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Collective通信操作及Pytorch示例

​ 大模型时代，单机已经无法完成先进模型的训练和推理，分布式训练和推理将会是必然的选择。各类分布式训练和推断工具都会使用到Collective通信。网络上大多数的教程仅简单介绍这些操作的原理，没有代码示例来辅助理解。本文会介绍各类Collective通信操作，并展示pytorch中如何使用。

一、Collective通信操作

1. AllReduce

​ 将各个显卡的张量进行聚合(sum、min、max)后，再将结果写回至各个显卡。

2. Broadcast

​ 将张量从某张卡广播至所有卡。

3. Reduce

​ 执行同AllReduce相同的操作，但结果仅写入具有的某个显卡。

4. AllGather

​ 每个显卡上有一个大小为N的张量，共有k个显卡。经过AllGather后将所有显卡上的张量合并为一个$N\times k$的张量，然后将结果分配至所有显卡上。

5. ReduceScatter

​ 执行Reduce相同的操作，但是结果会被分散至不同的显卡。

二、Pytorch示例

​ pytorch的分布式包torch.distributed能够方便的实现跨进程和跨机器集群的并行计算。本文代码运行在单机双卡服务器上，并基于下面的模板来执行不同的分布式操作。

import os
import torch
import torch.distributed as dist
import torch.multiprocessing as mp

def init_process(rank, size, fn, backend='nccl'):
    """
    为每个进程初始化分布式环境，保证相互之间可以通信，并调用函数fn。
    """
    os.environ['MASTER_ADDR'] = '127.0.0.1'
    os.environ['MASTER_PORT'] = '29500'
    dist.init_process_group(backend, rank=rank, world_size=size)
    fn(rank, size)
    
    
def run(world_size, func):
    """
    启动world_size个进程，并执行函数func。
    """
    processes = []
    mp.set_start_method("spawn")
    for rank in range(world_size):
        p = mp.Process(target=init_process, args=(rank, world_size, func))
        p.start()
        processes.append(p)

    for p in processes:
        p.join()
        
if __name__ == "__main__":
    run(2, func) # 这里的func随后会被替换为不同的分布式示例函数
    pass

​ 先对上面的模板做一些简单的介绍。

• 函数run会根据传入的参数world_size，生成对应数量的进程。每个进程都会调用init_process来初始化分布式环境，并调用传入的分布式示例函数。
• torch.distributed.init_process_group()，该方法负责各进程之间的初始协调，保证各进程都会与master进行握手。该方法在调用完成之前会一直阻塞，并且后续的所有操作都必须在该操作之后。调用该方法时需要初始化下面的4个环境变量：
  • MASTER_PORT：rank 0进程所在机器上的空闲端口；
  • MASTER_ADDR：rank 0进程所在机器上的IP地址；
  • WORLD_SIZE：进程总数；
  • RANK：每个进程的RANK，所以每个进程知道其是否是master；

1. 点对点通信

​ 在介绍其他collective通信之前，先看一个简单的点对点通信实现。

def p2p_block_func(rank, size):
    """
    将rank src上的tensor发送至rank dst(阻塞)。
    """
    src = 0
    dst = 1
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    # 对于rank src，该tensor用于发送
    # 对于rank dst，该tensor用于接收
    tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank))
    if rank == src:
        tensor += 1
        # 发送tensor([1.])
        # group指定了该操作所见进程的范围，默认情况下是整个world
        dist.send(tensor=tensor, dst=1, group=group)
    elif rank == dst:
        # rank dst的tensor初始化为tensor([0.])，但接收后为tensor([1.])
        dist.recv(tensor=tensor, src=0, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, p2p_block_func)

​ p2p_block_func实现从rank 0发送一个tensor([1.0])至rank 1，该操作在发送完成/接收完成之前都会阻塞。

​ 下面是一个不阻塞的版本：

def p2p_unblock_func(rank, size):
    """
    将rank src上的tensor发送至rank dst(非阻塞)。
    """
    src = 0
    dst = 1
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank))
    if rank == src:
        tensor += 1
        # 非阻塞发送
        req = dist.isend(tensor=tensor, dst=dst, group=group)
        print("Rank 0 started sending")
    elif rank == dst:
        # 非阻塞接收
        req = dist.irecv(tensor=tensor, src=src, group=group)
        print("Rank 1 started receiving")
    req.wait()
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, p2p_unblock_func)

​ p2p_unblock_func是非阻塞版本的点对点通信。使用非阻塞方法时，因为不知道数据何时送达，所以在req.wait()完成之前不要对发送/接收的tensor进行任何操作。

2. Broadcast

def broadcast_func(rank, size):
    src = 0
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    if rank == src:
        # 对于rank src，初始化tensor([1.])
        tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank)) + 1
    else:
        # 对于非rank src，初始化tensor([0.])
        tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank))
    # 对于rank src，broadcast是发送；否则，则是接收
    dist.broadcast(tensor=tensor, src=0, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, broadcast_func)

​ broadcast_func会将rank 0上的tensor([1.])广播至所有的rank上。

3. Reduce与Allreduce

def reduce_func(rank, size):
    dst = 1
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    tensor = torch.ones(1).to(torch.device("cuda", rank))
    # 对于所有rank都会发送, 但仅有dst会接收求和的结果
    dist.reduce(tensor, dst=dst, op=dist.ReduceOp.SUM, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, reduce_func)

​ reduce_func会对group中所有rank的tensor进行聚合，并将结果发送至rank dst。

def allreduce_func(rank, size):
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    tensor = torch.ones(1).to(torch.device("cuda", rank))
    # tensor即用来发送，也用来接收
    dist.all_reduce(tensor, op=dist.ReduceOp.SUM, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, allreduce_func)

​ allreduce_func将group中所有rank的tensor进行聚合，并将结果发送至group中的所有rank。

4. Gather与Allgather

def gather_func(rank, size):
    dst = 1
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    # 该tensor用于发送
    tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank)) + rank
    gather_list = []
    if rank == dst:
        # gather_list中的tensor数量应该是size个，用于接收其他rank发送来的tensor
        gather_list = [torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", dst)) for _ in range(size)]
        # 仅在rank dst上需要指定gather_list
        dist.gather(tensor, gather_list=gather_list, dst=dst, group=group)
    else:
        # 非rank dst，相当于发送tensor
        dist.gather(tensor, dst=dst, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', gather_list)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, gather_func)

​ gather_func从group中所有rank上收集tensor，并发送至rank dst。(相当于不进行聚合操作的reduce)

def allgather_func(rank, size):
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    # 该tensor用于发送
    tensor = torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank)) + rank
    # gether_list用于接收各个rank发送来的tensor
    gather_list = [torch.zeros(1).to(torch.device("cuda", rank)) for _ in range(size)]
    dist.all_gather(gather_list, tensor, group=group)
    # 各个rank的gather_list均一致
    print('Rank ', rank, ' has data ', gather_list)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, allgather_func)

​ allgather_func从group中所有rank上收集tensor，并将收集到的tensor发送至所有group中的rank。

5. Scatter与ReduceScatter

def scatter_func(rank, size):
    src = 0
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    # 各个rank用于接收的tensor
    tensor = torch.empty(1).to(torch.device("cuda", rank))
    if rank == src:
        # 在rank src上，将tensor_list中的tensor分发至不同的rank上
        # tensor_list：[tensor([1.]), tensor([2.])]
        tensor_list = [torch.tensor([i + 1], dtype=torch.float32).to(torch.device("cuda", rank)) for i in range(size)]
        # 将tensor_list发送至各个rank
        # 接收属于rank src的那部分tensor
        dist.scatter(tensor, scatter_list=tensor_list, src=0, group=group)
    else:
        # 接收属于对应rank的tensor
        dist.scatter(tensor, scatter_list=[], src=0, group=group)
    # 每个rank都拥有tensor_list中的一部分tensor
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, scatter_func)

​ scatter_func会将rank src中的一组tensor逐个分发至其他rank上，每个rank持有的tensor不同。

def reduce_scatter_func(rank, size):
    group = dist.new_group(list(range(size)))
    # 用于接收的tensor
    tensor = torch.empty(1).to(torch.device("cuda", rank))
    # 用于发送的tensor列表
    # 对于每个rank，有tensor_list=[tensor([0.]), tensor([1.])]
    tensor_list = [torch.Tensor([i]).to(torch.device("cuda", rank)) for i in range(size)]
    # step1. 经过reduce的操作会得到tensor列表[tensor([0.]), tensor([2.])]
    # step2. tensor列表[tensor([0.]), tensor([2.])]分发至各个rank
    # rank 0得到tensor([0.])，rank 1得到tensor([2.])
    dist.reduce_scatter(tensor, tensor_list, op=dist.ReduceOp.SUM, group=group)
    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor)
    
if __name__ == "__main__":
    run(2, reduce_scatter_func)

参考资料

https://docs.nvidia.com/deeplearning/nccl/user-guide/docs/usage/collectives.html

https://pytorch.org/tutorials/intermediate/dist_tuto.html#collective-communication

https://pytorch.org/docs/stable/distributed.html#collective-functions