Pytorch中的分布式神经网络训练

随着深度学习的多项进步，复杂的网络（例如大型transformer 网络，更广更深的Resnet等）已经发展起来，从而需要了更大的内存空间。经常，在训练这些网络时，深度学习从业人员需要使用多个GPU来有效地训练它们。在本文中，我将向您介绍如何使用PyTorch在GPU集群上设置分布式神经网络训练。

通常，分布式训练会在有一下两种情况。

在GPU之间拆分模型：如果模型太大而无法容纳在单个GPU的内存中，则需要在不同GPU之间拆分模型的各个部分。
跨GPU进行批量拆分数据。当mini-batch太大而无法容纳在单个GPU的内存中时，您需要将mini-batch拆分到不同的GPU上。

跨GPU的模型拆分

跨GPU拆分模型非常简单，不需要太多代码更改。在设置网络本身时，可以将模型的某些部分移至特定的GPU。之后，在通过网络转发数据时，数据也需要移动到相应的GPU。下面是执行相同操作的PyTorch代码段。

from torch import nn

class Network(nn.Module):
    def __init__(self, split_gpus=False):
        super().__init__()
        self.module1 = ...
        self.module2 = ...
        self.split_gpus = split_gpus
        if split_gpus:            #considering only two gpus
            self.module1.cuda(0)
            self.module2.cuda(1)

    def forward(self, x):
        if self.split_gpus:
            x = x.cuda(0)
        x = self.module1(x)
        if self.split_gpus:
            x = x.cuda(1)
        x = self.module2(x)
        return x

跨GPU的数据拆分

有3种在GPU之间拆分批处理的方法。

积累梯度
使用nn.DataParallel
使用nn.DistributedDataParallel

积累梯度

在GPU之间拆分批次的最简单方法是累积梯度。假设我们要训练的批处理大小为256，但是一个GPU内存只能容纳32个批处理大小。我们可以执行8（= 256/32）个梯度下降迭代而无需执行优化步骤，并继续通过loss.backward（）步骤添加计算出的梯度。一旦我们累积了256个数据点的梯度，就执行优化步骤，即调用optimizer.step（）。以下是用于实现累积渐变的PyTorch代码段。

TARGET_BATCH_SIZE, BATCH_FIT_IN_MEMORY = 256, 32
accumulation_steps = int(TARGET_BATCH_SIZE / BATCH_FIT_IN_MEMORY)
network.zero_grad()                            # Reset gradients tensors
for i, (imgs, labels) in enumerate(dataloader):
    
    preds = network(imgs)                      # Forward pass
    loss = loss_function(preds, labels)        # Compute loss function
    loss = loss / accumulation_steps           # Normalize our loss (if averaged)
    loss.backward()                            # Backward pass
    if (i+1) % accumulation_steps == 0:        # Wait for several backward steps
        optim.step()                           # Perform an optimizer step
        network.zero_grad()                    # Reset gradients tensors

优点：不需要多个GPU即可进行大批量训练。即使使用单个GPU，此方法也可以进行大批量训练。

缺点：比在多个GPU上并行训练要花费更多的时间。

使用nn.DataParallel

如果您可以访问多个GPU，则将不同的批处理拆分分配给不同的GPU，在不同的GPU上进行梯度计算，然后累积梯度以执行梯度下降是很有意义的。

多GPU下的forward和backward

基本上，给定的输入通过在批处理维度中分块在GPU之间进行分配。在前向传递中，模型在每个设备上复制，每个副本处理批次的一部分。在向后传递过程中，将每个副本的梯度求和以生成最终的梯度，并将其应用于主gpu（上图中的GPU-1）以更新模型权重。在下一次迭代中，主GPU上的更新模型将再次复制到每个GPU设备上。

在PyTorch中，只需要一行就可以使用nn.DataParallel进行分布式训练。该模型只需要包装在nn.DataParallel中。

model = torch.nn.DataParallel(model)
...
...
loss = ...
loss.backward()

优点：并行化多个GPU上的NN训练，因此与累积梯度相比，它减少了训练时间。因为代码更改很少，所以适合快速原型制作。

缺点：nn.DataParallel使用单进程多线程方法在不同的GPU上训练相同的模型。它将主进程保留在一个GPU上，并在其他GPU上运行不同的线程。由于python中的线程存在GIL（全局解释器锁定）问题，因此这限制了完全并行的分布式训练设置。

使用DistributedDataParallel

与nn.DataParallel不同，DistributedDataParallel在GPU上生成单独的进程进行多重处理，并利用GPU之间通信实现的完全并行性。但是，设置DistributedDataParallel管道比nn.DataParallel更复杂，需要执行以下步骤（但不一定按此顺序）。

将模型包装在torch.nn.Parallel.DistributedDataParallel中。

设置数据加载器以使用distributedSampler在所有GPU之间高效地分配样本。Pytorch为此提供了torch.utils.data.Distributed.DistributedSampler。设置分布式后端以管理GPU的同步。torch.distributed.init_process_group（backend ='nccl'）。

pytorch提供了用于分布式通讯后端（nccl，gloo，mpi，tcp）。根据经验，一般情况下使用nccl可以通过GPU进行分布式训练，而使用gloo可以通过CPU进行分布式训练。在此处了解有关它们的更多信息https://pytorch.org/tutorials/intermediate/dist_tuto.html#advanced-topics

在每个GPU上启动单独的进程。同样使用torch.distributed.launch实用程序功能。假设我们在群集节点上有4个GPU，我们希望在这些GPU上用于设置分布式培训。可以使用以下shell命令来执行此操作。

python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 
--nnodes=1 --node_rank=0
--master_port=1234 train.py <OTHER TRAINING ARGS>

在设置启动脚本时，我们必须在将运行主进程并用于与其他GPU通信的节点上提供一个空闲端口（在这种情况下为1234）。

以下是涵盖所有步骤的完整PyTorch要点。

import argparse
import torch
from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from torch.utils.data import DataLoader

#prase the local_rank argument from command line for the current process
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--local_rank", default=0, type=int)
args = parser.parse_args()

#setup the distributed backend for managing the distributed training
torch.distributed.init_process_group('nccl')

#Setup the distributed sampler to split the dataset to each GPU.
dist_sampler = DistributedSampler(dataset)
dataloader = DataLoader(dataset, sampler=dist_sampler)

#set the cuda device to a GPU allocated to current process .
device = torch.device('cuda', args.local_rank)
model = model.to(device)
model = torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(model,  device_ids=[args.local_rank],
                                                          output_device=args.local_rank)

#Start training the model normally.
for inputs, labels in dataloader:
  inputs = inputs.to(device)
  labels = labels.to(device)

  preds = model(inputs)
  loss = loss_fn(preds, labels)
  loss.backward()
  optimizer.step()

请注意，上述实用程序调用是针对GPU集群上的单个节点的。此外，如果要使用多节点设置，则必须在选择启动实用程序时选择一个节点作为主节点，并提供master_addr参数，如下所示。假设我们有2个节点，每个节点有4个GPU，第一个IP地址为“ 192.168.1.1”的节点是主节点。我们必须分别在每个节点上启动启动脚本，如下所示。

在第一个节点上运行

python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 
--nnodes=1 --node_rank=0
--master_addr="192.168.1.1" --master_port=1234 train.py <OTHER TRAINING ARGS>

在第二个节点上，运行

python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 
--nnodes=1 --node_rank=1
--master_addr="192.168.1.1" --master_port=1234 train.py <OTHER TRAINING ARGS>

其他实用程序功能：

在评估模型或生成日志时，需要从所有GPU收集当前批次统计信息，例如损失，准确率等，并将它们在一台机器上进行整理以进行日志记录。PyTorch提供了以下方法，用于在所有GPU之间同步变量。

torch.distributed.gather（input_tensor，collect_list，dst）：从所有设备收集指定的input_tensor并将它们放置在collect_list中的dst设备上。
torch.distributed.all_gather（tensor_list，input_tensor）：从所有设备收集指定的input_tensor并将其放置在所有设备上的tensor_list变量中。
torch.distributed.reduce（input_tensor，dst，reduce_op = ReduceOp.SUM）：收集所有设备的input_tensor并使用指定的reduce操作（例如求和，均值等）进行缩减。最终结果放置在dst设备上。
torch.distributed.all_reduce（input_tensor，reduce_op = ReduceOp.SUM）：与reduce操作相同，但最终结果被复制到所有设备。

有关参数和方法的更多详细信息，请阅读torch.distributed软件包。https://pytorch.org/docs/stable/distributed.html

例如，以下代码从所有GPU提取损失值，并将其减少到主设备（cuda：0）。

#In continuation with distributedDataParallel.py abovedef get_reduced_loss(loss, dest_device):
  loss_tensor = loss.clone()
  torch.distributed.reduce(loss_tensor, dst=dest_device)
  return loss_tensorif args.local_rank==0:
  loss_tensor = get_reduced_loss(loss.detach(), 0)
  print(f'Current batch Loss = {loss_tensor.item()}'

优点：相同的代码设置可用于单个GPU，而无需任何代码更改。单个GPU设置仅需要具有适当设置的启动脚本。

缺点：BatchNorm之类的层在其计算中使用了整个批次统计信息，因此无法仅使用一部分批次在每个GPU上独立进行操作。PyTorch提供SyncBatchNorm作为BatchNorm的替换/包装模块，该模块使用跨GPU划分的整个批次计算批次统计信息。请参阅下面的示例代码以了解SyncBatchNorm的用法。

network = .... #some network with BatchNorm layers in itsync_bn_network = nn.SyncBatchNorm.convert_sync_batchnorm(network)
ddp_network = nn.parallel.DistributedDataParallel(
                                 sync_bn_network,
                                 device_ids=[args.local_rank],                output_device=args.local_rank)

总结

要在GPU之间拆分模型，请将模型拆分为sub_modules，然后将每个sub_module推送到单独的GPU。
要在GPU上拆分批次，请使用累积梯度nn.DataParallel或nn.DistributedDataParallel。
为了快速进行原型制作，可以首选nn.DataParallel。
为了训练大型模型并利用跨多个GPU的完全并行训练，应使用nn.DistributedDataParallel。
在使用nn.DistributedDataParallel时，用nn.SyncBatchNorm替换或包装nn.BatchNorm层。

作者：Nilesh Vijayrania

原文地址：https://nilesh0109.medium.com/distributed-neural-network-training-in-pytorch-5e766e2a9e62

deephub翻译组

标签：

Pytorch中的分布式神经网络训练

跨GPU的模型拆分

跨GPU的数据拆分

积累梯度

使用nn.DataParallel

使用DistributedDataParallel

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