whl")
from bar import ...

注意，打wheel包需要有__init__.py文件，哪怕是个空文件。

四存在的缺陷

目前pyodide有如下几个缺陷：

Python运行环境加载和初始化时间有点儿长，视网络情况，几秒到几十秒都有可能。
pypi包支持的不完整。虽然pypi.org上的纯python包都可以直接使用，但涉及到C扩展写的包，如果官方还没编译出来，那就需要自己动手编译了。
个别很常用的包，例如opencv，还没成功编译出来；模型推理框架一个都没有。不过还好可以通过相应的JS库来弥补。
如果python中调用了js库的话：
- 可能会产生一定的内存拷贝开销（从wasm内存到JS内存的来回拷贝）。尤其是大数组作为参数或返回值，在速度要求高的场合下，额外的内存拷贝开销就不能忽视了。
- python库的方法接口可能跟其对应的js库的接口参数、返回值格式不一致，有一定的适配工作量。

五总结

尽管有上述种种缺陷，得益于代码移植的高效率和逻辑上1:1复刻的高可靠性保障，我们还是可以把这种方法运用到多种业务场景里，为推动机器学习技术的应用添砖加瓦。

链接：

1、测试页面：

https://test-bucket-duplicate.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/public/pyodide/test.html

2、文档：

https://pyodide.org/en/stable/usage/type-conversions.html

3、官方已编译包的列表：
https://github.com/pyodide/pyodide/tree/main/packages

4、手册：

https://emscripten.org/docs/api_reference/Filesystem-API.html

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