详解如何使用Pytorch进行多卡训练

当一块GPU不够用时，我们就需要使用多卡进行并行训练。其中多卡并行可分为数据并行和模型并行。具体区别如下图所示：

由于模型并行比较少用，这里只对数据并行进行记录。对于pytorch，有两种方式可以进行数据并行：数据并行（DataParallel, DP）和分布式数据并行（DistributedDataParallel, DDP）。

在多卡训练的实现上，DP与DDP的思路是相似的：

1、每张卡都复制一个有相同参数的模型副本。

2、每次迭代，每张卡分别输入不同批次数据，分别计算梯度。

3、DP与DDP的主要不同在于接下来的多卡通信：

DP的多卡交互实现在一个进程之中，它将一张卡视为主卡，维护单独模型优化器。所有卡计算完梯度后，主卡汇聚其它卡的梯度进行平均并用优化器更新模型参数，再将模型参数更新至其它卡上。

DDP则分别为每张卡创建一个进程，每个进程相应的卡上都独立维护模型和优化器。在每次每张卡计算完梯度之后，进程之间以NCLL（NVIDIA GPU通信）为通信后端，使各卡获取其它卡的梯度。各卡对获取的梯度进行平均，然后执行后续的参数更新。由于每张卡上的模型与优化器参数在初始化时就保持一致，而每次迭代的平均梯度也保持一致，那么即使没有进行参数复制，所有卡的模型参数也是保持一致的。

Pytorch官方推荐我们使用DDP。DP经过我的实验，两块GPU甚至比一块还慢。当然不同模型可能有不同的结果。下面分别对DP和DDP进行记录。

1.DP

Pytorch的DP实现多GPU训练十分简单，只需在单GPU的基础上加一行代码即可。以下是一个DEMO的代码。

import torch
from torch import nn
from torch.optim import Adam
from torch.nn.parallel import DataParallel
class DEMO_model(nn.Module):
  def __init__(self, in_size, out_size):
    super().__init__()
    self.fc = nn.Linear(in_size, out_size)
  def forward(self, inp):
    outp = self.fc(inp)
    print(inp.shape, outp.device)
    return outp
model = DEMO_model(10, 5).to('cuda')
model = DataParallel(model, device_ids=[0, 1]) # 额外加这一行
adam = Adam(model.parameters())
# 进行训练
for i in range(1):
  x = torch.rand([128, 10]) # 获取训练数据，无需指定设备
  y = model(x) # 自动均匀划分数据批量并分配至各GPU，输出结果y会聚集到GPU0中
  loss = torch.norm(y)
  loss.backward()
  adam.step()

其中model = DataParallel(model, device_ids=[0, 1])这行将模型复制到0,1号GPU上。输入数据x无需指定设备，它将会被均匀分配至各块GPU模型，进行前向传播。之后各块GPU的输出再合并到GPU0中，得到输出y。输出y在GPU0中计算损失，并进行反向传播计算梯度、优化器更新参数。

2.DDP

为了对分布式编程有基本概念，首先使用pytorch内部的方法实现一个多进程程序，再使用DDP模块实现模型的分布式训练。

2.1Pytorch分布式基础

首先使用pytorch内部的方法编写一个多进程程序作为编写分布式训练的基础。

import os, torch
import torch.multiprocessing as mp
import torch.distributed as dist
def run(rank, size):
  tensor = torch.tensor([1,2,3,4], device='cuda:'+str(rank)) # ——1—— 
  group = dist.new_group(range(size)) # ——2——
  dist.all_reduce(tensor=tensor, group=group, op=dist.ReduceOp.SUM) # ——3——
  print(str(rank)+ ': ' + str(tensor) + '\n')
def ini_process(rank, size, fn, backend = 'nccl'):  
  os.environ['MASTER_ADDR'] = '127.0.0.1' # ——4——
  os.environ['MASTER_PORT'] = '1234'
  dist.init_process_group(backend, rank=rank, world_size=size) # ——5——
  fn(rank, size) # ——6——
if __name__ == '__main__': # ——7——
  mp.set_start_method('spawn') # ——8—— 
  size = 2 # ——9—— 
  ps = []  
  for rank in range(size):
    p = mp.Process(target=ini_process, args=(rank, size, run)) # ——10—— 
    p.start()  
    ps.append(p)
  for p in ps: # ——11—— 
    p.join()

以上代码主进程创建了两个子进程，子进程之间使用NCCL后端进行通信。每个子进程各占用一个GPU资源，实现了所有GPU张量求和的功能。细节注释如下：

1、为每个子进程定义相同名称的张量，并分别分配至不同的GPU，从而能进行后续的GPU间通信。

2、定义一个通信组，用于后面的all_reduce通信操作。

3、all_reduce操作以及其它通信方式请看下图：

4、定义编号(rank)为0的ip和端口地址，让每个子进程都知道。ip和端口地址可以随意定义，不冲突即可。如果不设置，子进程在涉及进程通信时会出错。

5、初始化子进程组，定义进程间的通信后端（还有GLOO、MPI，只有NCCL支持GPU间通信）、子进程rank、子进程数量。只有当该函数在size个进程中被调用时，各进程才会继续从这里执行下去。这个函数统一了各子进程后续代码的开始时间。

6、执行子进程代码。

7、由于创建子进程会执行本程序，因此主进程的执行需要放在__main__里，防止子进程执行。

8、开始创建子进程的方式：spawn、fork。windows默认spawn，linux默认fork。具体区别请百度。

9、由于是以NCCL为通信后端的分布式训练，如果不同进程中相同名称的张量在同一GPU上，当这个张量进行进程间通信时就会出错。为了防止出错，限制每张卡独占一个进程，每个进程独占一张卡。这里有两张卡，所以最多只能创建两个进程。

10、创建子进程，传入子进程的初始化方法，及子进程调用该方法的参数。

11、等待子进程全部运行完毕后再退出主进程。 

输出结果如下：

正是各进程保存在不同GPU上的张量的广播求和(all_reduce)的结果。

参考：https://pytorch.org/tutorials/intermediate/dist_tuto.html

2.2Pytorch分布式训练DEMO

我们实际上可以根据上面的分布式基础写一个分布式训练，但由于不知道pytorch如何实现GPU间模型梯度的求和，即官方教程中所谓的ring_reduce（没找到相关API），时间原因，就不再去搜索相关方法了。这里仅记录pytorh内部的分布式模型训练，即利用DDP模块实现。Pytorch版本1.12.1。

import torch,os
import torch.distributed as dist
import torch.multiprocessing as mp
import torch.optim as optim
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
from torch import nn
def example(rank, world_size):
    dist.init_process_group("nccl", rank=rank, world_size=world_size)  # ——1——
    model = nn.Linear(2, 1, False).to(rank) 
    if rank == 0: # ——2——
        model.load_state_dict(torch.load('model_weight')) 
    # model_stat = torch.load('model_weight', {'cuda:0':'cuda:%d'%rank})  #这样读取保险一点
    # model.load_state_dict(model_stat) 
    opt = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001) # ——3——
    opt_stat = torch.load('opt_weight', {'cuda:0':'cuda:%d'%rank}) # ——4——
    opt.load_state_dict(opt_stat) # ——5——
    ddp_model = DDP(model, device_ids=[rank])# ——6
    inp = torch.tensor([[1.,2]]).to(rank) # ——7——
    labels = torch.tensor([[5.]]).to(rank)
    outp = ddp_model(inp)
    loss = torch.mean((outp - labels)**2)
    opt.zero_grad()
    loss.backward() # ——8——
    opt.step() # ——9
    if rank == 0:# ——10——
        torch.save(model.state_dict(), 'model_weight')
        torch.save(opt.state_dict(), 'opt_weight')
if __name__=="__main__":
    os.environ["MASTER_ADDR"] = "localhost"# ——11——
    os.environ["MASTER_PORT"] = "29500"
    world_size = 2
    mp.spawn(example, args=(world_size,), nprocs=world_size, join=True) # ——12——

以上代码包含模型在多GPU上读取权重、进行分布式训练、保存权重等过程。细节注释如下：

1、初始化进程组，由于使用GPU通信，后端应该写为NCCL。不过经过实验，即使错写为gloo，DDP内部也会自动使用NCCL作为通信模块。

2、由于后面使用DDP包裹模型进行训练，其内部会自动将所有rank的模型权重同步为rank 0的权重，因此我们只需在rank 0上读取模型权重即可。这是基于Pytorch版本1.12.1，低级版本似乎没有这个特性，需要在不同rank分别导入权重，则load需要传入map_location，如下面注释的两行代码所示。

3、这里创建model的优化器，而不是创建用ddp包裹后的ddp_model的优化器，是为了兼容单GPU训练，读取优化器权重更方便。

4、将优化器权重读取至该进程占用的GPU。如果没有map_location参数，load会将权重读取到原本保存它时的设备。

5、优化器获取权重。经过实验，即使权重不在优化器所在的GPU，权重也会迁移过去而不会报错。当然load直接读取到相应GPU会减少数据传输。

6、DDP包裹模型，为模型复制一个副本到相应GPU中。所有rank的模型副本会与rank 0保持一致。注意，DDP并不复制模型优化器的副本，因此各进程的优化器需要我们在初始化时保持一致。权重要么不读取，要么都读取。

7、这里开始模型的训练。数据需转移到相应的GPU设备。

8、在backward中，所有进程的模型计算梯度后，会进行平均（不是相加）。也就是说，DDP在backward函数添加了hook，所有进程的模型梯度的ring_reduce将在这里执行。这个可以通过给各进程模型分别输入不同的数据进行验证，backward后这些模型有相同的梯度，且验算的确是所有进程梯度的平均。此外，还可以验证backward函数会阻断(block)各进程使用梯度，只有当所有进程都完成backward之后，各进程才能读取和使用梯度。这保证了所有进程在梯度上的一致性。

9、各进程优化器使用梯度更新其模型副本权重。由于初始化时各进程模型、优化器权重一致，每次反向传播梯度也保持一致，则所有进程的模型在整个训练过程中都能保持一致。

10、由于所有进程权重保持一致，我们只需通过一个进程保存即可。

11、定义rank 0的IP和端口，使用mp.spawn，只需在主进程中定义即可，无需分别在子进程中定义。

12、创建子进程，传入：子进程调用的函数（该函数第一个参数必须是rank）、子进程函数的参数（除了rank参数外）、子进程数、是否等待所有子进程创建完毕再开始执行。

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