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cache utilities #155
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cache utilities #155
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||||||||||||||
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| @@ -0,0 +1,251 @@ | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Copyright 2026 The JAX Authors. | ||||||||||||||||||||||||||||
| # | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); | ||||||||||||||||||||||||||||
| # you may not use this file except in compliance with the License. | ||||||||||||||||||||||||||||
| # You may obtain a copy of the License at | ||||||||||||||||||||||||||||
| # | ||||||||||||||||||||||||||||
| # https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 | ||||||||||||||||||||||||||||
| # | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Unless required by applicable law or agreed to in writing, software | ||||||||||||||||||||||||||||
| # distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, | ||||||||||||||||||||||||||||
| # WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. | ||||||||||||||||||||||||||||
| # See the License for the specific language governing permissions and | ||||||||||||||||||||||||||||
| # limitations under the License. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| """ | ||||||||||||||||||||||||||||
| This file implements some common KV cache strategies for transformer models. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| Assumptions: | ||||||||||||||||||||||||||||
| 1. All inputs are left-padded. | ||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Each cache should come with logic for computing a causal mask | ||||||||||||||||||||||||||||
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| Desired API: | ||||||||||||||||||||||||||||
| # user initializes cache | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache = LayerCache(2, 4, 8, 128, jnp.bfloat16) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # user prefills cache | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache.prefill(k_new, v_new, segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # user updates cache | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache.update(k_new, v_new) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # user computes causal mask | ||||||||||||||||||||||||||||
| mask = cache.compute_causal_mask(input_len) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| NOTE: This is still a work in progress and may have bugs. | ||||||||||||||||||||||||||||
| NOTE: The masking strategy may depend on the cache strategy. | ||||||||||||||||||||||||||||
| NOTE: Since these utilities will be shared across models, we need test cases in utils/tests/kv_cache_test.py | ||||||||||||||||||||||||||||
| The example tests provided there should be implemented and expanded upon. | ||||||||||||||||||||||||||||
| """ | ||||||||||||||||||||||||||||
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| import jax | ||||||||||||||||||||||||||||
| import jax.numpy as jnp | ||||||||||||||||||||||||||||
| from flax import nnx | ||||||||||||||||||||||||||||
| from jaxtyping import Array, DTypeLike | ||||||||||||||||||||||||||||
| from jax.sharding import PartitionSpec | ||||||||||||||||||||||||||||
| from jax import P | ||||||||||||||||||||||||||||
| from typing import TypeAlias | ||||||||||||||||||||||||||||
| import logging | ||||||||||||||||||||||||||||
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| logging.basicConfig(level=logging.INFO) | ||||||||||||||||||||||||||||
| logging.info("KV cache utilities are still in development.") | ||||||||||||||||||||||||||||
| logging.info("Need further testing for these functions.") | ||||||||||||||||||||||||||||
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| def compute_left_pads(segment_ids: Array) -> Array: | ||||||||||||||||||||||||||||
| """Compute left pads from segment ids.""" | ||||||||||||||||||||||||||||
| return jnp.sum(jnp.cumsum(segment_ids != 0, axis=-1) == 0, -1) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # NOTE: This is not truly a Protocol since it inherits from nnx.Module | ||||||||||||||||||||||||||||
| # This gives a metaclass conflict if we try to inherit from both | ||||||||||||||||||||||||||||
| class CacheProtocol(nnx.Module): | ||||||||||||||||||||||||||||
| """Protocol for KV cache.""" | ||||||||||||||||||||||||||||
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| def prefill(self, k_new: Array, v_new: Array): ... | ||||||||||||||||||||||||||||
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Contributor
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. The signature for Please update the protocol to match the implementation, as
Suggested change
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||||||||||||||||||||||||||||
| def update(self, k_new: Array, v_new: Array): ... | ||||||||||||||||||||||||||||
| def size(self): ... | ||||||||||||||||||||||||||||
| def compute_causal_mask(self, input_len: int): ... | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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| Cache: TypeAlias = list[CacheProtocol] | ||||||||||||||||||||||||||||
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| class LayerCache(CacheProtocol): | ||||||||||||||||||||||||||||
| """Layer-wise KV cache. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| This cache stores the KV states for a single layer. | ||||||||||||||||||||||||||||
| This works by just pre-allocating the cache and updating it as we go. | ||||||||||||||||||||||||||||
| Note that a common error is to overflow the cache since jax out of bounds indexing does not raise an error. | ||||||||||||||||||||||||||||
| """ | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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| def __init__( | ||||||||||||||||||||||||||||
| self, | ||||||||||||||||||||||||||||
| num_kv_heads: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| head_dim: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| batch_size: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_size: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| dtype: DTypeLike, | ||||||||||||||||||||||||||||
| kv_shd: PartitionSpec | None = None, | ||||||||||||||||||||||||||||
| segment_ids: Array | None = None, | ||||||||||||||||||||||||||||
| ): | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Create caches | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_shape = (batch_size, cache_size, num_kv_heads, head_dim) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.k_cache = nnx.Cache(jnp.zeros(cache_shape, dtype=dtype, out_sharding=kv_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.v_cache = nnx.Cache(jnp.zeros(cache_shape, dtype=dtype, out_sharding=kv_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| # Create start_ind and cur_ind | ||||||||||||||||||||||||||||
| # These are implementation details | ||||||||||||||||||||||||||||
| start_ind_shd = None if kv_shd is None else P(kv_shd[0]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind = nnx.Variable(-1 * jnp.ones((batch_size,), dtype=jnp.int32, out_sharding=start_ind_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.cur_ind = nnx.Variable(jnp.zeros((), dtype=jnp.int32)) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| # Initialize start_ind if segment_ids are provided | ||||||||||||||||||||||||||||
| # will raise error if not initialized before update or compute_causal_mask | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind_initialized = False | ||||||||||||||||||||||||||||
| if segment_ids is not None: | ||||||||||||||||||||||||||||
| self._init_start_ind(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| @property | ||||||||||||||||||||||||||||
| def cache_size(self): | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.k_cache.shape[1] | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| @property | ||||||||||||||||||||||||||||
| def batch_size(self): | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.k_cache.shape[0] | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| def _init_start_ind(self, segment_ids: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| left_pads = compute_left_pads(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind[...] = jnp.where(self.start_ind[...] < 0, left_pads, self.start_ind[...]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind_initialized = True | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| def prefill(self, k_new: Array, v_new: Array, segment_ids: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.update(k_new, v_new) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
Contributor
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. The The
Suggested change
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||||||||||||||||||||||||||||
| def update(self, k: Array, v: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| assert self.start_ind_initialized, "Must initialize start_ind before updating LayerCache" | ||||||||||||||||||||||||||||
| slice_indices = (0, self.cur_ind[...], 0, 0) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.k_cache[...] = jax.lax.dynamic_update_slice(self.k_cache[...], k, slice_indices) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.v_cache[...] = jax.lax.dynamic_update_slice(self.v_cache[...], v, slice_indices) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.cur_ind[...] = self.cur_ind[...] + k.shape[1] | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| def compute_causal_mask(self, input_len: int): | ||||||||||||||||||||||||||||
| assert self.start_ind_initialized, "Must initialize start_ind before computing causal mask" | ||||||||||||||||||||||||||||
| b, c = self.batch_size, self.cache_size | ||||||||||||||||||||||||||||
| seq_arange = jnp.arange(input_len) | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_arange = jnp.arange(c) | ||||||||||||||||||||||||||||
| causal_mask = (seq_arange[:, None] - cache_arange[None, :] >= -self.cur_ind) & ( | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_arange[None, None, :] >= self.start_ind[:, None, None] | ||||||||||||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||||||||||||
| return causal_mask.astype(jnp.bool_) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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| class CyclicCache(CacheProtocol): | ||||||||||||||||||||||||||||
| """Cyclic KV cache. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| This cache stores the KV states for a single layer. | ||||||||||||||||||||||||||||
| This works by pre-allocating the cache up to size cache_size. | ||||||||||||||||||||||||||||
| Then, it updates the cache as we go, overwriting the oldest entries. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| #TODO: Assumptions: | ||||||||||||||||||||||||||||
| 1. The number of input tokens does not exceed the cache size for pre-fill. | ||||||||||||||||||||||||||||
| 2. The number of input tokens is always 1 after pre-fill. | ||||||||||||||||||||||||||||
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| #TODO: Relax these assumptions after a first implementation | ||||||||||||||||||||||||||||
| """ | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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| def __init__( | ||||||||||||||||||||||||||||
| self, | ||||||||||||||||||||||||||||
| num_kv_heads: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| head_dim: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| batch_size: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_size: int, | ||||||||||||||||||||||||||||
| dtype: DTypeLike, | ||||||||||||||||||||||||||||
| kv_shd: PartitionSpec | None = None, | ||||||||||||||||||||||||||||
| segment_ids: Array | None = None, | ||||||||||||||||||||||||||||
| ): | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Create caches | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_shape = (batch_size, cache_size, num_kv_heads, head_dim) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.k_cache = nnx.Cache(jnp.zeros(cache_shape, dtype=dtype, out_sharding=kv_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.v_cache = nnx.Cache(jnp.zeros(cache_shape, dtype=dtype, out_sharding=kv_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| # Create start_ind and cur_ind | ||||||||||||||||||||||||||||
| # These are implementation details | ||||||||||||||||||||||||||||
| start_ind_shd = None if kv_shd is None else P(kv_shd[0]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind = nnx.Variable(-1 * jnp.ones((batch_size,), dtype=jnp.int32, out_sharding=start_ind_shd)) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.cur_ind = nnx.Variable(jnp.zeros((), dtype=jnp.int32)) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # Initialize start_ind if segment_ids are provided | ||||||||||||||||||||||||||||
| # will raise error if not initialized before update or compute_causal_mask | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind_initialized = False | ||||||||||||||||||||||||||||
| if segment_ids is not None: | ||||||||||||||||||||||||||||
| self._init_start_ind(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| @property | ||||||||||||||||||||||||||||
| def cache_size(self): | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.k_cache.shape[1] | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| @property | ||||||||||||||||||||||||||||
| def batch_size(self): | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.k_cache.shape[0] | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||
| def _init_start_ind(self, segment_ids: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| left_pads = compute_left_pads(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind[...] = jnp.where(self.start_ind[...] < 0, left_pads, self.start_ind[...]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.start_ind_initialized = True | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| def prefill(self, k_new: Array, v_new: Array, segment_ids: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| assert k_new.shape[1] <= self.cache_size, "Number of input tokens exceeds cache size" | ||||||||||||||||||||||||||||
| return self.update(k_new, v_new) | ||||||||||||||||||||||||||||
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Comment on lines
+201
to
+202
Contributor
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Suggested change
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| def update(self, k: Array, v: Array): | ||||||||||||||||||||||||||||
| assert self.start_ind_initialized, "Must initialize start_ind before updating LayerCache" | ||||||||||||||||||||||||||||
| slice_indices = (0, self.cur_ind[...] % self.cache_size, 0, 0) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.k_cache[...] = jax.lax.dynamic_update_slice(self.k_cache[...], k, slice_indices) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.v_cache[...] = jax.lax.dynamic_update_slice(self.v_cache[...], v, slice_indices) | ||||||||||||||||||||||||||||
| self.cur_ind[...] = self.cur_ind[...] + k.shape[1] | ||||||||||||||||||||||||||||
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+204
to
+209
Contributor
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Suggested change
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| def compute_causal_mask(self, input_len: int): | ||||||||||||||||||||||||||||
| # TODO: Need to double check this logic and make sure it is correct with tests. | ||||||||||||||||||||||||||||
| assert self.start_ind_initialized, "Must initialize start_ind before computing causal mask" | ||||||||||||||||||||||||||||
| b, c = self.batch_size, self.cache_size | ||||||||||||||||||||||||||||
| seq_arange = jnp.arange(input_len) | ||||||||||||||||||||||||||||
| start_factor = self.cur_ind // c | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_arange = jnp.concatenate( | ||||||||||||||||||||||||||||
| [ | ||||||||||||||||||||||||||||
| jnp.arange(start_factor * c, self.cur_ind), | ||||||||||||||||||||||||||||
| jnp.arange(self.cur_ind - start_factor * c, c), | ||||||||||||||||||||||||||||
| ] | ||||||||||||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||||||||||||
| causal_mask = (seq_arange[:, None] - cache_arange[None, :] >= -(self.cur_ind % c)) & ( | ||||||||||||||||||||||||||||
| cache_arange[None, None, :] >= self.start_ind[:, None, None] | ||||||||||||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||||||||||||
| return causal_mask.astype(jnp.bool_) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| if __name__ == "__main__": | ||||||||||||||||||||||||||||
| # Regular cache | ||||||||||||||||||||||||||||
| lc = LayerCache(num_kv_heads=1, head_dim=1, batch_size=2, cache_size=10, dtype=jnp.float32) | ||||||||||||||||||||||||||||
| segment_ids = jnp.array([[0, 0, 1, 1], [1, 1, 1, 1]]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| lc._init_start_ind(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| mask = lc.compute_causal_mask(4) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| print(mask) | ||||||||||||||||||||||||||||
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| # Cyclic cache | ||||||||||||||||||||||||||||
| cc = CyclicCache(num_kv_heads=1, head_dim=1, batch_size=2, cache_size=4, dtype=jnp.float32) | ||||||||||||||||||||||||||||
| segment_ids = jnp.array([[0, 0, 1, 1], [1, 1, 1, 1]]) | ||||||||||||||||||||||||||||
| cc._init_start_ind(segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| cc.prefill(jnp.ones((2, 4, 1, 1)), jnp.ones((2, 4, 1, 1)), segment_ids) | ||||||||||||||||||||||||||||
| cc.update(2 * jnp.ones((2, 1, 1, 1)), 2 * jnp.ones((2, 1, 1, 1))) | ||||||||||||||||||||||||||||
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|
||||||||||||||||||||||||||||
| print(cc.k_cache[...].reshape((2, 4))) | ||||||||||||||||||||||||||||
| print(cc.v_cache[...].reshape((2, 4))) | ||||||||||||||||||||||||||||
|
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| mask = cc.compute_causal_mask(4) | ||||||||||||||||||||||||||||
| print(mask) | ||||||||||||||||||||||||||||
| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
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| # Copyright 2026 The JAX Authors. | ||
| # | ||
| # Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); | ||
| # you may not use this file except in compliance with the License. | ||
| # You may obtain a copy of the License at | ||
| # | ||
| # http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 | ||
| # | ||
| # Unless required by applicable law or agreed to in writing, software | ||
| # distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, | ||
| # WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. | ||
| # See the License for the specific language governing permissions and | ||
| # limitations under the License. | ||
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| from absl.testing import absltest | ||
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| class TestLayerCache(absltest.TestCase): | ||
| def setUp(self): | ||
| super().setUp() | ||
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| def test_init(self): | ||
| pass | ||
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| def test_prefill(self): | ||
| pass | ||
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| def test_update(self): | ||
| pass | ||
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| def test_compute_causal_mask(self): | ||
| pass | ||
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| class TestCyclicCache(absltest.TestCase): | ||
| def setUp(self): | ||
| super().setUp() | ||
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| def test_init(self): | ||
| pass | ||
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|
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| def test_prefill(self): | ||
| pass | ||
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| def test_update(self): | ||
| pass | ||
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|
||
| def test_compute_causal_mask(self): | ||
| pass | ||
|
|
||
| def test_update_after_cache_full(self): | ||
| pass | ||
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+36
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+53
Contributor
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| if __name__ == "__main__": | ||
| absltest.main() | ||
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Calling
logging.basicConfig()within a library is considered bad practice as it can override the logging configuration of the application using the library. Module-level logging on import is also unconventional. The information about the development status is already present in the docstring. It's recommended to remove these lines.