机器学习中的 C++：逃离 Python 和 GIL

积累知识，胜过积蓄金银！毕竟在文章开发的过程中，会遇到各种各样的问题，往往都是一些细节知识点还没有掌握好而导致的，因此基础知识点的积累是很重要的。下面本文《机器学习中的 C++：逃离 Python 和 GIL》，就带大家讲解一下知识点，若是你对本文感兴趣，或者是想搞懂其中某个知识点，就请你继续往下看吧~

介绍

当 python 的全局解释器锁 (gil) 成为需要高并发或原始性能的机器学习应用程序的瓶颈时，c++ 提供了一个引人注目的替代方案。这篇博文探讨了如何利用 c++ 进行机器学习，重点关注性能、并发性以及与 python 的集成。

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了解 gil 瓶颈

在深入研究 c++ 之前，让我们先澄清一下 gil 的影响：

• 并发限制：gil 确保一次只有一个线程执行 python 字节码，这会严重限制多线程环境中的性能。

• 受影响的用例：实时分析、高频交易或密集模拟中的应用程序经常受到此限制。

为什么选择 c++ 进行机器学习？

• 没有 gil：c++ 没有与 gil 等效的东西，允许真正的多线程。

• 性能：直接内存管理和优化功能可以带来显着的加速。

• 控制：对硬件资源的细粒度控制，对于嵌入式系统或与专用硬件连接时至关重要。

代码示例和实现

设置环境

在我们编码之前，请确保您拥有：

• 现代 c++ 编译器（gcc、clang）。
• 用于项目管理的 cmake（可选但推荐）。
• 像 eigen 这样的用于线性代数运算的库。

c++ 中的基本线性回归

#include <vector>
#include <iostream>
#include <cmath>

class linearregression {
public:
    double slope = 0.0, intercept = 0.0;

    void fit(const std::vector<double>& x, const std::vector<double>& y) {
        if (x.size() != y.size()) throw std::invalid_argument("data mismatch");

        double sum_x = 0, sum_y = 0, sum_xy = 0, sum_xx = 0;
        for (size_t i = 0; i < x.size(); ++i) {
            sum_x += x[i];
            sum_y += y[i];
            sum_xy += x[i] * y[i];
            sum_xx += x[i] * x[i];
        }

        double denom = (x.size() * sum_xx - sum_x * sum_x);
        if (denom == 0) throw std::runtime_error("perfect multicollinearity detected");

        slope = (x.size() * sum_xy - sum_x * sum_y) / denom;
        intercept = (sum_y - slope * sum_x) / x.size();
    }

    double predict(double x) const {
        return slope * x + intercept;
    }
};

int main() {
    linearregression lr;
    std::vector<double> x = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<double> y = {2, 4, 5, 4, 5};

    lr.fit(x, y);

    std::cout << "slope: " << lr.slope << ", intercept: " << lr.intercept << std::endl;
    std::cout << "prediction for x=6: " << lr.predict(6) << std::endl;

    return 0;
}

使用 openmp 进行并行训练

展示并发性：

#include <omp.h>
#include <vector>

void parallelfit(const std::vector<double>& x, const std::vector<double>& y, 
                 double& slope, double& intercept) {
    #pragma omp parallel
    {
        double local_sum_x = 0, local_sum_y = 0, local_sum_xy = 0, local_sum_xx = 0;

        #pragma omp for nowait
        for (int i = 0; i < x.size(); ++i) {
            local_sum_x += x[i];
            local_sum_y += y[i];
            local_sum_xy += x[i] * y[i];
            local_sum_xx += x[i] * x[i];
        }

        #pragma omp critical
        {
            slope += local_sum_xy - (local_sum_x * local_sum_y) / x.size();
            intercept += local_sum_y - slope * local_sum_x;
        }
    }
    // final calculation for slope and intercept would go here after the parallel region
}

使用特征值进行矩阵运算

对于逻辑回归等更复杂的操作：

#include <eigen/dense>
#include <iostream>

eigen::vectorxd sigmoid(const eigen::vectorxd& z) {
    return 1.0 / (1.0 + (-z.array()).exp());
}

eigen::vectorxd logisticregressionfit(const eigen::matrixxd& x, const eigen::vectorxd& y, int iterations) {
    eigen::vectorxd theta = eigen::vectorxd::zero(x.cols());

    for (int i = 0; i < iterations; ++i) {
        eigen::vectorxd h = sigmoid(x * theta);
        eigen::vectorxd gradient = x.transpose() * (h - y);
        theta -= gradient;
    }

    return theta;
}

int main() {
    // example usage with dummy data
    eigen::matrixxd x(4, 2);
    x << 1, 1,
         1, 2,
         1, 3,
         1, 4;

    eigen::vectorxd y(4);
    y << 0, 0, 1, 1;

    auto theta = logisticregressionfit(x, y, 1000);
    std::cout << "theta: " << theta.transpose() << std::endl;

    return 0;
}

与python集成

对于 python 集成，请考虑使用 pybind11：

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/stl.h>
#include "your_ml_class.h"

namespace py = pybind11;

pybind11_module(ml_module, m) {
    py::class_<yourmlclass>(m, "yourmlclass")
        .def(py::init<>())
        .def("fit", &yourmlclass::fit)
        .def("predict", &yourmlclass::predict);
}

这允许您从 python 调用 c++ 代码，如下所示：

import ml_module

model = ml_module.YourMLClass()
model.fit(X_train, y_train)
predictions = model.predict(X_test)

挑战与解决方案

• 内存管理：使用智能指针或自定义内存分配器来高效、安全地管理内存。

• 错误处理：c++ 没有 python 的异常处理来进行开箱即用的错误管理。实施强大的异常处理。

• 库支持：虽然 c++ 的 ml 库比 python 少，但 dlib、shark 和 mlpack 等项目提供了强大的替代方案。

结论

c++ 提供了一种绕过 python 的 gil 限制的途径，为性能关键的 ml 应用程序提供了可扩展性。虽然由于其较低级别的性质，它需要更仔细的编码，但速度、控制和并发性方面的好处可能是巨大的。随着 ml 应用程序不断突破界限，c++ 仍然是 ml 工程师工具包中的重要工具，尤其是与 python 结合使用以方便使用时。

进一步探索

• simd 操作：研究如何使用 avx、sse 来获得更大的性能提升。
• cuda for c++：用于 ml 任务中的 gpu 加速。
• 高级 ml 算法：用 c++ 实现神经网络或 svm，以实现性能关键型应用。

感谢您与我一起深入研究！

感谢您花时间与我们一起探索 c++ 在机器学习方面的巨大潜力。我希望这次旅程不仅能够启发您克服 python 的 gil 限制，还能激励您在下一个 ml 项目中尝试使用 c++。您对学习和突破技术极限的奉献精神是推动创新前进的动力。不断尝试，不断学习，最重要的是，不断与社区分享您的见解。在我们下一次深入研究之前，祝您编码愉快！

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