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Turing.jl 项目中的自动微分测试重构实践

2025-07-04 12:14:05作者:吴年前Myrtle

引言

在Julia生态系统的概率编程语言Turing.jl中,自动微分(AD)是核心功能之一。近期开发团队针对项目中的AD测试进行了深入讨论和重构,旨在优化测试效率并提高代码质量。本文将详细介绍这一技术改进的背景、思路和具体实施方案。

问题背景

Turing.jl项目中存在大量通过完整运行采样器来测试AD功能的测试用例。这种方式虽然全面,但存在明显的性能问题:

  1. 计算资源消耗大:每次测试都需要运行完整的MCMC采样链
  2. 测试时间长:影响开发迭代速度
  3. 测试关注点混杂:将AD正确性测试与采样器正确性测试耦合在一起

技术改进方案

经过团队讨论,确定了以下改进方向:

分离测试关注点

将AD功能测试与采样器正确性测试分离:

  1. 采样器正确性测试:只需针对一个基准AD后端(如ForwardDiff)进行完整采样测试
  2. AD功能测试:通过直接验证梯度计算来测试各AD后端

建立标准化测试集

创建统一的测试用例集合,明确Turing.jl对AD系统的需求:

  1. 定义一组标准模型和对应的LogDensityFunction
  2. 这些测试用例将成为AD包集成测试的参考标准
  3. 保持测试集的持续更新,反映Turing.jl的最新需求

技术实现细节

测试结构重构

  1. 减少完整采样测试:仅对基准AD后端保留完整采样链测试
  2. 增加直接梯度验证:使用logdensity_and_gradient函数直接测试各AD后端
  3. 引入随机种子控制:使用StableRNGs确保测试可重复性

与DifferentiationInterface的整合

考虑与Julia生态中的DifferentiationInterface测试框架对接:

  1. 使测试用例能被DifferentiationInterface的测试功能消费
  2. 为未来全面采用DifferentiationInterface做准备
  3. 当前仍需直接测试logdensity_and_gradient,因为部分后端尚未完全迁移

实施进展

目前已在实验性包ModelTests.jl中开始实现:

  1. 收集典型模型作为测试用例
  2. 设计兼顾当前需求和未来扩展的测试接口
  3. 探索与DynamicPPL.TestUtils的整合方案

技术挑战与解决方案

后端兼容性问题

不同AD后端在Turing.jl中的集成方式各异:

  1. ForwardDiff等传统后端使用专用扩展
  2. Mooncake等新后端通过DifferentiationInterface集成
  3. 需要设计兼容两种方式的测试框架

测试准确性保障

  1. 对基准AD后端保留完整采样测试
  2. 梯度测试采用数值验证方法
  3. 建立结果一致性检查机制

未来工作方向

  1. 推动LogDensityProblemsAD全面采用DifferentiationInterface
  2. 完善测试用例集合,覆盖更多边界情况
  3. 优化测试执行效率,缩短CI时间
  4. 建立AD性能基准测试体系

总结

Turing.jl项目的AD测试重构工作体现了软件工程中"关注点分离"的重要原则。通过将AD功能测试与采样器测试解耦,不仅提高了测试效率,还使项目对AD后端的质量要求更加明确。这一改进将为Turing.jl的长期维护和生态扩展奠定坚实基础,同时也为Julia生态中其他需要AD支持的项目提供了有价值的参考模式。

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