凤凰涅槃:AlphaZero结构重铸

🚀 亚马逊棋 AlphaZero:从架构灾难到全链路重铸

——行动空间、数据流、Canonical、网络深度、性能优化,一天内完成 5 个史诗级升级

今天,我们为亚马逊棋(Game of the Amazons)的 AlphaZero 系统完成了一次罕见规模、跨越神经网络 / MCTS / N-to-1 / IPC / C++ 引擎 / 深层模型的 全系统重构

这篇文章将整合今天的全部内容,从最核心的问题出发,按逻辑顺序讲述:
为何旧系统必然训练失败 → 如何设计空间多头网络 → 如何确保数据不乱 → 如何解决 canonical 冲突 → 如何提升 C++ 与 Python 性能 → 如何构建深度 ResNet-40 全新架构。


1. 动作索引灾难:一切问题的起点

(Action Index Collapse)

旧系统使用 动作索引(action index in legal_moves list)作为策略向量的定义方式,看似简洁,却触发了两个致命的系统性崩溃:

❌ 1. 对称性冲突 → P2 训练崩坏

  • getCanonicalForm 会对 P2 棋盘做 180 度旋转
  • 但真正的走子代码 Game.getNextState 在“未旋转”的原始状态执行动作

因此:

MCTS 认为“动作 5”是移动 A,但实际执行的是完全不同的动作 B。

结论:
P2 在整个训练过程中相当于在随机乱走 → 胜率统计完全被污染。

这也是我们早期观察到「P2 胜率无脑偏高」的真正原因。


2. 终极解决方案:三头输出的空间式动作建模

(Multi-Head Spatial Policy)

为彻底摆脱 Action Index,我们采用围棋/将棋 AlphaZero 的专业方案:
将动作空间分解为三个 8×8 的空间概率图:

  • Source Map:起点位置
  • Destination Map:终点位置
  • Arrow Map:箭射击位置

这使得动作不再依赖“列表顺序”,而依赖棋盘坐标 → 索引问题彻底消失

✔ 关键文件修复

文件 变更
AmazonsPytorch.py 替换原单输出头为 fc_src / fc_dst / fc_arrow 三头
NNet.py “正向翻译器”、“逆向翻译器”处理 3 个 8×8 heatmap
MCTS & SharedEvaluator 传输 (3 × 64) 格式的数据而非一个向量
OrchestratedMCTS.py P = P(src) × P(dst) × P(arr) 组装合法动作概率

结论:
神经网络开始学习真正的空间语义,而不是“动态列表顺序”。


3. 训练数据的健壮性重构:

🚫 告别 Action Index → ✔ 引入空间热力图标签

如果最开始的问题是“索引不一致”,那么第二个问题就是“训练数据错位”。

旧系统的训练依赖于:

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pi_vector (from MCTS)
→ Python 再次调用 C++ getLegalMoves
→ 重新映射

在 N 进程并行、IPC、C++ 状态更新的环境中,这非常容易“错一步就错全局”。

✔ 新系统:训练标签与游戏无关

  • MCTS 得到 pi 后
    立即转换为 3 张 8×8 heatmap
    直接存储
    训练时不再调用 C++ 引擎

这样:

  • 训练永不可能出现标签错位
  • 不依赖游戏引擎
  • 无外界状态污染

4. 对称增强的性能革命:

从调用 C++ 8 次 → Numpy 一次旋转即可

旧版 getSymmetries:

  • 每次对称增强会 8 次重新初始化 C++ 引擎
  • 8 次全盘 getLegalMoves
  • 8 次线性搜索 list.index

这是惊人的 O(N) × 8 × 每一步棋 × 每个 Actor 的损耗。

✔ 新版方案:Convert First, Then Rotate

  1. 用 C++ decode pi → (Src, Dst, Arr) 只一次
  2. 后续 7 份增强全部使用 Numpy rot90 / fliplr

性能从 O(N) 降为 O(Numpy),快几十倍。

GPU 终于不再等待 CPU。


5. Canonical Form 的统一视角冲突

(最难修的问题之一)

AlphaZero 必须做到:
“无论是白方或黑方,都以统一视角看棋盘”。

也就是说:
P2 必须看到旋转后的棋盘。

但动作也必须跟着旋转。

在新版系统中:

  • canonical board:颜色反转 + 180 度旋转
  • canonical actionreal action
    通过 canonical_to_real_action 完成三点反转
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(r, c) → (N - 1 - r, N - 1 - c)

作用:

  • MCTS 始终在 canonical 空间中思考
  • 游戏始终在 real 空间中执行
  • 两者不再混淆

这是完整分离「思考空间」和「执行空间」的核心。


6. Python / C++ 性能极限优化(Zero-Copy + SHM)——逐步实现

目标:在 32 线程 CPU + RTX 4090 上,把 IPC 与序列化开销降到接近零,使 CPU 用在 MCTS 上,GPU 连续饱和计算。

6.1 问题快照

  • Manager().Queue() 的一个消息需要 pickle/serialize/deserialize,且 Manager 为单独进程,会产生锁竞争与上下文切换。
  • 频繁 setPieceAt(逐格写入)导致 Python↔C++ 往返多次 syscall / marshalling。
  • 大型 NumPy 数组通过队列传输导致 copy(内存与CPU占用)。

6.2 设计思路

  • 尽量 零拷贝(zero-copy):Python 端把连续内存块给 C++,C++ 直接读写。
  • 队列只传元信息(Actor ID / slot index / shape),实际数据放共享内存(SHM)。
  • 高频队列使用 ctx.Queue()(multiprocessing.get_context(‘spawn’) 的原生 Queue),避免 Manager 代理。
  • 对关键进程(Dispatcher / GpuWorker)提权,避免被 MCTS 抢占。
  • 启动 jitter,避免所有 Actor 同步导致的 sawtooth load。

6.3 实现细节:C++ 批量接口(batchLoadBoard)

C++(建议用 pybind11)——底层接口示例

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// amazons_engine.h
extern "C" void batchLoadBoard(const int32_t* board_ptr, size_t rows, size_t cols);

// amazons_engine.cpp
#include <cstdint>
void batchLoadBoard(const int32_t* board_ptr, size_t rows, size_t cols) {
// 假设 engine 提供一个快速接口直接从 int32_t* 填盘
// 这里必须假设 board_ptr 指向 row*cols 连续内存
for (size_t r = 0; r < rows; ++r)
for (size_t c = 0; c < cols; ++c) {
int32_t v = board_ptr[r*cols + c];
// internalSetPiece(r, c, v); // 内部超快接口
}
}

pybind11 导出:

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#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/numpy.h>
namespace py = pybind11;

void batchLoadBoard_py(py::array_t<int32_t> arr) {
auto buf = arr.request();
if (buf.ndim != 2) throw std::runtime_error("expected 2D array");
batchLoadBoard(static_cast<int32_t*>(buf.ptr), buf.shape[0], buf.shape[1]);
}

PYBIND11_MODULE(amazons_engine, m) {
m.def("batchLoadBoard", &batchLoadBoard_py);
}

Python 使用要点:

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import numpy as np
import amazons_engine

board = np.ascontiguousarray(board_numpy, dtype=np.int32)
# 强制 contiguous + int32(重要)
amazons_engine.batchLoadBoard(board)

要点:绝对不要传非连续数组或错误 dtype —— 会导致 segfault。


6.4 实现细节:共享内存 + 原生 Queue(示例)

Producer(Actor)写入 SHM 并只发 ActorID

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from multiprocessing import get_context, shared_memory
import numpy as np
ctx = get_context('spawn')
task_queue = ctx.Queue() # native queue
shm = shared_memory.SharedMemory(create=True, size=slot_count * slot_size)

# 每个 Actor 写入自己的 slot index
def actor_send(board_array, slot_idx):
arr = np.ndarray((8,8), dtype=np.int32, buffer=shm.buf, offset=slot_idx*slot_bytes)
np.copyto(arr, np.ascontiguousarray(board_array, dtype=np.int32))
# 只 send slot_idx 和 metadata,避免拷贝
task_queue.put({'slot': slot_idx, 'actor_id': my_id})

Consumer(Dispatcher / GpuWorker)读取

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def worker_loop():
while True:
task = task_queue.get() # blocking native queue
slot_idx = task['slot']
arr = np.ndarray((8,8), dtype=np.int32, buffer=shm.buf, offset=slot_idx*slot_bytes)
# 直接把 arr 传给 batchLoadBoard 或者打包给 GPU
amazons_engine.batchLoadBoard(arr) # zero-copy-like
# 回复 Actor:用另一个小队列发送 slot_idx/status

关键:消息体很小(整型),数据通过 SHM 直接共享,避免 serialization。


6.5 把 Manager().Queue() 换成 ctx.Queue()、减少锁竞争

  • Manager().Queue() 会走 server/client 模式;ctx.Queue() 是 OS pipe/native,延迟低且无需 pickle。
  • 所有高频通信(Actor→Dispatcher,Dispatcher→GpuWorker)都改为 ctx.Queue()。

6.6 进程提权 & Jitter 启动(示例)

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import psutil, os, time, random
p = psutil.Process(os.getpid())
# Linux: set to high priority (negative niceness)
p.nice(-10)

# Actor start jitter
time.sleep(random.uniform(0.1, 3.0))

Windows 可使用 psutil.HIGH_PRIORITY_CLASS / psutil.ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS


6.7 避免内存泄漏:mcts.clear_tree()

在 Actor 的每一步棋开始时必须调用:

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# 每一步搜索开始前
mcts.clear_tree()

否则 MCTS 树会累积节点,最终导致 Actor 内存占满。


6.8 Batch Size 与 Deadlock 处理

  • training_batch_size(大,例如 512)用于 GPU 批训练。
  • inference_batch_size(小,例如 16 或 32)用于 Dispatcher 汇总 Actor 的预测请求,减少等待。
  • Arena 阶段:把 batch 强制降到 4(避免无法凑满导致某些 Actor 无限等待)。

这三者分离能同时保证 GPU 利用率与 MCTS 低延迟。


7. 重铸:ResNet-40(从数据到实现的完整细节)

目标:用 ResNet-40(20 残差块)替换原来只有四层的浅层 CNN,同时把输入改为标准 One-Hot,输出改为三头空间概率(Src / Dst / Arr)。

7.1 输入规范(严格)

对每个棋盘状态,生成 3 通道 one-hot,shape = (3, 8, 8),dtype = float32uint8(训练时转 float32):

  • channel 0 — 我的棋子(1 / 0)
  • channel 1 — 对手棋子(1 / 0)
  • channel 2 — 箭 / 障碍(1 / 0)

示例代码:

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def board_to_onehot(board, me=1):
# board: 8x8 ints, using {1: my, -1: opp, 3: arrow} or similar
my_map = (board == me).astype(np.float32)
opp_map = (board == -me).astype(np.float32)
arrow_map = (board == 3).astype(np.float32)
return np.stack([my_map, opp_map, arrow_map], axis=0) # shape (3,8,8)

7.2 ResNet-40 PyTorch 实现骨架(

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import sys
sys.path.append('..')

class ResBlock(nn.Module):
"""
标准残差块:
Structure: Conv3x3 -> BN -> ReLU -> Conv3x3 -> BN -> (+) -> ReLU
"""
def __init__(self, num_channels):
super().__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(num_channels, num_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_channels)
self.conv2 = nn.Conv2d(num_channels, num_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_channels)

def forward(self, x):
residual = x
out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
out = self.bn2(self.conv2(out))
out += residual
return F.relu(out)

class AmazonsNNet(nn.Module):
def __init__(self, game, args):
super().__init__()

self.board_x, self.board_y = game.getBoardSize()
self.args = args
self.flat_size = self.board_x * self.board_y


# ResNet-40 对应 20 个残差块 (20 * 2 + 1 = 41 Layers)

self.num_res_blocks = getattr(args, 'num_res_blocks', 20)
self.num_channels = args.num_channels # 建议 256

# --- 1. 初始卷积层 ---
# 输入: 3 通道 One-Hot (My, Op, Arrow)
# 输出: num_channels
self.conv1 = nn.Conv2d(3, self.num_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(self.num_channels)

# --- 2. 残差塔 ---
# 堆叠 20 个残差块
self.res_layers = nn.ModuleList([ResBlock(self.num_channels) for _ in range(self.num_res_blocks)])

# --- 3. 策略头 ---
# 输入: (Batch, num_channels, 8, 8)
self.fc_input_dim = self.num_channels * self.board_x * self.board_y

self.fc1 = nn.Linear(self.fc_input_dim, 1024)
self.fc2 = nn.Linear(1024, 512)

# AlphaZero 标准是 3 个头分别输出 Logits
self.fc_src = nn.Linear(512, self.flat_size)
self.fc_dst = nn.Linear(512, self.flat_size)
self.fc_arrow = nn.Linear(512, self.flat_size)

# --- 4. 价值头---
self.fc_val = nn.Linear(512, 1)

def forward(self, s):
# s: batch_size x 3 x 8 x 8

# 1. 初始卷积
s = F.relu(self.bn1(self.conv1(s)))

# 2. 通过 ResNet-40 塔
for layer in self.res_layers:
s = layer(s)

# 3. 展平
s = s.view(-1, self.fc_input_dim)

# 4. 共享全连接层
s = F.dropout(F.relu(self.fc1(s)), p=self.args.dropout, training=self.training)
s = F.dropout(F.relu(self.fc2(s)), p=self.args.dropout, training=self.training)

# 5. 输出策略
pi_src = F.log_softmax(self.fc_src(s), dim=1)
pi_dst = F.log_softmax(self.fc_dst(s), dim=1)
pi_arrow = F.log_softmax(self.fc_arrow(s), dim=1)

# 6. 输出价值
v = torch.tanh(self.fc_val(s))

return pi_src, pi_dst, pi_arrow, v

说明:把每个 head 输出的 64 个 logits 做 softmax(或在 loss 中用 log-softmax),训练时分别计算三个交叉熵/kl-loss 并加权求和。


7.3 Loss & Training Pipeline,使用adamW优化器

  • 对于每个样本,我们有 target_srcs(64-d one-hot)、target_dststarget_arrsv(标量)。
  • Loss = λ1 * CE(p_src, target_src) + λ2 * CE(p_dst, target_dst) + λ3 * CE(p_arr, target_arr) + λv * MSE(v, target_v)。通常 λ1=λ2=λ3=1.0, λv=1.0 起步。
  • 优化器:AdamW(lr 1e-4 ~ 5e-4 视 batch)+ weight_decay(1e-4)常用。

保存/加载 checkpoint(含 optimizer)示例:

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torch.save({
'epoch': epoch,
'model_state_dict': net.state_dict(),
'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
'rng_state': torch.get_rng_state(),
}, 'checkpoint.pth.tar')

# 加载
ckpt = torch.load('checkpoint.pth.tar', map_location=device)
net.load_state_dict(ckpt['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(ckpt['optimizer_state_dict'])

必须保存 optimizer state,避免 starttrain.py 重启时丢失动量。(忘了说了我为了实现良好的内存管理,循环是又写了一个starttrain.py QAQ ,这样就可以每次结束之后清理所有程序强制释放内存)


7.4 批量与显存调优(RTX 4090)

  • training_batch_size 建议从 256 → 512 尝试(视显存和混合精度而定)。
  • 强烈建议使用 torch.cuda.amp(混合精度)来提高吞吐。
  • Arena/Inference batch 设为 64 或 128(降低 Dispatcher 等待)。

8. Soft Labels(τ=1)与落子策略:完整规则与实现

目标:保留 MCTS 的探索信息到训练数据,避免后期 NN 变成贪心的盲目收敛器。

8.1 基本规则(明确)

  • 训练标签始终使用 MCTS 的访问次数分布(soft labels):

    πi=Nivisits∑jNjvisits\pi_i = \frac{N_i^{\text{visits}}}{\sum_j N_j^{\text{visits}}}πi=∑jNjvisitsNivisits

    这里 N_i^{visits} 是 MCTS 在根节点各动作上的访问次数。将 pi 解码为三张 heatmap 并存储为训练示例的标签。

  • 下棋落子(selfplay 中)

    • 在游戏早期(步数 < temp_threshold,比如 15 步)使用 τ=1:按 π 采样动作(保留探索)。
    • 当步数 ≥ temp_threshold,切换为 τ=0:使用 argmax(确定性落子)以保证对局评估稳定。

8.2 具体实现(伪代码)

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# 在每一步 MCTS 结束后:
visit_counts = mcts.get_root_visit_counts() # dict{action_idx: count}
total = sum(visit_counts.values())
pi_vector = [visit_counts.get(i, 0)/total for i in all_actions] # soft labels

# decode pi_vector -> (src_map, dst_map, arr_map)
src_map, dst_map, arr_map = decode_pi_to_maps(pi_vector)

# 存入 trainExamples: (board_onehot, (src_map, dst_map, arr_map), value)
trainExamples.append((board_onehot, (src_map, dst_map, arr_map), value))

# 选择落子
if move_number < temp_threshold:
action_idx = sample_from_distribution(pi_vector) # tau=1
else:
action_idx = argmax(pi_vector) # tau=0

说明:训练时永远不要把 argmax 的 one-hot 作为 pi —— 这会丢失探索信息。

8.3 为什么这重要(更深一点的理由)

  • MCTS 的访问分布包含树搜索中探索-回报估计的“软信息”(哪些替代动作经常被访问)。把它作为目标标签可以让 NN 学会“潜在好变的动作倾向”,而不是仅仅学习一个确定性策略。
  • 如果使用 argmax 作为标签,训练目标会鼓励 NN 立刻收敛到贪心策略,失去后续发现更优策略的能力(过拟合于当前搜索)。

8.4 实际跑实验时的技巧与监控

  • 保存 raw visit_counts(或压缩后)便于回溯与 debug。
  • 在训练中监控 KL(π_old || π_predicted) 以及 Entropy(π)。如果 KL 快速下降到 0、Entropy 极低,说明标签可能被污染或 τ 策略被误用。
  • 训练初期把 temp_threshold 调大(例如 30)可获得更多探索样本,后期再逐步缩短。

最终结语:

今天我们完成的不是修补,而是一次彻底重铸。

从底层 C++ 到顶层 ResNet-40 到 MCTS,到 IPC,到数据流,到 canonical,到多头空间策略 ——
这是一个 面向高性能 AlphaZero 系统的完整工程重构

现在的系统具有:

  • 正确动作表达
  • 正确 canonical 语义
  • 正确训练标签
  • 高速无锁 IPC
  • Zero-Copy C++ 接口
  • ResNet-40 深度模型
  • 高效对称增强
  • 高质量 MCTS 数据
  • 全核满载的训练性能

这是亚马逊棋 AlphaZero 能够真正开始「学习」的起点。