Month: August 2012

genetic programming, Python

Genetic Programming and a LLVM JIT for restricted Python AST expressions

A small intro on the rationale

So I’m working on a Symbolic Regression Machine written in C/C++ called Shine, which is intended to be a JIT for Genetic Programming libraries (like Pyevolve for instance). The main rationale behind Shine is that we have today a lot of research on speeding Genetic Programming using GPUs (the GPU fever !) or any other special hardware, etc, however we don’t have many papers talking about optimizing GP using the state of art compilers optimizations like we have on clang, gcc, etc.

The “hot spot” or the component that consumes a lot of CPU resources today on Genetic Programming is the evaluation of each individual in order to calculate the fitness of the program tree. This evaluation is often executed on each set of parameters of the “training” set. Suppose you want to make a symbolic regression of a single expression like the Pythagoras Theorem and you have a linear space of parameters from 1.0 to 1000.0 with a step of 0.1 you have 10.000 evaluations for each individual (program tree) of your population !

What Shine does is described on the image below:

It takes the individual of the Genetic Programming engine and then converts it to LLVM Intermediate Representation (LLVM assembly language), after that it runs the transformation passes of the LLVM (here is where the true power of modern compilers enter on the GP context) and then the LLVM JIT converts the optimized LLVM IR into native code for the specified target (X86, PowerPC, etc).

You can see below the Shine architecture:

This architecture brings a lot of flexibility for Genetic Programming, you can for instance write functions that could be used later on your individuals on any language supported by the LLVM, what matters to Shine is the LLVM IR, you can use any language that LLVM supports and then use the IR generated by LLVM, you can mix code from C, C++, Ada, Fortran, D, etc and use your functions as non-terminal nodes of your Genetic Programming trees.

Shine is still on its earlier development, it looks a simple idea but I still have a lot of problems to solve, things like how to JIT the evaluation process itself instead of doing calls from Python using ctypes bindings of the JITed trees.

Doing Genetic Programming on the Python AST itself

During the development of Shine, an idea happened to me, that I could use a restricted Python Abstract Syntax Tree (AST) as the representation of individuals on a Genetic Programming engine, the main advantage of this is the flexibility and the possibility to reuse a lot of things. Of course that a shared library written in C/C++ would be useful for a lot of Genetic Programming engines that doesn’t uses Python, but since my spare time to work on this is becoming more and more rare I started to rethink the approach and use Python and the LLVM bindings for LLVM (LLVMPY) and I just discovered that is pretty easy to JIT a restricted set of the Python AST to native code using LLVM, and this is what this post is going to show.

JIT’ing a restricted Python AST

The most amazing part of LLVM is obviously the amount of transformation passes, the JIT and of course the ability to use the entire framework through a simple API (ok, not so simple sometimes). To simplify this example, I’m going to use an arbitrary restricted AST set of the Python AST that supports only subtraction (-), addition (+), multiplication (*) and division (/).

To understand the Python AST, you can use the Python parser that converts source into AST:

>>> import ast
>>> astp = ast.parse("2*7")
>>> ast.dump(astp)
'Module(body=[Expr(value=BinOp(left=Num(n=2), op=Mult(), right=Num(n=7)))])'

What the parse created was an Abstract Syntax Tree containing the BinOp (Binary Operation) with the left operator as the number 2, the right operator as the number 7 and the operation itself as Multiplication(Mult), very easy to understand. What we are going to do to create the LLVM IR is to create a visitor that is going to visit each node of the tree. To do that, we can subclass the Python NodeVisitor class from the ast module. What the NodeVisitor does is to visit each node of the tree and then call the method ‘visit_OPERATOR’ if it exists, when the NodeVisitor is going to visit the node for the BinOp for example, it will call the method ‘visit_BinOp’ passing as parameter the BinOp node itself.

The structure of the class for for the JIT visitor will look like the code below:

# Import the ast and the llvm Python bindings
import ast
from llvm import *
from llvm.core import *
from llvm.ee import *
import llvm.passes as lp

class AstJit(ast.NodeVisitor):
    def __init__(self):
        pass

What we need to do now is to create an initialization method to keep the last state of the JIT visitor, this is needed because we are going to JIT the content of the Python AST into a function and the last instruction of the function needs to return what was the result of the last instruction visited by the JIT. We also need to receive a LLVM Module object in which our function will be created as well the closure type, for the sake of simplicity I’m not type any object, I’m just assuming that all numbers from the expression are integers, so the closure type will be the LLVM integer type.

def __init__(self, module, parameters):
    self.last_state = None
    self.module = module
    # Parameters that will be created on the IR function
    self.parameters = parameters
    self.closure_type = Type.int()
    # An attribute to hold a link to the created function
    # so we can use it to JIT later
    self.func_obj = None
    self._create_builder()


def _create_builder(self):
    # How many parameters of integer type
    params = [self.closure_type] * len(self.parameters)

    # The prototype of the function, returning a integer
    # and receiving the integer parameters
    ty_func = Type.function(self.closure_type, params)

    # Add the function to the module with the name 'func_ast_jit'
    self.func_obj = self.module.add_function(ty_func, 'func_ast_jit')

    # Create an argument in the function for each parameter specified
    for index, pname in enumerate(self.parameters):
        self.func_obj.args[index].name = pname

    # Create a basic block and the builder
    bb = self.func_obj.append_basic_block("entry")
    self.builder = Builder.new(bb)

Now what we need to implement on our visitor is the ‘visit_OPERATOR’ methods for the BinOp and for the Numand Name operators. We will also implement the method to create the return instruction that will return the last state.

# A 'Name' is a node produced in the AST when you
# access a variable, like '2+x+y', 'x' and 'y' are
# the two names created on the AST for the expression.
def visit_Name(self, node):
    # This variable is what function argument ?
    index = self.parameters.index(node.id)
    self.last_state = self.func_obj.args[index]
    return self.last_state

# Here we create a LLVM IR integer constant using the
# Num node, on the expression '2+3' you'll have two
# Num nodes, the Num(n=2) and the Num(n=3).
def visit_Num(self, node):
    self.last_state = Constant.int(self.closure_type, node.n)
    return self.last_state

# The visitor for the binary operation
def visit_BinOp(self, node):
    # Get the operation, left and right arguments
    lhs = self.visit(node.left)
    rhs = self.visit(node.right)
    op = node.op

    # Convert each operation (Sub, Add, Mult, Div) to their
    # LLVM IR integer instruction equivalent
    if isinstance(op, ast.Sub):
        op = self.builder.sub(lhs, rhs, 'sub_t')
    elif isinstance(op, ast.Add):
        op = self.builder.add(lhs, rhs, 'add_t')
    elif isinstance(op, ast.Mult):
        op = self.builder.mul(lhs, rhs, 'mul_t')
    elif isinstance(op, ast.Div):
        op = self.builder.sdiv(lhs, rhs, 'sdiv_t')

    self.last_state = op
    return self.last_state

# Build the return (ret) statement with the last state
def build_return(self):
    self.builder.ret(self.last_state)

And that is it, our visitor is ready to convert a Python AST to a LLVM IR assembly language, to run it we’ll first create a LLVM module and an expression:

module = Module.new('ast_jit_module')
# Note that I'm using two variables 'a' and 'b'
expr = "(2+3*b+33*(10/2)+1+3/3+a)/2"
node = ast.parse(expr)
print ast.dump(node)

Will output:

Module(body=[Expr(value=BinOp(left=BinOp(left=BinOp(left=BinOp(
left=BinOp(left=BinOp(left=Num(n=2), op=Add(), right=BinOp(
left=Num(n=3), op=Mult(), right=Name(id='b', ctx=Load()))), op=Add(),
right=BinOp(left=Num(n=33), op=Mult(), right=Num(n=2))), op=Add(),
right=Num(n=1)), op=Add(), right=Num(n=3)), op=Add(),
right=Name(id='a', ctx=Load())), op=Div(), right=Num(n=2)))])

 

Now we can finally run our visitor on that generated AST the check the LLVM IR output:

visitor = AstJit(module, ['a', 'b'])
visitor.visit(node)
visitor.build_return()
print module

Will output the LLVM IR:

; ModuleID = 'ast_jit_module'

define i32 @func_ast_jit(i32 %a, i32 %b) {
entry:
  %mul_t = mul i32 3, %b
  %add_t = add i32 2, %mul_t
  %add_t1 = add i32 %add_t, 165
  %add_t2 = add i32 %add_t1, 1
  %add_t3 = add i32 %add_t2, 1
  %add_t4 = add i32 %add_t3, %a
  %sdiv_t = sdiv i32 %add_t4, 2
  ret i32 %sdiv_t
}

Now is when the real fun begins, we want to run LLVM optimization passes to optimize our code with an equivalent GCC -O2 optimization level, to do that we create a PassManagerBuilder and a PassManager, the PassManagerBuilder is the component that adds the passes to the PassManager, you can also manually add arbitrary transformations like dead code elimination, function inlining, etc:

pmb = lp.PassManagerBuilder.new()
# Optimization level
pmb.opt_level = 2

pm = lp.PassManager.new()
pmb.populate(pm)

# Run the passes into the module
pm.run(module)
print module

Will output:

; ModuleID = 'ast_jit_module'

define i32 @func_ast_jit(i32 %a, i32 %b) nounwind readnone {
entry:
  %mul_t = mul i32 %b, 3
  %add_t3 = add i32 %a, 169
  %add_t4 = add i32 %add_t3, %mul_t
  %sdiv_t = sdiv i32 %add_t4, 2
  ret i32 %sdiv_t
}

And here we have the optimized LLVM IR of the Python AST expression. The next step is to JIT that IR into native code and then execute it with some parameters:

ee = ExecutionEngine.new(module)
arg_a = GenericValue.int(Type.int(), 100)
arg_b = GenericValue.int(Type.int(), 42)

retval = ee.run_function(visitor.func_obj, [arg_a, arg_b])
print "Return: %d" % retval.as_int()

Will output:

Return: 197

And that’s it, you have created a AST->LLVM IR converter, optimized the LLVM IR with the transformation passes and then converted it to native code using the LLVM execution engine. I hope you liked =)

Cite this article as: Christian S. Perone, "Genetic Programming and a LLVM JIT for restricted Python AST expressions," in Terra Incognita, 15/08/2012, https://blog.christianperone.com/2012/08/genetic-programming-and-a-llvm-jit-for-restricted-python-ast-expressions/.
Raspberry Pi

Raspberry Pi no Brasil

* This post is in portuguese

Bom, finalmente chegou meu tão esperado Raspberry Pi, consegui efetuar a compra através de uma fila de espera (estou nesta fila desde o primeiro dia de Março de 2012) na Farnell Newark do Brasil que fez a importação de um (ou mais) lotes da Element 14 e agora está distribuindo aqui no Brasil. Como moro em Porto Alegre no Rio Grande do Sul, o preço total (juntamente com frete) do RPi somaram R$ 182,22 reais, um valor bem acima do esperado para o “computador de $30 dólares”, graças ao nosso gentil governo que como todos já devem ter notado, usa uma EXCELENTE estratégia para incentivar a pesquisa científica, obrigando desta forma os brasileiros a construirem seu próprio hardware usando bambu ou Pau-brasil, mas isto é outra história.

O atendimento da Farnell Newark foi ótimo, a vendedora foi muito atenciosa e sempre respondeu meus questionamentos em um curtíssimo intervalo de tempo, logo após efetuar o pagamento, demorou apenas 1 dia para o aparelho chegar (foi despachado através da UPS). Segue abaixo uma foto dele (clique para ampliar):

Primeiros passos: cartão SD

A primeira tarefa que precisei fazer para fazê-lo funcionar foi a preparação de um cartão SD. Como não consegui encontrar em nenhum lugar que fui um cartão SD de 4GB eu utilizei um micro-SD da Kingston de 4GB (class 4). É importante sempre verificar a Wiki do projeto antes de comprar qualquer cartão SD ou dispositivo USB para o seu Raspberry Pi, pois lá você vai encontrar uma lista de periféricos que comprovadamente funcionam e os que ainda estão problemáticos. Eu aconselho a compra de um cartão class 4 pois houve relatos de problemas com alguns cartões class 10, mas se você já tiver um cartão class 10 não custa tentar a sorte, este é um problema que provavelmente já deve ter sido corrigido no Kernel do Raspbian.

Para preparar o cartão você precisa escolher antes uma distro Linux, eu escolhi o Raspbian que é um port do Debian Wheezy para arm otimizado para “hard float“, o que ajuda bastante na performance de aplicações que fazem bastante uso de operações de ponto flutuante. Além de ser Debian e ter toda a infinidade de pacotes disponíveis no repositório (no momento em que estou escrevendo já existem mais de 30 mil pacotes do Debian já compilados para armhf), ele está funcionando muito bem com todos dispositivos que utilizei até agora (mouse usb, teclado usb, card sd, ethernet, hdmi video/audio, etc.).

Fonte de energia (power supply)

Bom, após ter preparado meu cartão SD eu comprei uma power supply USB, esta da foto abaixo:

Carregador USB “importado”

Para ligar seu RPi você vai precisar de uma fonte USB de 5V com no mínimo 500mA de corrente disponível, não adianta tentar ligar seu Raspberry Pi na USB do computador.

Como nem tudo é tão simples, ao ligar meu RPi ele logo acustou no boot problemas com o módulo ethernet como este e meu teclado USB não funcionava. O RPi ficava simplesmente travado e sem conexão ethernet alguma, os LEDs nem acendiam.

Sempre desconfie da sua fonte de energia em primeiro lugar ao enfrentar problemas como este, ainda mais aqui no Brasil com todas essas fontes de energia USB “importadas”.

Meu primeiro reflexo foi verificar a voltagem que este power supply estava fornecendo, usando os contatos TP1 e TP2 da placa (você pode ver estes contatos como uns buracos na placa na imagem do RPi). O TP1 está ligado no Vin da fonte de energia e o TP2 no GND (terra) da fonte. Ao ligar o voltímetro, ele mostrou a voltagem abaixo:

Voltagem do carregador USB “importado”

Uma fonte de energia que supostamente deveria fornecer 5v estava fornecendo 5.44V, bem acima do limite de +5% ou -5% tolerado por muitos dispositivos USB como teclados, etc. o RPi possui um regulador de voltagem (SE8117T33) que faz a regulagem da entrada de 5V para 3.3V, este regulador tem o 1.1V como voltagem de dropout, ou seja, para que ele forneça um sinal estável de 3.3V ele precisa ter no mínimo 3.3V+1.1V = 4.4V de entrada, até aí tudo bem, pois estamos fornecendo 5.44V, o problema é que este regulador funciona para distribuição de apenas alguns componentes internos do RPi e não para os dispositivos USB e alguns outros componentes (o Vin da fonte é ligado direto aos periféricos USB), ao fornecer 5.44V ele está ultrapassando um limite de 5% que seria entre 4.75V e 5.25V. Este intervalo de voltagem é o ideal para o seu Raspberry Pi, é sempre importante checar se a sua fonte de energia está dentro deste intervalo e afastado dos limites superiores e inferiores. Um dos fatores que pode causar uma queda da voltagem da sua fonte é o próprio cabo micro USB, que acaba atuando como uma resistência, por isso é sempre bom ter um cabo de qualidade (e curto) e uma fonte de qualidade.

No fim da história tive que trocar minha fonte por uma da Samsung que eu já tinha (do Galaxy Tab P1000-L 7″), este da foto abaixo:

Carregador de celular Samsung

Ao trocar o power supply “importado” por este da Samsung (imagem acima), a voltagem agora ficou:

Voltagem do carregador USB da Samsung

Em estáveis 4.91V, dentro limite aceitável. Após esta troca, tudo passou a funcionar perfeitamente e sem nenhum problema. Fica então a dica para quem for ligar pela primeira vez seu RPi.

Eu testei também um carregador de iPad da Apple, que ficou também um pouco abaixo do esperado e decidi não usá-lo, segue a foto do carregador e a voltagem dele abaixo:

Carregador USB da Apple
Voltagem do carregador USB da Apple

 Finalmente boot !

Após todo este trabalho com o carregador, as coisas finalmente funcionaram corretamente e o RPi fez o boot sem problemas como no screenshot abaixo (estou usando uma TV LG de 42″):

Boot do RPi em TV LG (HDMI), clique para aumentar

O RPi tem processadores CPU e GPU realmente incríveis, o boot dele é rápido e a saída na TV ficou realmente muito boa em full hd.

uname no Raspbian

Para testar o processador ARM, que fica em um clock padrão de 700Mhz (você pode fazer overclock até 1Ghz, mas ainda não me aventurei sem um dissipador decente, mas você pode subir para 800Mhz com segurança) eu rodei os benchmarks do OpenSSL, seguem os resultados abaixo:

Benchmark do OpenSSL no RPi

Segue também screenshot do /proc/cpuinfo com os BogoMIPS:

/proc/cpuinfo

No Raspberry Pi (ao menos usando Raspbian) você pode escolher como será feito o split da memória RAM dele, o padrão vem com 128MB para CPU e 128MB para a GPU (processador gráfico), como eu não estou usando tanto o GPU por hora eu fiz um split de 224MB para o CPU e apenas 32MB para a GPU, para fazer isto você só precisa copiar o arquivo de boot em cima do que é utilizadao para o boot (start.elf) e faz um reboot, segue screenshot dos arquivos abaixo, note que o SHA1 do split de 224 é iguao ao do start.elf:

RAM Split (224MB CPU + 32MB GPU)

Após remover 4 dos 6 terminais disponíveis para liberar um pouco mais de memória, a minha memória ficou assim (rodando server do OpenSSH e sem ambiente X):

Memória do RPi após split da RAM

Fiquei muito satisfeito com este split, você ainda pode fazer outras coisas para liberar memória do seu RPi, como por exemplo trocar o OpenSSH pelo dropbear, etc. Aqui tem um ótimo artigo sobre isto.

Algo que não posso deixar passar também é o Python:

Python no Raspberry Pi

 

Arduino vs Raspberry Pi

Muitos vêem o Raspberry Pi como um concorrente fatal do Arduino, a percepção que tive porém foi muito diferente. Acredito que o Raspberry Pi vai ser um ótimo companheiro para o Arduino, você inclusive pode utilizar o Arduino na própria USB do Raspberry Pi ou usar alguma outra interface UART ou algo assim. Tenho muitos projetos em mente pra começar usando Arduino e Raspberry Pi, espero poder ter tempo de postar sobre eles aqui no blog. Para quem está ansioso para comparar o tamanho do Raspberry Pi com o Arduino, segue abaixo um comparativo entre o Duemilanove, o RPi e uma moeda de 1 real (não podia faltar hehe):

Arduino e Raspberry Pi lado a lado

Conclusão

Você provavelmente não encontrará no Brasil um hardware tão bem elaborado como o Raspberry Pi por estre preço (mesmo alto) de R$ 182,00. Recomendo o RPi para todo mundo que tem o mínimo de interesse, eu poderia ficar aqui falando muita coisa sobre o RPi, sobre os polyfuses usados no design dele, sobre a Gertboard que está por vir, sobre as distribuições disponíveis, etc. Logo farei mais alguns posts sobre os projetos usando o RPi também. Espero que tenham gostado da avaliação.