kubeflow系列(三)：模型即服务，关于tensorflow serving的使用

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模型即服务（Model as a service）作为算法模型最优雅的价值变现，也是最佳的tf算法部署实践，Tensorflow Serving 作为Tensorflow官方的模型部署方案，也是kubeflow默认的一种tensorflow部署形式，本文介绍如何用 Tensorflow Serving 部署算法模型。

kubeflow 中采用了 tensorflow serving 作为官方的tensorflow模型接口， TensorFlow Serving是GOOGLE开源的一个服务系统，适用于部署机器学习模型，灵活、性能高、可用于生产环境。 TensorFlow Serving可以轻松部署新算法和实验，同时保持相同的服务器架构和API。

Tensorflow Serving 直接加载模型即可生成接口，不过 serving 支持的模型只有 SaveModel，因此这里主要介绍 SaveModel。

SaveModel

SaveModel 是一种专门用于tf模型 拓扑结构(topology) 和 权重(weights) ，基于 SaveModel 不需要运行原始的模型构建代码，这样非常利于共享或部署模型，因此一般模型部署都用 SaveModel。

  • 拓扑结构(Topology): 这是一个描述模型结构的文件（例如它使用的了哪些操作）。它包含对存储在外部的模型权重的引用。
  • 权重(Weights): 这些是以有效格式存储给定模型权重的二进制文件。它们通常存储在与拓扑结构相同的文件夹中。

SaveModel文件目录:

assets  saved_model.pb  variables

查看MetaGraphDefs和SignatureDefs:

saved_model_cli show --dir <SaveModel路径> --all

生成模型需要模型的MetaGraphDefs和SignatureDefs，MetaGraphDefs就是我们常见的meta graph，其中包含了四种主要的信息：

  • MetaInfoDef: 存放了一些元信息，例如版本和其他用户信息；
  • GraphDef: 描述的Graph中序列化得到的图，由Protocol Buffer组成；
  • SaverDef: 图的Saver信息，例如最多同时保存的checkpoint数量，需要保存的Tensor名字等，不保存Tensor中的实际内容；
  • CollectionDef: 任何需要特殊注意的python对象，需要特殊的标注以方便import_meta_graph后取回，如”prediction”。

SignatureDefs则是模型的签名定义，定义了 输入 和 输出函数`。

SignatureDefs

SignatureDef 定义了 TensorFlow graph 计算的签名，定义了 输入 和 输出函数，SignatureDef 结构 ：

inputs as a map of string to TensorInfo.
outputs as a map of string to TensorInfo.
method_name (which corresponds to a supported method name in the loading tool/system).

Classification SignatureDef例子

必须要一个输入 Tensors inputs 和两个输出Tensors: classes和 scores

signature_def: {
  key  : "my_classification_signature"
  value: {
    inputs: {
      key  : "inputs"
      value: {
        name: "tf_example:0"
        dtype: DT_STRING
        tensor_shape: ...
      }
    }
    outputs: {
      key  : "classes"
      value: {
        name: "index_to_string:0"
        dtype: DT_STRING
        tensor_shape: ...
      }
    }
    outputs: {
      key  : "scores"
      value: {
        name: "TopKV2:0"
        dtype: DT_FLOAT
        tensor_shape: ...
      }
    }
    method_name: "tensorflow/serving/classify"
  }
}

Predict SignatureDef例子

signature_def: {
  key  : "my_prediction_signature"
  value: {
    inputs: {
      key  : "images"
      value: {
        name: "x:0"
        dtype: ...
        tensor_shape: ...
      }
    }
    outputs: {
      key  : "scores"
      value: {
        name: "y:0"
        dtype: ...
        tensor_shape: ...
      }
    }
    method_name: "tensorflow/serving/predict"
  }
}

Regression SignatureDef例子

signature_def: {
  key  : "my_regression_signature"
  value: {
    inputs: {
      key  : "inputs"
      value: {
        name: "x_input_examples_tensor_0"
        dtype: ...
        tensor_shape: ...
      }
    }
    outputs: {
      key  : "outputs"
      value: {
        name: "y_outputs_0"
        dtype: DT_FLOAT
        tensor_shape: ...
      }
    }
    method_name: "tensorflow/serving/regress"
  }
}

生成 SaveModel 文件

生成 SaveModel文件的方式：

  • （1）tf.saved_model # 最直接简单

  • （2）Estimator的export_savedmodel # 高级API Estimator模型导出

    classifier = classifier = tf.estimator.Estimator(
            model_fn=conv_model, model_dir=args.tf_model_dir,
            config=training_config, params=model_params)
    classifier.export_savedmodel(args.tf_export_dir, serving_input_receiver_fn=serving_fn)

  • （3）keras.Model.save(output_path)

将 checkpoint 模型文件 改为 SaveModel 文件

import sys, os, io
import tensorflow as tf

model_version = "1"
model_name = "object"

def restore_and_save(input_checkpoint, export_path_base):
    checkpoint_file = tf.train.latest_checkpoint(input_checkpoint)
    graph = tf.Graph()

    with graph.as_default():
        session_conf = tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True, log_device_placement=False)
        sess = tf.Session(config=session_conf)

        with sess.as_default():
            # 载入保存好的meta graph，恢复图中变量，通过SavedModelBuilder保存可部署的模型
            saver = tf.train.import_meta_graph("{}.meta".format(checkpoint_file))
            saver.restore(sess, checkpoint_file)
            print ("name scope: ",graph.get_name_scope())

            export_path_base = export_path_base
            export_path = os.path.join(
                tf.compat.as_bytes(export_path_base),
                tf.compat.as_bytes(model_name+"/"+model_version))
            print('Exporting trained model to', export_path)

            builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder(export_path)
            # 模型的各种operator 可以通过 graph.get_operations() 获得
            # input 为输入层operator
            inputs = tf.saved_model.utils.build_tensor_info(graph.get_operation_by_name("Placeholder").outputs[0])
            print(inputs)
            # output 为输出层operator, 这里的输出层 type 为 Softmax
            outputs = tf.saved_model.utils.build_tensor_info(graph.get_operation_by_name("final_result").outputs[0])
            print(outputs)
            """
            signature_constants：SavedModel保存和恢复操作的签名常量。
            在序列标注的任务中，这里的method_name是"tensorflow/serving/predict"
            """
            # 定义模型的输入输出，建立调用接口与tensor签名之间的映射
            labeling_signature = (
                tf.saved_model.signature_def_utils.build_signature_def(
                    inputs={
                        "Placeholder":
                            inputs,
                    },
                    outputs={
                        "final_result":
                            outputs,
                    },
                    method_name="tensorflow/serving/predict"))
            
            """
            tf.group : 创建一个将多个操作分组的操作，返回一个可以执行所有输入的操作
            """
            legacy_init_op = tf.group(tf.tables_initializer(), name='legacy_init_op')

            """
            add_meta_graph_and_variables：建立一个Saver来保存session中的变量，
                                          输出对应的原图的定义，这个函数假设保存的变量已经被初始化；
                                          对于一个SavedModelBuilder，这个API必须被调用一次来保存meta graph；
                                          对于后面添加的图结构，可以使用函数 add_meta_graph()来进行添加
            """
            # 建立模型名称与模型签名之间的映射
            builder.add_meta_graph_and_variables(
                sess, [tf.saved_model.tag_constants.SERVING],
                signature_def_map={
                    tf.saved_model.signature_constants.DEFAULT_SERVING_SIGNATURE_DEF_KEY:
                       labeling_signature},
                legacy_init_op=legacy_init_op
            )
            builder.save()

            print("Build Done")

Run server

生成好 SaveModel 模型文件，就可以直接运行 serving 来实现模型服务：

(1)用DOCKER运行:

docker run --rm -it -p 8500:8500 \
--mount type=bind,source=/root/inception/models,target=/models \
-e MODEL_NAME=1 tensorflow/serving

挂载的默认目录为两级目录:./<模型名称>/<版本号>/save_model.pb, 版本号必须为数字。

(2)或者可以用k8s运行deployment(kubeflow)：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: inception
  name: inception-service-local
  namespace: kubeflow
spec:
  template:
    metadata:
      labels:
        app: inception
        version: v1
    spec:
      containers:
      - args:
        - --port=9000
        - --rest_api_port=8500
        - --model_name=1
        - --model_base_path=/mnt/export
        command:
        - /usr/bin/tensorflow_model_server
        env:
        - name: modelBasePath
          value: /mnt/export
        image: tensorflow/serving:1.11.1
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        livenessProbe:
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 30
          tcpSocket:
            port: 9000
        name: mnist
        ports:
        - containerPort: 9000
        - containerPort: 8500
        volumeMounts:
        - mountPath: /mnt
          name: local-storage

构建请求测试

测试模型接口

import requests
from PIL import Image
import numpy as np

filename = "./CES/astra_mini/1576210854440.png" # 图片
img=Image.open(filename)   
img_arr=np.array(img,dtype=np.uint8)
print(img_arr.shape) # (299, 299, 3)

data = json.dumps({"instances": [img_arr.tolist()]})
headers = {"content-type": "application/json"}
json_response = requests.post('http://127.0.0.1:8501/v1/models/object:predict', data=data, headers=headers)
print(json_response.text)

参考文献

https://www.tensorflow.org/tfx/tutorials/serving/rest_simple

shikanon wechat
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