Snakemake在Slurm环境下实时输出与规则优化：深度教程

Slurm环境下Python输出的实时性挑战

在使用snakemake管理工作流时，尤其是在slurm等高性能计算集群上运行时，用户可能会遇到一个常见问题：当规则内部执行python脚本或包含print()语句时，其输出不会像执行普通shell命令（如star）那样实时显示在slurm的输出文件中，而是在脚本完成或失败后才一次性输出。

这种现象的根本原因在于Python的标准输出（stdout）默认是带缓冲的。这意味着Python程序在执行过程中产生的输出并不会立即发送到操作系统，而是先存储在一个内部缓冲区中，直到缓冲区满、程序结束、遇到换行符（在某些情况下）或者被明确刷新时，才会被写入到实际的输出流（如文件或终端）。在Slurm环境中，当Snakemake将Python脚本的输出重定向到Slurm的作业输出文件时，这种缓冲机制会导致输出延迟。

解决方案：强制刷新标准输出

要解决这个问题，最直接的方法是在Python代码中显式地强制刷新标准输出缓冲区。这可以通过导入sys模块并调用sys.stdout.flush()来实现。例如，在你的print()语句之后立即调用flush()：

import sys

print("========RUNNING JOB SPLADDER=========")
sys.stdout.flush() # 立即刷新输出
print("


")
sys.stdout.flush() # 立即刷新输出
print(input.genomes)
sys.stdout.flush() # 立即刷新输出
# ... 其他代码

通过这种方式，每次print()调用后，其内容都会被立即写入到Slurm的输出文件中，从而实现实时输出。

Snakemake规则设计与优化最佳实践

除了实时输出问题，原始的Snakemake规则设计也存在一些可以优化的地方，这些优化将使工作流更具鲁棒性、可扩展性和可维护性。

1. 规则泛化：单样本处理原则

Snakemake的核心思想是基于通配符（wildcards）来泛化规则，使其能够处理单个样本或一个最小单元的数据，而不是在单个规则内部循环处理所有样本。原始规则在一个spladder规则中遍历所有基因组，这与Snakemake的设计哲学相悖。

问题：

• 并行性受限： 这种设计使得Snakemake无法充分利用其并行处理能力。即使你指定了多个--cores或--jobs，整个循环仍然在单个作业中串行执行，无法在Slurm上为每个基因组启动独立的作业。
• 依赖管理复杂： Snakemake难以精确跟踪每个基因组的输入和输出，导致依赖关系管理效率低下。
• 错误处理： 如果循环中的某个基因组处理失败，整个作业都会失败，而不是仅失败单个基因组的作业。

最佳实践： 将规则设计为处理单个通配符（例如{genome}）对应的输出。Snakemake会根据顶层all规则或下游规则的需求，自动为每个通配符实例生成并调度独立的作业。

2. 输出完整性与依赖管理

Snakemake要求规则必须产生其output声明中列出的所有文件。如果一个规则在特定条件下未能产生所有声明的输出文件，Snakemake会认为该规则执行失败，并可能删除已生成的部分输出。

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问题： 原始规则中，如果某个genome_id没有对应的rsa_ids，那么spladder build命令将不会被执行，从而导致该基因组对应的输出文件（merge_graphs_mutex_exons_C3.pickle）不会被创建。这会引发Snakemake错误，并可能导致其他基因组的输出也被删除。

最佳实践： 在工作流的顶层（通常是all规则或数据预处理阶段），预先筛选出所有有效的数据组合，确保每个Snakemake规则实例都有能力且必须产生其所有声明的输出。

3. 利用input函数与params动态配置

Snakemake允许使用Python函数来动态地生成规则的input和params，这对于根据通配符值查找相关数据非常有用。

input函数： 可以定义一个函数，接收wildcards作为参数，返回规则所需的输入文件字典。这使得输入文件的查找逻辑与规则本身分离，提高了可读性和模块化。

params指令： 用于传递额外的参数给shell指令。它可以是一个字典，也可以是一个lambda函数，根据wildcards或input动态生成参数值。这使得shell命令保持简洁，将复杂的逻辑移到Python代码中。

4. expand函数的高效应用

expand函数是Snakemake提供的一个强大工具，用于根据多个通配符组合生成文件路径列表。它比手动编写列表推导式更简洁、更安全，并且能更好地与Snakemake的通配符机制集成。

示例：expand("data/spladder/{genome}/merge_graphs_mutex_exons_C3.pickle", genome=valid_genome_ids)

5. shell指令的推荐用法

尽可能使用shell指令来执行外部命令。它比run指令更简洁，并且Snakemake能够更好地管理其执行环境和错误捕获。当命令变得复杂时，可以通过多行字符串和参数格式化来保持可读性。

优化后的Snakemake规则示例

基于上述最佳实践，以下是重构后的Snakemake工作流示例：

import re
from pathlib import Path
import pandas as pd # 假设accessions是一个pandas DataFrame

# 示例数据（请根据实际情况替换或加载）
# accessions = pd.DataFrame({
#     'genome_id': ['genomeA', 'genomeB', 'genomeA', 'genomeC'],
#     'rsa_id_col': ['rsa1', 'rsa2', 'rsa3', 'rsa4']
# }, index=['rsa1', 'rsa2', 'rsa3', 'rsa4'])
# 假设accessions DataFrame已经加载

# 模拟一个accessions DataFrame，实际使用时应从文件加载
accessions = pd.DataFrame({
    'genome_id': ['genome1', 'genome2', 'genome1', 'genome3'],
    'some_other_col': ['val1', 'val2', 'val3', 'val4']
}, index=['rsa_id_A', 'rsa_id_B', 'rsa_id_C', 'rsa_id_D'])


rule all:
    """
    顶层规则，定义最终需要生成的所有输出文件。
    在这里预先筛选出所有有效的基因组ID，确保每个请求的输出都有对应的输入。
    """
    input:
        expand(
            "data/spladder/{genome}/merge_graphs_mutex_exons_C3.pickle",
            genome=[
                genome_id
                for genome_id in accessions['genome_id'].unique()
                if len(accessions[accessions['genome_id'] == genome_id]) > 0
            ]
        )

def spladder_input(wildcards):
    """
    根据通配符 {genome} 动态查找并返回spladder规则所需的输入文件。
    """
    # 过滤出当前基因组ID对应的所有rsa_ids
    filtered_accessions = accessions[accessions['genome_id'] == wildcards.genome]
    rsa_ids = filtered_accessions.index.values # 获取索引作为rsa_id

    return {
        'genome_annotation': f"../ressources/genomes/{wildcards.genome}/genomic.gtf",
        'bams': expand("data/alignments/{rsa}/{rsa}_Aligned.sortedByCoord.out.bam", rsa=rsa_ids),
    }

rule spladder:
    """
    Spladder处理规则，针对单个基因组 {genome} 进行操作。
    """
    input:
        unpack(spladder_input) # 使用unpack函数将spladder_input返回的字典解包为规则的输入
    output:
        "data/spladder/{genome}/merge_graphs_mutex_exons_C3.pickle"
    threads: 20  # 根据集群资源和程序需求调整线程数
    resources:
        mem_mb=1024 * 20, # 20GB内存
        runtime=60 * 8   # 8小时运行时长
    params:
        # 使用lambda函数动态生成bams参数字符串和输出目录
        bams_str=lambda wildcards, input: ','.join(input.bams),
        outdir=lambda wildcards, output: Path(output).parent
    shell:
        """
        mkdir -p {params.outdir} && \
        spladder build \
            --set-mm-tag nM \
            --bams {params.bams_str} \
            --annotation {input.genome_annotation} \
            --outdir {params.outdir} \
            --parallel {threads}
        """

代码解析：

1. rule all:
   • 这是工作流的入口点，定义了Snakemake最终需要构建的所有目标文件。
   • 使用expand函数结合列表推导式，预先筛选出所有具有有效rsa_ids的基因组ID。这确保了spladder规则只会被调用来处理那些能够实际产生输出的基因组。
2. spladder_input(wildcards)函数:
   • 这是一个辅助函数，用于根据当前规则的wildcards.genome值，动态地查找并构建该基因组所需的所有BAM文件路径列表。
   • 它返回一个字典，其中包含基因组注释文件和BAM文件列表，这些将作为spladder规则的输入。
3. rule spladder:
   • input: unpack(spladder_input): unpack函数用于将spladder_input函数返回的字典中的键值对直接作为input指令的参数。这使得规则的输入可以根据通配符动态生成，同时保持规则定义的简洁。
   • output: "data/spladder/{genome}/merge_graphs_mutex_exons_C3.pickle": 规则现在只声明单个基因组的输出，与规则的泛化设计相匹配。
   • params::
     • bams_str: 使用lambda函数将input.bams（一个列表）转换为逗号分隔的字符串，以适应spladder build --bams命令的参数格式。
     • outdir: 使用lambda函数和pathlib.Path获取输出文件的父目录，作为--outdir参数。
   • shell::
     • 使用多行字符串定义shell命令，提高了可读性。
     • mkdir -p {params.outdir} && ：确保输出目录存在，并且使用&&确保目录创建成功后才执行spladder命令。
     • 所有参数都通过{}语法从input、params和threads中引用，使得命令非常清晰。

注意事项与总结

• 线程与作业数： 在Slurm环境下，threads参数定义了单个作业可以使用的CPU核心数。有时，使用较少的线程数但启动更多的独立作业（通过Snakemake的并行调度）可能比单个作业使用大量线程更高效。这需要根据程序的并行特性和集群负载情况进行权衡。
• 资源管理： 准确设置resources（如mem_mb和runtime）对于高效利用集群资源和避免作业被终止至关重要。
• 错误处理： 优化后的规则设计使得Snakemake能够更好地隔离错误。如果一个基因组的处理失败，只有对应的作业会失败，而不会影响其他基因组的并行处理。
• Snakemake哲学： 始终牢记Snakemake的核心思想是构建一个声明式的工作流。将复杂的逻辑（如文件路径生成、条件筛选）从run块中提取出来，放到辅助函数或顶层规则中，可以使规则本身更专注于描述单个任务的输入、输出和执行命令。

通过遵循这些最佳实践，不仅可以解决Slurm环境下Python输出的实时性问题，还能显著提升Snakemake工作流的性能、健壮性和可维护性。

以上就是Snakemake在Slurm环境下实时输出与规则优化：深度教程的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！