- 近年来,深度学习模型的规模越来越大,需要处理的数据也越来越多,单卡训练的显存空间和计算效率都越来越难以满足需求。因此,多卡并行训练成为了一个必要的解决方案
- 本文主要介绍使用 Pytorch 的
DistributedDataParallel
(DDP)库进行分布式数据并行训练的方法
文章目录
- 1. 多卡并行简介
- 1.1 两种并行形式
- 1.2 Pytorch 中的多卡并行
- 2. 使用 DDP 进行单机多卡训练
- 2.1 原理概述
- 2.2 使用 DDP 改写单卡训练代码
1. 多卡并行简介
- 多卡并行训练主要用于解决以下几个问题:
- 相同 batch size 下加速训练:多卡并行可以将数据分为多份同时在不同的GPU上运行,从而大大加快训练速度
- 相同速度下使用更大的 batch size:多卡并行可以在多个GPU之间共享显存,允许我们设置更大的 batch size
- 增加可训练的模型规模:有些模型参数多到单卡训练无法承受,而多卡并行可以将模型放入多个GPU中,从而扩充可训练模型的规模
1.1 两种并行形式
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多卡并行训练有数据并行和模型并行两种形式
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数据并行
:每个GPU都保存一个模型副本,训练数据划分成多份交给各个GPU计算梯度,然后汇总梯度更新模型参数。根据梯度汇总的方式,数据并行又可以分成Parameter Server
和Ring All-Reduce
两种,前者使用一个 master GPU 汇总梯度更新参数,再将参数分发给各个模型;后者以环的形式互相传递梯度,每个GPU都维护一个优化器,各自汇总梯度并自行更新模型参数。Ring All-Reduce 方案能更高效地利用所有卡的上下行带宽,是目前的主流方案
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模型并行
:将模型切分成多个部分放在不同的GPU上并行运行,每个GPU负责处理一部分模型参数,并将处理后的结果发送到其它GPU进行合并,从而实现整体模型的更新。这种操作目前并不常见,一是因为大部分模型单卡都放得下,二是因为通讯开销比数据并行多。根据模型切分方式,模型并行也可以分成Pipelined Parallelism
和Tensor Slicing
两种,前者将模型的各个层放到不同的 GPU 上运行,这种做法比较通用,但是效率不高;后者针对模型中各种模块(attention、FFN 等)的张量计算操作进行拆解,把 tensor 计算分块分散到不同的机器上进行并行,效率较高但是通用性差
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关于各种并行方法的详细说明可以参考:分布式训练、混合精度训练、梯度累加…一文带你优雅地训练大型模型
1.2 Pytorch 中的多卡并行
- 随着各种深度学习框架的日趋完善,很多并行方法已经被整合其中,这让实现多卡并行加速训练变得相对简单。Pytorch 中提供了 DP(DataParallel) 和 DDP(DistributedDataParallel) 两种数据并行方法,它们的性能对比如下
红色柱子是 DP,绿色柱子是 DDP,蓝色柱子是 DDP + Apex 混合精度训练。注意到 DDP 的表现大幅优于 DP,这是因为- DP 使用 Parameter Server 方式汇聚梯度并更新参数,主卡计算负载和通信带宽需求相比其他卡都显著高,导致主卡的计算能力和上下行带宽成为性能瓶颈;
- DDP 使用更高效的 Ring All-Reduce 方案,基本实现了 “使用几块GPU就是几倍加速” 的效果
- 接下来本文会介绍使用 DDP 进行多卡加速的具体做法,参考自:Pytorch 官方教程
2. 使用 DDP 进行单机多卡训练
2.1 原理概述
- DDP 会在每个 GPU 上运行一个进程,每个进程中都有一套完全相同的 Trainer 副本(包括 model 和 optimizer),各个进程之间通过一个进程池进行通信。这里有几个术语
node
:多机多卡运行时,每个机器称为一个 “node”,其中每一张卡都可以运行一个并行进程world size
:所有并行进程的总数,各个 node 上并行的GPU总数rank
:所有 node 的所有进程中,各个进程的标识符号,是从0开始计数的整数local rank
:当前 node 的所有进程中,各个进程的标识符号,是从0开始计数的整数group
:所有并行的进程组成一个 group(进程池),只有组内的进程间才可以相互通信
2.2 使用 DDP 改写单卡训练代码
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考虑如何将以下单机单卡代码改为 DDP 单机多卡运行
# 单 GPU 训练示例 import torch import torch.nn.functional as F from torch.utils.data import Dataset, DataLoader class Trainer: def __init__( self, model: torch.nn.Module, train_data: DataLoader, optimizer: torch.optim.Optimizer, gpu_id: int, save_every: int, ) -> None: self.gpu_id = gpu_id self.model = model.to(gpu_id) self.train_data = train_data self.optimizer = optimizer self.save_every = save_every def _run_batch(self, source, targets): self.optimizer.zero_grad() output = self.model(source) loss = F.cross_entropy(output, targets) loss.backward() self.optimizer.step() def _run_epoch(self, epoch): b_sz = len(next(iter(self.train_data))[0]) print(f"[GPU{self.gpu_id}] Epoch {epoch} | Batchsize: {b_sz} | Steps: {len(self.train_data)}") for source, targets in self.train_data: source = source.to(self.gpu_id) targets = targets.to(self.gpu_id) self._run_batch(source, targets) def _save_checkpoint(self, epoch): ckp = self.model.state_dict() PATH = "checkpoint.pt" torch.save(ckp, PATH) print(f"Epoch {epoch} | Training checkpoint saved at {PATH}") def train(self, max_epochs: int): for epoch in range(max_epochs): self._run_epoch(epoch) if epoch % self.save_every == 0: self._save_checkpoint(epoch) class MyTrainDataset(Dataset): def __init__(self, size): self.size = size self.data = [(torch.rand(20), torch.rand(1)) for _ in range(size)] def __len__(self): return self.size def __getitem__(self, index): return self.data[index] def load_train_objs(): train_set = MyTrainDataset(2048) # load your dataset model = torch.nn.Linear(20, 1) # load your model optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3) return train_set, model, optimizer def prepare_dataloader(dataset: Dataset, batch_size: int): return DataLoader( dataset, batch_size=batch_size, pin_memory=True, shuffle=True ) def main(device, total_epochs, save_every, batch_size): dataset, model, optimizer = load_train_objs() train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size) trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, device, save_every) trainer.train(total_epochs) if __name__ == "__main__": import argparse parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job') parser.add_argument('--total-epochs', type=int, default=50, help='Total epochs to train the model') parser.add_argument('--save-every', type=int, default=10, help='How often to save a snapshot') parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)') args = parser.parse_args() device = 0 # shorthand for cuda:0 main(device, args.total_epochs, args.save_every, args.batch_size)
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将单卡训练代码改写为 DDP 并行的要点如下
- 引入 DDP 相关库
# 使用 DistributedDataParallel 进行单机多卡训练 import torch import torch.nn.functional as F from torch.utils.data import Dataset, DataLoader import os # 对 python 多进程的一个 pytorch 包装,用于后续分发进程 import torch.multiprocessing as mp # 这个 sampler 可以把采样的数据分散到各个 CPU 上 from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler # 实现分布式数据并行的核心类 from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP # 各个进程之间通过一个进程池进行通信,这两个方法来初始化和销毁进程池 from torch.distributed import init_process_group, destroy_process_group
- 在程序入口初始化进程池;在程序出口销毁进程池
def main(rank: int, world_size: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int): # 初始化进程池 ddp_setup(rank, world_size) # 进行训练 dataset, model, optimizer = load_train_objs() train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size) trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, rank, save_every) trainer.train(total_epochs) # 销毁进程池 destroy_process_group()
- 使用
DistributedDataParallel
包装模型,这样模型才能在各个进程间同步参数
包装后 model 变成了一个 DDP 对象,要访问其参数得这样写self.model = DDP(model, device_ids=[gpu_id]) # model 要用 DDP 包装一下
self.model.module.state_dict()
- 构造 Dataloader 时使用
DistributedSampler
作为 sampler,这个采样器可以自动将数量为 batch_size 的数据分发到各个GPU上,并保证数据不重叠
注意需要在各 epoch 入口调用该 sampler 对象的def prepare_dataloader(dataset: Dataset, batch_size: int): return DataLoader( dataset, batch_size=batch_size, pin_memory=True, shuffle=False, # 设置了新的 sampler,参数 shuffle 要设置为 False sampler=DistributedSampler(dataset) # 这个 sampler 自动将数据分块后送个各个 GPU,它能避免数据重叠 )
set_epoch()
方法,否则每个 epoch 加载的样本顺序都不变 - 运行过程中单独控制某个进程进行某些操作,比如要想保存 ckpt,由于每张卡里都有完整的模型参数,所以只需要控制一个进程保存即可。需要注意的是:使用 DDP 改写的代码会在每个 GPU 上各自运行,因此需要在程序中获取当前 GPU 的 rank(gpu_id),这样才能对针对性地控制各个 GPU 的行为
if self.gpu_id == 0 and epoch % self.save_every == 0: self._save_checkpoint(epoch)
- 使用
torch.multiprocessing.spawn
方法将代码分发到各个 GPU 的进程中执行# 利用 mp.spawn,在整个 distribution group 的 nprocs 个 GPU 上生成进程来执行 fn 方法,并能设置要传入 fn 的参数 args # 注意不需要传入 fn 的 rank 参数,它由 mp.spawn 自动分配 world_size = torch.cuda.device_count() mp.spawn( fn=main, args=(world_size, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size), nprocs=world_size )
- 引入 DDP 相关库
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完整的修改版代码如下,请参考注释自行对比
# 使用 DistributedDataParallel 进行单机多卡训练 import torch import torch.nn.functional as F from torch.utils.data import Dataset, DataLoader import os # 对 python 多进程的一个 pytorch 包装 import torch.multiprocessing as mp # 这个 sampler 可以把采样的数据分散到各个 CPU 上 from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler # 实现分布式数据并行的核心类 from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP # DDP 在每个 GPU 上运行一个进程,其中都有一套完全相同的 Trainer 副本(包括model和optimizer) # 各个进程之间通过一个进程池进行通信,这两个方法来初始化和销毁进程池 from torch.distributed import init_process_group, destroy_process_group def ddp_setup(rank, world_size): """ setup the distribution process group Args: rank: Unique identifier of each process world_size: Total number of processes """ # MASTER Node(运行 rank0 进程,多机多卡时的主机)用来协调各个 Node 的所有进程之间的通信 os.environ["MASTER_ADDR"] = "localhost" # 由于这里是单机实验所以直接写 localhost os.environ["MASTER_PORT"] = "12355" # 任意空闲端口 init_process_group( backend="nccl", # Nvidia CUDA CPU 用这个 "nccl" rank=rank, world_size=world_size ) torch.cuda.set_device(rank) class Trainer: def __init__( self, model: torch.nn.Module, train_data: DataLoader, optimizer: torch.optim.Optimizer, gpu_id: int, save_every: int, ) -> None: self.gpu_id = gpu_id self.model = model.to(gpu_id) self.train_data = train_data self.optimizer = optimizer self.save_every = save_every # 指定保存 ckpt 的周期 self.model = DDP(model, device_ids=[gpu_id]) # model 要用 DDP 包装一下 def _run_batch(self, source, targets): self.optimizer.zero_grad() output = self.model(source) loss = F.cross_entropy(output, targets) loss.backward() self.optimizer.step() def _run_epoch(self, epoch): b_sz = len(next(iter(self.train_data))[0]) print(f"[GPU{self.gpu_id}] Epoch {epoch} | Batchsize: {b_sz} | Steps: {len(self.train_data)}") self.train_data.sampler.set_epoch(epoch) # 在各个 epoch 入口调用 DistributedSampler 的 set_epoch 方法是很重要的,这样才能打乱每个 epoch 的样本顺序 for source, targets in self.train_data: source = source.to(self.gpu_id) targets = targets.to(self.gpu_id) self._run_batch(source, targets) def _save_checkpoint(self, epoch): ckp = self.model.module.state_dict() # 由于多了一层 DDP 包装,通过 .module 获取原始参数 PATH = "checkpoint.pt" torch.save(ckp, PATH) print(f"Epoch {epoch} | Training checkpoint saved at {PATH}") def train(self, max_epochs: int): for epoch in range(max_epochs): self._run_epoch(epoch) # 各个 GPU 上都在跑一样的训练进程,这里指定 rank0 进程保存 ckpt 以免重复保存 if self.gpu_id == 0 and epoch % self.save_every == 0: self._save_checkpoint(epoch) class MyTrainDataset(Dataset): def __init__(self, size): self.size = size self.data = [(torch.rand(20), torch.rand(1)) for _ in range(size)] def __len__(self): return self.size def __getitem__(self, index): return self.data[index] def load_train_objs(): train_set = MyTrainDataset(2048) # load your dataset model = torch.nn.Linear(20, 1) # load your model optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3) return train_set, model, optimizer def prepare_dataloader(dataset: Dataset, batch_size: int): return DataLoader( dataset, batch_size=batch_size, pin_memory=True, shuffle=False, # 设置了新的 sampler,参数 shuffle 要设置为 False sampler=DistributedSampler(dataset) # 这个 sampler 自动将数据分块后送个各个 GPU,它能避免数据重叠 ) def main(rank: int, world_size: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int): # 初始化进程池 ddp_setup(rank, world_size) # 进行训练 dataset, model, optimizer = load_train_objs() train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size) trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, rank, save_every) trainer.train(total_epochs) # 销毁进程池 destroy_process_group() if __name__ == "__main__": import argparse parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job') parser.add_argument('--total-epochs', type=int, default=50, help='Total epochs to train the model') parser.add_argument('--save-every', type=int, default=10, help='How often to save a snapshot') parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)') args = parser.parse_args() world_size = torch.cuda.device_count() # 利用 mp.spawn,在整个 distribution group 的 nprocs 个 GPU 上生成进程来执行 fn 方法,并能设置要传入 fn 的参数 args # 注意不需要 fn 的 rank 参数,它由 mp.spawn 自动分配 mp.spawn( fn=main, args=(world_size, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size), nprocs=world_size )