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图解大模型计算加速系列：vLLM源码解析1，整体架构





作者： 吃果冻不吐果冻皮 来源： 吃果冻不吐果冻皮

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大家好，这段时间精读了一下vLLM源码实现，打算开个系列来介绍它的源码，也把它当作我的总结和学习笔记。

整个vLLM代码读下来，给我最深的感觉就是：代码呈现上非常干净历练，但是逻辑比较复杂，环环嵌套，毕竟它是一个耦合了工程调度和模型架构改进的巨大工程。

所以在源码解读的第一篇，我想先写一下对整个代码架构的介绍。在本篇中，我特意少涉及对源码本身的解读，而是把源码中的信息总结出来，配合图例先做整体介绍。 如果你不想阅读源码细节，但又想对vLLM代码有整体把握，方便后续能知道从哪里查bug的话，这篇文章或许可以帮到你。如果你后续想更深入阅读源码的话，这篇文章可以作为一个引子，后续的细节解读都将在本文的基础上扩展开。

阅读本文前，建议先看vLLM原理篇讲解。

话不说，进入正文吧～

【如果本文有帮助，欢迎大家点赞、收藏和在看～】

一、调用vLLM的两种方式

根据vLLM的官方文档，它向用户提供了两种调用它的方法，分别是：

*Offline Batched Inference （同步 ，离线批处理）

*API Server For Online Serving （异步 ，在线推理服务），在这下面又提供了2种支持的API类型：

***OpenAI-Compatible API Server** （官方推荐）：兼容了OpenAI请求格式的server，包括OpenAI Completions API和OpenAI Chat API。




***Simple Demo API Server** （测试开发用，官方不推荐，相关脚本也不再维护）

在代码实现上，vLLM首先实现了一个推理内核引擎(LLMEngine)，在此基础上封装了上述两种调用方法。 在本系列的讲解中，我们会先以“offline bacthed inference”作为入口，详细解说内核引擎LLMEngine的各块细节。在此基础上我们再来看“online serving”的运作流程。

现在，让我们来看这两种调用方法的具体例子。

1.1 Offline Batched Inference

from vllm import LLM, SamplingParams  
  
# ===========================================================================  
# batch prompts  
# ===========================================================================  
prompts = ["Hello, my name is",  
           "The president of the United States is",  
           "The capital of France is",  
           "The future of AI is",]  
  
# ===========================================================================  
# 采样参数  
# ===========================================================================  
sampling_params = SamplingParams(temperature=0.8, top_p=0.95)  
  
# ===========================================================================  
# 初始化vLLM offline batched inference实例，并加载指定模型  
# ===========================================================================  
llm = LLM(model="facebook/opt-125m")  
  
# ===========================================================================  
# 推理  
# ===========================================================================  
outputs = llm.generate(prompts, sampling_params)  
  
# ===========================================================================  
# 对每一条prompt，打印其推理结果  
# ===========================================================================  
for output in outputs:  
    prompt = output.prompt  
    generated_text = output.outputs[0].text  
    print(f"Prompt: {prompt!r}, Generated text: {generated_text!r}")

在传统离线批处理中，我们每次给模型发送推理请求时，都要：

  • 等一个batch的数据齐全后，一起发送

  • 整个batch的数据一起做推理

  • 等一个batch的数据全部推理完毕后，一起返回推理结果

这种“团体间等成员到齐，再一起行动”的行为，就被称为“同步”。

在vLLM中，当我们使用离线批处理模式时，表面上是在做“同步”推理，也即batch_size是静态固定的。但推理内核引擎（LLMEngine）在实际运作时，batch_size是可以动态变更的：在每一个推理阶段（prefill算1个推理阶段，每个decode各算1个推理阶段） 处理的batch size可以根据当下显存的实际使用情况而变动。

举个例子来说：

  • 给定一个很大的batch，此时尽管vLLM采用了PagedAttention这样的显存优化技术，我们的gpu依然无法同时处理这么大的batch。

  • 所以batch中的每一条数据，会被先放到一个waiting队列中。vLLM会用自己的调度策略从waiting队列中依次取数，加入running队列中，直到它认为取出的这些数据将会打满它为1个推理阶段分配好的显存。此时waiting队列中可能还会剩一些数据。

  • 在每1个推理阶段，vLLM对running队列中的数据做推理。如果这1个推理阶段执行完毕后，有的数据已经完成了生成（比如正常遇到 了），就将这些完成的数据从running队列中移开，并释放它占据的物理块显存。

  • 这时，waiting队列中的数据就可以继续append进running队列中，做下1个阶段的推理。

  • 因此在每1个推理阶段，vLLM处理的batch size可能会动态变更。

  • 将LLMEngine包装成离线批处理形式后，所有的数据必须等到一起做完推理才能返给我们。所以从体感上，我们可能很难感知到内核引擎的“动态”逻辑。

以上是一个浅显粗暴的例子，目的是帮助大家理解“在vLLM中，即使是同步形式的离线批处理，其背后的内核引擎也是按动态batch的形式来实现的”， 实际的调度策略（Scheduler）要更加复杂，我们将在后续的解读中来具体看它。

也正是因为LLMEngine这种“动态处理”的特性，才使得它同时也能成为异步在线服务的内核引擎 ：当一条条请求发来时，它们都先进入LLMEngine调度器（Scheduler）的waiting队列中（实际并不是直接进入waiting队列中的，而是在传给LLMEngine前先进入asyncio.Queue()中，然后再由LLMEngine调度进waiting队列中的，这些细节我们也放在后面说，这里不影响理解就行）。此时模型正常执行它的1个推理阶段，调度器也正常处理新来的请求。当模型准备执行下1个推理阶段时，调度器再根据设定的策略，决定哪些数据可以进入running队列进行推理。由于在线服务是异步的，先推理完成的数据就可以先发给客户端了（如果采用流式传输，也可以生成多少先发多少）。

在这个过程中，vLLM通过PagedAttention技术和“先来先服务（FCFS），后来先抢占，gpu不够就先swap到cpu上”的调度策略，在1个推理阶段处理尽可能多的请求，解决高并发场景下的推理吞吐问题。这就是整个vLLM运作的核心思想。（对这行黑体字里的术语有疑惑的朋友，建议先看vLLM原理篇讲解）

1.2 API Server For Online Serving

# ===========================================================================  
# Server：起服务  
# ===========================================================================  
$ python -m vllm.entrypoints.openai.api_server --model meta-llama/Llama-2-7b-hf  
  
# ===========================================================================  
# Client：发请求（OpenAI API）  
# ===========================================================================  
$ curl http://localhost:8000/v1/completions \  
    -H "Content-Type: application/json" \  
    -d '{  
        "model": "meta-llama/Llama-2-7b-hf",  
        "prompt": "San Francisco is a",  
        "max_tokens": 7,  
        "temperature": 0  
    }'

vLLM在实现在线服务时，采用uvicorn部署fastapi app实例，以此实现异步的请求处理。而核心处理逻辑封装在AsyncLLMEngine 类中（它继承自LLMEngine）。所以，只要我们搞懂了LLMEngine，对vLLM的这两种调用方式就能举一反三了。

1.3 总结

vLLM的两种调用方式与内核引擎LLMEngine的关系如下（图片来自vLLM团队2023 first meetup PPT）:

图中左侧是用户使用界面，罗列了上述所说的两种调用方式 （注意，如前文所说，做demo用的api server官方已经不再维护了，openai_api_server才是官方推荐的使用方式，user custom server目前还没有实现）。右侧则是开发者界面，不难发现LLMEngine是vLLM的核心逻辑。

我们来看开发者界面下的几个函数，先来看LLMEngine：

  • add_request() ：该方法将每一个请求包装成vLLM能处理的数据类型(SequenceGroup，后面我们会详细解释)，并将其加入调度器（Scheduler）的waiting队列中。在LLMEngine中，这个函数是按照“同步”的方式设计的 ，也就是它被设计为“遍历batch中的每条数据，然后做相应处理”。所以这个函数本身只适合批处理场景。在异步的online serving中将会把它重写成异步的形式。

  • abort_request ：在推理过程中，并不是所有的请求都能有返回结果。比如客户端断开连接时，这个请求的推理就可以终止了（abort），这个函数就被用来做这个操作。

  • step() ：负责执行1次推理过程（1个prefill算1个次推理，每个decode各算1次推理）。 在这个函数中，vLLM的调度器会决定要送那些数据去执行本次推理，并负责给这些数据分配好物理块（这些信息都被作为metadata放在要送给模型做推理的数据中）。模型会根据这些信息，采用PagedAttention方法，实际完成推理。

AsyncLLMEngine 下的函数也是同理类推，这里不赘述了。

从上面的解读你可能发现了，其实只要掌握了add_request() 和step() 这两个函数，就等于掌握LLMEngine的全部思想了！于是你兴奋地打开这两个函数，发现它们的实现代码只有十几行，你突然感觉自己好像是去项羽那吃席的刘邦，因为你渐渐发现：

背后有万行代码逻辑正在等你😊

所以说，vLLM真得是一个巨大的工程，它耦合了调度工程和模型本身的改造，代码中的嵌套非常复杂 。所以在代码解读的第一篇，我们得先理清整个代码架构，然后再逐一攻克细节。

二、vLLM代码整体架构

LLMEngine可以具体分成两个部分：

2.1 Centralized Controller

Centralized Controller，也就是前文我们所说的调度器 。它和LLMEngine所在的进程是同一个，且两者都是在CPU上的。

*调度器的主要作用就是，在每1个推理阶段，决定要把哪些数据送给模型做推理，同时负责给这些模型分配KV Cache物理块 。但要注意，它只是分配了物理块的id，而不是物理块本身。物理块的实际分配是模型在推理过程中根据物理块id来操作的，也就是CacheEngine做的事情。

*调度器下维护着BlockSpaceManager。它负责管理BlockAllocator（实际参与分配物理块的类）。BlockAllocator又分成gpu和cpu两种类型，分别管理这两类设备上的物理块。你可能会问，cpu上的物理块是什么呢？ 你还记得调度器有一个swap策略吗？当gpu上显存不足时，它会把后来的请求抢占，并将其相关的KV cache物理块全部都先swap（置换、卸载）在cpu上，等后续gpu显存充足时，再把它们加载回gpu上继续做相关请求的推理。所以在cpu上我们也需要一个管控物理块的BlockAllocator。实际代码实现时，Block相关的部分可不止这两个class，还有一些更复杂的逻辑细节。这个我们放在本系列后面的文章中讲解

2.2 Distributed Workers

Distributed Workers，也就是分布式系统，你可以将每个worker理解成一块gpu。它的作用是将我们要使用的模型load到各块卡上（目前对单卡装不下的模型，vLLM支持tp/pp推理），然后对Controller传来的数据做1次推理，返回相关结果。我们来细看下这块：

*Distributed Workers： 图中绘制为Distributed Workers这个绿色块，其实按vLLM的源码内容，写成Executor会更合适一些。它就是所有Workers的管控中心 ，它指定了用什么方法管控这些Workers，负责分布式环境的初始化，目前支持的方法有：

* cpu_executor：（较少用），使用cpu做推理时可考虑


* gpu_executor：单卡（world_size = 1）的情况下可用


* ray_gpu_executor：使用ray这个分布式计算框架实现的executor，适用于多卡环境

*Worker：在硬件上，它指gpu；在代码上，它指的是Worker实例（每个gpu上的进程维护自己的Worker实例） 。在每个Worker实例中又管控着如下两个重要实例：

***CacheEngine** ：负责管控gpu/cpu上的KV cache物理块（调度器的block manager只负责物理块id的分配，CacheEngine则是根据这个id分配结果实打实地在管理物理块中的数据）


***Worker.model** ：根据vLLM代码，这里写成**model_runner** 会更合适一些。**它负责加载模型，并执行推理。调用PagedAttention的相关逻辑，就维护这个实例关联的代码下。**

三、加载模型与预分配显存

现在你已经从代码层面知道vLLM的整体架构了，你是不是迫不及待想看看：当一条请求过来时，整个vLLM是怎么运作的呢？ 现在，我们就来解析这个流程。

在vLLM正式开始处理1条请求（也就是LLMEngine的调度器正式开始运作时），它需要做两件和初始化相关的事：

*加载模型

*预分配显存

我们分别来看这两个步骤。

3.1 加载模型

这里在做的事很直观：把你的base model加载到worker上。如果你是online加载的，vLLM默认使用HuggingFace，你也可以在环境变量中把相关配置改成ModelScope。

3.2 预分配显存

欸这个就非常有意思了。在模型部署的初始化阶段（推理正式开始前），vLLM会通过模拟实验的方式，来决定gpu/cpu上到底有多少个KV cache物理块可以分配给后续的请求们做推理。vLLM管这个步骤叫 profile_num_available_blocks 。我们来看看这个模拟实验是怎么做的：

（1）杜撰假数据

首先，用户在初始化LLMEngine引擎时，会提供两个重要参数：

  • max_num_seqs ：在1个推理阶段中，LLMEngine最多能处理的seq数量 （1条seq就是指我们待推理的1条数据）。默认是256

  • max_num_batched_tokens ：在1个推理阶段中，LLMEngine最多能处理的token数量 。默认是2048

根据这两个参数，我们可以假设在模型推理中，平均一个seq要处理max_num_batched_tokens // max_num_seqs 个token，余数部分我们默认放在第一个seq中。例如，假设max_num_batched_tokens=10，max_num_seqs = 3 ，那么我们就能杜撰出3条seq，每个seq的长度分别为4，3，3

（2）用假数据模拟一次前向推理

我们现在想知道在1次推理过程中，可以分配多少的显存给KV cache。我们可以使用如下公式计算：

分配给KV cache显存 = gpu总显存 - 不使用KV cache情况下做1次FWD时的显存占用（包括模型本身和FWD过程中的中间数据）

对于“不使用KV cache做1次FWD时的显存占用”，我们就可以用杜撰出来的假数据模拟一次FWD来计算得出。在前向推理之后，我们把gpu上的缓存清一次，让它不要影响后续模型的正常推理。

（3）计算可分配的KV cache物理块总数

从（2）的模拟实验中，我们已经预估了一块卡上“分配给KV Cache的总显存”。现在，我们可以来计算总的物理块数量了。

我们易知：总物理块数量 = 分配给KV Cache的显存大小/ 物理块大小，其中“大小”的单位是bytes。

物理块大小（block_size）也是可以由用户自定义的，vLLM推荐的默认值是block_size = 16。

由大模型中KV值的定义，我们易知：K_cache_block_size = block_size * num_heads * head_size * num_layers * dtype_size 其中dtype_size表示精度对应的大小，例如fp16就是2，fp32就是4

同理可知：V_cache_block_size = K_cache_block_size

则最终一个物理块的大小为：

cache_block_size = block_size * num_heads * head_size * num_layers * dtype_size * 2

知道了物理块的大小，我们就能求出物理块的总数了。

CPU上物理块总数也是同理，但与GPU不同的是，它不需要做模拟实验。CPU上可用的内存总数是用户通过参数传进来的（默认是4G）。也就是我们认为只能在这4G的空间上做swap。将上面公式中“分配给KV Cache的显存大小”替换成4G，就能得到CPU上物理块的数量。

（4）将预分配的KV Cache加载到gpu上

当我们确定好KV Cache block的大小后，我们就可以创建empty tensor，将其先放置到gpu上，实现显存的预分配。以后这块显存就是专门用来做KV Cache的了。 也正是因为这种预分配，你可能会发现在vLLM初始化后，显存的占用比你预想地要多（高过模型大小），这就是预分配起的作用。相关代码如下（帮助大家更好看一下KV cache tensor的shape）:

    def _allocate_kv_cache(  
        self,  
        num_blocks: int,  
        device: str,  
    ) -> List[torch.Tensor]:  
        """Allocates KV cache on the specified device."""  
        kv_cache_shape = self.attn_backend.get_kv_cache_shape(  
            num_blocks, self.block_size, self.num_heads, self.head_size)  
        pin_memory = is_pin_memory_available() if device == "cpu" else False  
        kv_cache: List[torch.Tensor] = []  
        # =======================================================================  
        # kv_cache_shape: (2, num_blocks, block_size * num_kv_heads * head_size)  
        # =======================================================================  
        for _ in range(self.num_layers):  
            kv_cache.append(  
                torch.empty(kv_cache_shape,  
                            dtype=self.dtype,  
                            pin_memory=pin_memory,  
                            device=device))  
        return kv_cache

由于这篇文章的主要目的是帮大家了解vLLM代码框架，所以关于预分配的详细代码（注释版）的讲解，我们放在后面的系列中说。这篇文章会尽量少放代码。

整个预分配的过程，其实也是在提醒我们：当你发现vLLM推理吞吐量可能不及预期，或者出现难以解释的bug时，可以先查查输出日志中pending(waiting)/running/swapped的序列数量，以及此时KV Cache部分的显存利用程度，尝试分析下这些默认的预分配设置是不是很好契合你的推理场景，如果不行，可以先尝试调整这些参数进行解决。

四、Scheduler调度

好，目前为止，vLLM所有初始化的工作都完成了，我们现在可以来处理一条请求了。这就是我们调度器发挥作用的时候了，整个调度过程如下：

具体的内容我们在前文说了很多了。这里只提一点：你会发现这出现了叫swapped的队列，这是前文没有提过的。

如果你读过vLLM的原理篇，你可能记得vLLM的调度策略中有一项叫做：后来先抢占（Preemption） 。它是指在准备执行当前这1个推理阶段时，如果gpu上没有足够的资源对running队列中的全部数据完成下1次推理，我们就取出running队列中最后来的数据，将它的KV Cache swapped到CPU上，同时将这个数据从running移到swapped中。我们重复执行这个步骤，直到当前gpu上有足够的KV Cache空间留给剩在running中的全部数据为止。

而存放在Swapped队列中的数据，也会在后续gpu上有足够空间时，被重新加入running计算。

详细的调度策略会更精细复杂，我们放在对Scheduler单独的代码解析中来说。

关于vLLM整体代码架构，我们就介绍到这了。对于这个精妙而复杂的系统，我们还有很多细节可以探索。在本系列后续的文章中，我们将来仔细研究这些细节。

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