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Apache Beam でビッグデータセットを生成する

データセットによっては、1 台のマシンで処理するには大きすぎるものがあります。tfdsは、Apache Beam を使用することによって、多くのマシンにまたがったデータ生成のサポートをします。

このドキュメントには、2 つのセクションがあります。

既存の Beam のデータセットを生成するユーザー向け
新規の Beam のデータセットを作成する開発者向け

Beam のデータセットを生成する

クラウドまたはローカルで Beam のデータセットを生成するさまざまな例を以下に紹介します。

警告: tfds build CLI でデータセットを生成する際には、生成するデータセットの構成を必ず指定してください。指定しない場合、すべての既存の構成が生成されてしまいます。たとえばウィキペディアの場合は、tfds build wikipedia の代わりに tfds build wikipedia/20200301.en を使用します。

Google Cloud Dataflow で生成する

Google Cloud Dataflow を使用してパイプラインを実行し、分散計算を活用するには、まずクイックスタートの手順に従います。

環境をセットアップしたら、tfds build CLI を実行できます。これには、GCS のデータディレクトリを使用し、必要なオプションを --beam_pipeline_options フラグに指定します。

スクリプトの起動を容易にするためには、GCP/GCS セットアップの実際の値と生成するデータセットを使用して、以下の変数を定義すると便利です。

DATASET_NAME=<dataset-name>
DATASET_CONFIG=<dataset-config>
GCP_PROJECT=my-project-id
GCS_BUCKET=gs://my-gcs-bucket

次に、ワーカーに tfds をインストールするよう Dataflow に指示をするファイルを作成する必要があります。

echo "tensorflow_datasets[$DATASET_NAME]" > /tmp/beam_requirements.txt

tfds-nightly を使用している場合には、データセットが前回のリリースから更新されている場合に備え、tfds-nightly からエコーするようにします。

echo "tfds-nightly[$DATASET_NAME]" > /tmp/beam_requirements.txt

最後に、以下のコマンドを使用してジョブを起動します。

python -m tensorflow_datasets.scripts.download_and_prepare \
  --datasets=$DATASET_NAME/$DATASET_CONFIG \
  --data_dir=$GCS_BUCKET/tensorflow_datasets \
  --beam_pipeline_options=\
"runner=DataflowRunner,project=$GCP_PROJECT,job_name=$DATASET_NAME-gen,"\
"staging_location=$GCS_BUCKET/binaries,temp_location=$GCS_BUCKET/temp,"\
"requirements_file=/tmp/beam_requirements.txt"

ローカルで生成する

デフォルトの Apache Beam ランナーを使用してローカルでスクリプトを実行する場合（すべてのデータがメモリに収まる必要があります）のコマンドは、他のデータセットと同じです。

tfds build my_dataset

警告: Beam のデータセットは巨大な（テラバイト以上）場合があり、生成には相当量のリソースを必要とします（ローカルコンピュータでは数週間かかることもあります）。データセットの生成には分散環境の使用を推奨しています。サポートされているランタイムのリストについては Apache Beam ドキュメントを参照してください。

Apache Flink を使用する

Apache Flink を使用してパイプラインを実行する場合は、公式ドキュメントをお読みください。Beam が Flink のバージョン互換性に準拠していることを確認してください。

スクリプトの起動を容易にするには、Flink セットアップと生成するデータセットの実際の値を使って、以下の変数を定義すると便利です。

DATASET_NAME=<dataset-name>
DATASET_CONFIG=<dataset-config>
FLINK_CONFIG_DIR=<flink-config-directory>
FLINK_VERSION=<flink-version>

組み込みの Flink クラスタで実行するには、以下のコマンドを使用してジョブを起動できます。

tfds build $DATASET_NAME/$DATASET_CONFIG \
  --beam_pipeline_options=\
"runner=FlinkRunner,flink_version=$FLINK_VERSION,flink_conf_dir=$FLINK_CONFIG_DIR"

カスタムスクリプト内で生成する

Beam でデータセットを生成する場合、API は他のデータセットの場合と同じですが、beam.Pipeline を、DownloadConfig の beam_options（および beam_runner）引数を使ってカスタマイズできます。

# If you are running on Dataflow, Spark,..., you may have to set-up runtime
# flags. Otherwise, you can leave flags empty [].
flags = ['--runner=DataflowRunner', '--project=<project-name>', ...]

# `beam_options` (and `beam_runner`) will be forwarded to `beam.Pipeline`
dl_config = tfds.download.DownloadConfig(
    beam_options=beam.options.pipeline_options.PipelineOptions(flags=flags)
)
data_dir = 'gs://my-gcs-bucket/tensorflow_datasets'
builder = tfds.builder('wikipedia/20190301.en', data_dir=data_dir)
builder.download_and_prepare(download_config=dl_config)

Beam のデータセットを実装する

前提条件

Apache Beam のデータセットを書き込むにあたり、以下の概念を理解しておく必要があります。

tfds データセット作成ガイドをよく読みましょう。ほとんどの内容は Beam データセットにも適用されます。
Beam プログラミングガイドで Apache Beam の概要を把握しましょう。
Cloud Dataflow を使用してデータセットを生成する場合は、Google Cloud ドキュメントと Apache Beam 依存性ガイドをお読みください。

手順

データセット作成ガイドを理解しているのであれば、Beam データセットの追加には、_generate_examples 関数を変更することだけが必要です。この関数はジェネレータではなく beam オブジェクトを返します。

Beam 以外のデータセット:

def _generate_examples(self, path):
  for f in path.iterdir():
    yield _process_example(f)

Beam データセット:

def _generate_examples(self, path):
  return (
      beam.Create(path.iterdir())
      | beam.Map(_process_example)
  )

その他すべては、テストも含め、まったく同じになります。

その他の考慮事項 :

Apache Beam のインポートには、tfds.core.lazy_importsを使用します。遅延依存関係を使用すると、ユーザーは Beam をインストールしなくても、生成された後のデータセットを読むことができます。
Python のクロージャには注意してください。パイプラインを実行する際、beam.Map と beam.DoFn 関数は、pickle を使ってシリアル化され、すべてのワーカーに送信されます。ワーカー間で状態を共有する必要がある場合は、beam.PTransform 内でオブジェクトをミュータブルにしないでください。
tfds.core.DatasetBuilder が pickle でシリアル化される方法により、データ作成中、ワーカーでの tfds.core.DatasetBuilder のミュート化は無視されます（_split_generators で self.info.metadata['offset'] = 123 を設定し、beam.Map(lambda x: x + self.info.metadata['offset']) のようにしてワーカーからそれにアクセスすることはできません）。
Split 間で一部のパイプラインステップを共有する櫃夜ぐあある場合は、追加の pipeline: beam.Pipeline kwarg を _split_generator に追加して、生成パイプライン全体を制御することができます。tfds.core.GeneratorBasedBuilder の _generate_examples ドキュメントをご覧ください。

例

Beam データセットの例を以下に示します。

class DummyBeamDataset(tfds.core.GeneratorBasedBuilder):

  VERSION = tfds.core.Version('1.0.0')

  def _info(self):
    return self.dataset_info_from_configs(
        features=tfds.features.FeaturesDict({
            'image': tfds.features.Image(shape=(16, 16, 1)),
            'label': tfds.features.ClassLabel(names=['dog', 'cat']),
        }),
    )

  def _split_generators(self, dl_manager):
    ...
    return {
        'train': self._generate_examples(file_dir='path/to/train_data/'),
        'test': self._generate_examples(file_dir='path/to/test_data/'),
    }

  def _generate_examples(self, file_dir: str):
    """Generate examples as dicts."""
    beam = tfds.core.lazy_imports.apache_beam

    def _process_example(filename):
      # Use filename as key
      return filename, {
          'image': os.path.join(file_dir, filename),
          'label': filename.split('.')[1],  # Extract label: "0010102.dog.jpeg"
      }

    return (
        beam.Create(tf.io.gfile.listdir(file_dir))
        | beam.Map(_process_example)
    )

パイプラインの実行

パイプラインの実行には、上記のセクションをご覧ください。

注意: Beam 以外のデータセットと同様に、--register_checksums でダウンロードチェックサムを必ず登録してください（ダウンロードを初めて登録する場合のみ）。

tfds build my_dataset --register_checksums

TFDS を入力として使用するパイプライン

TFDS データセットをソースとして取る Beam パイプラインを作成する場合は、tfds.beam.ReadFromTFDS を使用できます。

builder = tfds.builder('my_dataset')

_ = (
    pipeline
    | tfds.beam.ReadFromTFDS(builder, split='train')
    | beam.Map(tfds.as_numpy)
    | ...
)

データセットの各シャードを並行して処理します。

注意: これには、データベースがすでに生成されていることが必要です。Beam を使ってデータセットを生成するには、ほかのセクションをご覧ください。