Frame_Performance_CN.md

C++ Serving框架性能测试

本文以文本分类任务为例搭建Serving预测服务，给出Serving框架性能数据：

1. Serving框架净开销测试

2. 不同模型下预测服务单线程响应时间、QPS、准确率等指标和单机模式的对比

3. 不同模型下Serving扩展能力对比

1. Serving单次请求时间分解

下图是一个对serving请求的耗时阶段的不完整分析。图中对brpc的开销，只列出了bthread创建和启动开销。

(右键在新窗口中浏览大图)

试与单机模式对比：

1. 从原始样例填充PaddleTensor (几us到几十us)

2. 从PaddleTensor填充LoDTensor (几us到几十us)

3. inference (几十us到几百ms)

4. 从LoDTensor填充PaddleTensor (几us到几十us)

5. 从Paddletensor读取预测结果 (几us到几十us)

与单机模式相比，serving模式增加了：

1. protobuf数据构造和序列化与反序列化 (几us到几十us)

2. 网络通信 (单机十几us，远程500us到几十ms)

3. 和bthread创建于调度等。(十几us)

从client端看(图中total time T2)，serving模式增加的时间，与inference时间的比例，对整个client端观察到的系统吞吐关系密切：

1. 当inference时间达到10+ms到几百ms (例如，文本分类的CNN模型)，而serving模式增加的时间只有几ms，则client端观察到的吞吐与单机模式几乎一致

2. 当inference时间只有几个us到几十个us (例如，文本分类的BOW模型)，而serving模式增加了几个ms，则client端观察到的吞吐与单机模式相比，会下降到单机模式的20%甚至更低。

为了验证上述假设，文本分类任务的serving模式测试，需要在几个不同模型上分别进行，分别记录serving模式下，client端吞吐量的变化情况。

2. 测试任务和测试环境

2.1 测试任务

文本分类的两种常见模型：BOW, CNN

Batch Size: 本实验中所有请求的batch size均为50

2.2 测试环境

	CPU型号、核数	内存
Serving所在机器	Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v3 @ 2.30GHz 40核	128G
Client所在机器	Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v3 @ 2.30GHz 40核	128G

Serving端与Client端通信时延：0.102 ms

3. 净开销测试

本测试是为了描画引入Serving框架后，在Serving端空转的情况下，每query消耗的时间，也就是框架引入的开销。

所谓空转是指，serving端去除实际执行预测的计算时间，但保留拆包和组包逻辑。

模型	净开销 (ms)
BOW	1
CNN	1

在C++ Serving模式下，框架引入的时间开销较小，约为1ms

4. 预测服务单线程响应时间、QPS、准确率等指标与单机模式的对比

本测试用来确定Serving的准确率、QPS和响应时间等指标与单机模式相比是否无明显异常

模型	Serving（client与serving同机器）			单机
	QPS	Latency (ms)	Accuracy	QPS	Latency (ms)	Accuracy
BOW	265.393	3	0.84348	715.973366	1.396700	0.843480
CNN	23.3002	42	0.8962	25.372693	39.412450	0.896200

准确率：Serving模式下与单机模式下预测准确率一致。

QPS：与模型特点有关：可以看到，在预测时间很短的BOW模型上，Serving框架本身的开销和网络通信固定时间在单次请求中的时间占比占了绝大部分，这导致Serving模式下的QPS与单机模式相比下降明显；而在预测时间较长的CNN模型上，Serving框架开销和网络通信时间在单次请求中的占比较小，Serving模式下QPS与单机模式下相差不多。这也验证了第1节的预期。

5. Serving扩展能力

Serving扩展能力的测试是指，在不同模型上：

1. 固定serving端brpc使用的系统线程数

2. 不断增加client端并发请求数

3. 运行一段时间后，client端记录当前设定下QPS、平均响应时间和各个分位点的响应时间等信息

4. serving与client在不同机器上，Serving端与Client端通信时延：0.102 ms

5.1 测试结论

1. 当模型较为复杂，模型本身的预测时间较长时（预测时间>10ms，以上述实验中CNN模型为例），Paddle Serving能够提供较好的线性扩展能力.
2. 当模型是简单模型，模型本身的预测时间较短时（预测时间<10ms，以上述实验中BOW模型为例），随着serving端线程数的增加，qps的增长趋势较为杂乱，看不出明显的线性趋势。猜测是因为预测时间较短，而线程切换、框架本身的开销等占了大头，导致虽然随着线程数增加，qps也有增长，但当并发数增大时，qps反而出现下降。
3. Server端线程数N的设置需要结合，最大并发请求量，机器core数量，以及预测时间长短这三个因素来确定。
4. 使用GPU进行模型测试，当模型预测时间较短时，Server端线程数不宜过多（线程数=1~4倍core数量），否则线程切换带来的开销不可忽视。
5. 使用GPU进行模型测试，当模型预测时间较长时，Server端线程数应稍大一些（线程数=4~20倍core数量）。由于模型预测对于CPU而言是一个阻塞操作，此时当前线程会在此处阻塞等待（类似于Sleep操作）,若所有线程均阻塞在模型预测阶段，将没有可运行BRPC的”协程worker“的空闲线程。
6. 若机器环境允许，Server端线程数应等于或略小于最大并发量。

5.2 测试数据-BOW模型

Serving 4线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	561.325	3563	7.1265	9	11	23	62
8	807.428	4954	9.9085	7	10	24	31
12	894.721	6706	13.4123	18	22	41	61
16	993.542	8052	16.1057	22	28	47	75
20	834.725	11980	23.9615	32	40	64	81
24	649.316	18481	36.962	50	67	149	455
28	709.975	19719	39.438	53	76	159	293
32	661.868	24174	48.3495	62	90	294	560
36	551.234	32654	65.3081	83	129	406	508
40	525.155	38084	76.1687	99	143	464	567

Serving 8线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	397.693	5029	10.0585	11	15	75	323
8	501.567	7975	15.9515	18	25	113	327
12	598.027	10033	20.0663	24	33	125	390
16	691.384	11571	23.1427	31	42	105	348
20	468.099	21363	42.7272	53	74	232	444
24	424.553	28265	56.5315	67	102	353	448
28	587.692	23822	47.6457	61	83	287	494
32	692.911	23091	46.1833	66	94	184	389
36	809.753	22229	44.4581	59	76	256	556
40	762.108	26243	52.4869	74	98	290	475

Serving 12线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	442.478	4520	9.0405	12	15	31	46
8	497.884	8034	16.0688	19	25	130	330
12	797.13	7527	15.0552	16	22	162	326
16	674.707	11857	23.7154	30	42	229	455
20	489.956	20410	40.8209	49	68	304	437
24	452.335	26529	53.0582	66	85	341	414
28	753.093	18590	37.1812	50	65	184	421
32	932.498	18278	36.5578	48	62	109	337
36	932.498	19303	38.6066	54	70	110	164
40	921.532	21703	43.4066	59	75	125	451

Serving 16线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	559.597	3574	7.1485	9	11	24	56
8	896.66	4461	8.9225	12	15	23	42
12	1014.37	5915	11.8305	16	20	34	63
16	1046.98	7641	15.2837	21	28	48	64
20	1188.64	8413	16.8276	23	31	55	71
24	1013.43	11841	23.6833	34	41	63	86
28	933.769	14993	29.9871	41	52	91	149
32	930.665	17192	34.3844	48	60	97	137
36	880.153	20451	40.9023	57	72	118	142
40	939.144	21296	42.5938	59	75	126	163

Serving 20线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	686.813	2912	5.825	7	9	18	54
8	1016.26	3936	7.87375	10	13	24	33
12	1282.87	4677	9.35483	12	15	35	73
16	1253.13	6384	12.7686	17	23	40	54
20	1276.49	7834	15.6696	22	28	53	90
24	1273.34	9424	18.8497	26	35	66	93
28	1258.31	11126	22.2535	31	41	71	133
32	1027.95	15565	31.1308	43	54	81	103
36	912.316	19730	39.4612	52	66	106	131
40	808.865	24726	49.4539	64	79	144	196

Serving 24线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	635.728	3146	6.292	7	10	22	48
8	1089.03	3673	7.346	9	11	21	40
12	1087.55	5056	10.1135	13	17	41	51
16	1251.17	6394	12.7898	17	24	39	54
20	1241.31	8056	16.1136	21	29	51	72
24	1327.29	9041	18.0837	24	33	59	77
28	1066.02	13133	26.2664	37	47	84	109
32	1034.33	15469	30.9384	41	51	94	115
36	896.191	20085	40.1708	55	68	110	168
40	701.508	28510	57.0208	74	88	142	199

Serving 28线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	592.944	3373	6.746	8	10	21	56
8	1050.14	3809	7.619	9	12	22	41
12	1220.75	4915	9.83133	13	16	26	51
16	1178.38	6789	13.579	19	24	41	65
20	1184.97	8439	16.8789	23	30	51	72
24	1234.95	9717	19.4341	26	34	53	94
28	1162.31	12045	24.0908	33	40	70	208
32	1160.35	13789	27.5784	39	47	75	97
36	991.79	18149	36.2987	50	61	91	110
40	952.336	21001	42.0024	58	69	105	136

Serving 32线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	654.879	3054	6.109	7	9	18	39
8	959.463	4169	8.33925	11	13	24	39
12	1222.99	4906	9.81367	13	16	30	39
16	1314.71	6085	12.1704	16	20	35	42
20	1390.63	7191	14.3837	19	24	40	69
24	1370.8	8754	17.5096	24	30	45	62
28	1213.8	11534	23.0696	31	37	60	79
32	1178.2	13580	27.1601	38	45	68	82
36	1167.69	15415	30.8312	42	51	77	92
40	950.841	21034	42.0692	55	65	96	137

Serving 36线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	611.06	3273	6.546	7	10	23	63
8	948.992	4215	8.43	10	13	38	87
12	1081.47	5548	11.0972	15	18	31	37
16	1319.7	6062	12.1241	16	21	35	64
20	1246.73	8021	16.0434	22	28	41	47
24	1210.04	9917	19.8354	28	34	54	70
28	1013.46	13814	27.6296	37	47	83	125
32	1104.44	14487	28.9756	41	49	72	88
36	1089.32	16524	33.0495	45	55	83	107
40	940.115	21274	42.5481	58	68	101	138

Serving 40线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	610.314	3277	6.555	8	11	20	57
8	1065.34	4001	8.0035	10	12	23	29
12	1177.86	5632	11.2645	14	18	33	310
16	1252.74	6386	12.7723	17	22	40	63
20	1290.16	7751	15.5036	21	27	47	66
24	1153.07	10407	20.8159	28	36	64	81
28	1300.39	10766	21.5326	30	37	60	78
32	1222.4	13089	26.1786	36	45	75	99
36	1141.55	15768	31.5374	43	52	83	121
40	1125.24	17774	35.5489	48	57	93	190

下图是Paddle Serving在BOW模型上QPS随serving端线程数增加而变化的图表。可以看出当线程数较少时(4线程/8线程/12线程)，QPS的变化规律非常杂乱；当线程数较多时，QPS曲线又基本趋于一致，基本无线性增长关系。

(右键在新窗口中浏览大图)

5.3 测试数据-CNN模型

Serving 4线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	81.9437	24407	47	55	64	80	91
8	142.486	28073	53	65	71	86	106
12	173.732	34536	66	79	86	105	126
16	174.894	45742	89	101	109	131	151
20	172.58	57944	113	129	138	159	187
24	178.216	67334	132	147	158	189	283
28	171.315	81721	160	180	192	223	291
32	178.17	89802	176	195	208	251	288
36	173.762	103590	204	227	241	278	309
40	177.335	112781	223	246	262	296	315

Serving 8线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	86.2999	23175	44	50	54	72	92
8	143.73	27830	53	65	71	83	91
12	178.471	33619	65	77	85	106	144
16	180.485	44325	86	99	108	131	149
20	180.466	55412	108	122	131	153	170
24	174.452	68787	134	151	162	189	214
28	174.158	80387	157	175	186	214	236
32	172.857	92562	182	202	214	244	277
36	172.171	104547	206	228	241	275	304
40	174.435	114656	226	248	262	306	338

Serving 12线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	85.6274	23357	45	50	55	75	105
8	137.632	29063	55	67	73	88	134
12	187.793	31950	61	73	79	94	123
16	211.512	37823	73	87	94	113	134
20	206.624	48397	93	109	118	145	217
24	209.933	57161	111	128	137	157	190
28	198.689	70462	137	154	162	186	205
32	214.024	74758	146	165	176	204	228
36	223.947	80376	158	177	189	222	282
40	226.045	88478	174	193	204	236	277

Serving 16线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	82.9119	24122	45	52	60	79	99
8	145.82	27431	51	63	69	85	114
12	193.287	31042	59	71	77	92	139
16	240.428	33274	63	76	82	99	127
20	249.457	40087	77	91	99	127	168
24	263.673	45511	87	102	110	136	186
28	272.729	51333	99	115	123	147	189
32	269.515	59366	115	132	140	165	192
36	267.4	67315	131	148	157	184	220
40	264.939	75489	147	164	173	200	235

Serving 20线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	85.5615	23375	44	49	55	73	101
8	148.765	26888	50	61	69	84	97
12	196.11	30595	57	70	75	88	108
16	241.087	33183	63	76	82	98	115
20	291.24	34336	65	66	78	99	114
24	301.515	39799	76	90	97	122	194
28	314.303	44543	86	101	109	132	173
32	327.486	48857	94	109	118	143	196
36	320.422	56176	109	125	133	157	190
40	325.399	61463	120	137	145	174	216

Serving 24线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	85.6568	23349	45	50	57	72	110
8	154.919	25820	48	57	66	81	95
12	221.992	27028	51	61	69	85	100
16	272.889	29316	55	68	74	89	101
20	300.906	33233	63	75	81	95	108
24	326.735	36727	69	82	87	102	114
28	339.057	41291	78	92	99	119	137
32	346.868	46127	88	103	110	130	155
36	338.429	53187	102	117	124	146	170
40	320.919	62321	119	135	144	176	226

Serving 28线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	87.8773	22759	43	48	52	76	112
8	154.524	25886	49	58	66	82	100
12	192.709	31135	59	72	78	93	112
16	253.59	31547	59	72	79	95	129
20	288.367	34678	65	78	84	100	122
24	307.653	39005	73	84	92	116	313
28	334.105	41903	78	90	97	119	140
32	348.25	45944	86	99	107	132	164
36	355.661	50610	96	110	118	143	166
40	350.957	56987	109	124	133	165	221

Serving 32线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	87.4088	22881	43	48	52	70	86
8	150.733	26537	50	60	68	85	102
12	197.433	30390	57	70	75	90	106
16	250.917	31883	60	73	78	94	121
20	286.369	34920	66	78	84	102	131
24	306.029	39212	74	85	92	110	134
28	323.902	43223	81	93	100	122	143
32	341.559	46844	89	102	111	136	161
36	341.077	52774	98	113	124	158	193
40	357.814	55895	107	122	133	166	196

Serving 36线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	86.9036	23014	44	49	53	72	112
8	158.964	25163	48	55	63	79	91
12	205.086	29256	55	68	75	91	168
16	238.173	33589	61	73	79	100	158
20	279.705	35752	67	79	86	106	129
24	318.294	37701	71	82	89	108	129
28	336.296	41630	78	89	97	119	194
32	360.295	44408	84	97	105	130	154
36	353.08	50980	96	113	123	152	179
40	362.286	55205	105	122	134	171	247

Serving 40线程

并发数	QPS	总时间	平均响应时间	80分位点响应时间	90分位点响应时间	99分位点响应时间	99.9分位点响应时间
4	87.7347	22796	44	48	54	73	114
8	150.483	26581	50	59	67	85	149
12	202.088	29690	56	69	75	90	102
16	250.485	31938	60	74	79	93	113
20	289.62	34528	65	77	83	102	132
24	314.408	38167	72	83	90	110	125
28	321.728	43515	83	95	104	132	159
32	335.022	47758	90	104	114	141	166
36	341.452	52716	101	117	129	170	231
40	347.953	57479	109	130	143	182	216

下图是Paddle Serving在CNN模型上QPS随serving端线程数增加而变化的图表。可以看出，随着线程数变大，Serving QPS有较为明显的线性增长关系。可以这样解释此图表：例如，线程数为16时，基本在20个并发时达到最大QPS，此后再增加并发压力QPS基本保持稳定；当线程能够数为24线程时，基本在28并发时达到最大QPS，此后再增大并发压力qps基本保持稳定。

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