PyTorch 源碼解讀之分布式訓(xùn)練了解一下？

0 前言

由于大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)的廣泛普及，超大型深度學(xué)習(xí)模型的提出，聯(lián)邦學(xué)習(xí)等分布式學(xué)習(xí)方法的快速發(fā)展，分布式機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練與部署技術(shù)已經(jīng)日益成為研究者和開(kāi)發(fā)者的必備技術(shù)。PyTorch 作為應(yīng)用最為廣泛的深度學(xué)習(xí)框架，也發(fā)展出了一套分布式學(xué)習(xí)的解決方法。本文由淺入深講解 torch.distributed 這一并行計(jì)算包的概念，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和應(yīng)用方式，并帶大家快速入門(mén) PyTorch 分布式訓(xùn)練。

1 Torch.distributed 概念與定義

定義：首先我們提供 Torch.distributed 的官方定義

• torch.distributed 包為運(yùn)行在一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器上的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的 PyTorch 提供支持多進(jìn)程并行性通信的原語(yǔ)。他能輕松地并行化在跨進(jìn)程和機(jī)器集群的計(jì)算。
• torch.nn.parallel.DistributedDataParalle(DDP) 是建立在此功能的基礎(chǔ)上，以提供同步的分布式訓(xùn)練作為任何 PyTorch 模型的包裝器。

可以注意到的是，torch.distributed 的核心功能是進(jìn)行多進(jìn)程級(jí)別的通信（而非多線(xiàn)程），以此達(dá)到多卡多機(jī)分布式訓(xùn)練的目的。這與基于 DataParrallel 的多線(xiàn)程訓(xùn)練有明顯區(qū)別。

通信方式：torch.distributed 的底層通信主要使用 Collective Communication (c10d) library 來(lái)支持跨組內(nèi)的進(jìn)程發(fā)送張量，并主要支持兩種類(lèi)型的通信 API：

• collective communication APIs: Distributed Data-Parallel Training (DDP)
• P2P communication APIs: RPC-Based Distributed Training (RPC)

這兩種通信 API 在 PyTorch 中分別對(duì)應(yīng)了兩種分布式訓(xùn)練方式：Distributed Data-Parallel Training (DDP) 和 RPC-Based Distributed Training (RPC)。本文著重探討 Distributed Data-Parallel Training (DDP) 的通信方式和 API

基礎(chǔ)概念： 下面介紹一些 torch.distributed 中的關(guān)鍵概念以供參考。這些概念在編寫(xiě)程序時(shí)至關(guān)重要

• Group（進(jìn)程組）是我們所有進(jìn)程的子集。
• Backend（后端）進(jìn)程通信庫(kù)。PyTorch 支持 NCCL，GLOO，MPI。本文不展開(kāi)講幾種通信后端的區(qū)別，感興趣的同學(xué)可以參考官方文檔
• world_size（世界大小）在進(jìn)程組中的進(jìn)程數(shù)。
• Rank（秩）分配給分布式進(jìn)程組中每個(gè)進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)符。它們始終是從 0 到 world_size 的連續(xù)整數(shù)。

2 Torch.distributed 實(shí)例

例子 1：初始化

"""run.py:"""#!/usr/bin/env pythonimport osimport torchimport torch.distributed as distfrom torch.multiprocessing import Process
def run(rank, size):    """ Distributed function to be implemented later. """    pass
def init_process(rank, size, fn, backend='gloo'):    """ Initialize the distributed environment. """    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)
if __name__ == "__main__":    size = 2    processes = []    for rank in range(size):        p = Process(target=init_process, args=(rank, size, run))        p.start()        processes.append(p)
    for p in processes:        p.join()

本段程序執(zhí)行了下面三件事

1. 創(chuàng)建了兩個(gè)進(jìn)程
2. 分別加入一個(gè)進(jìn)程組
3. 分別運(yùn)行 run 函數(shù)。此時(shí) run 是一個(gè)空白函數(shù)，之后的例子會(huì)擴(kuò)充這個(gè)函數(shù)的內(nèi)容并在函數(shù)內(nèi)完成多進(jìn)程的通信操作。

例子 2：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

最簡(jiǎn)單的多進(jìn)程通信方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。信息從一個(gè)進(jìn)程被發(fā)送到另一個(gè)進(jìn)程。

def run(rank, size):    tensor = torch.zeros(1)    if rank == 0:        tensor += 1        # Send the tensor to process 1        dist.send(tensor=tensor, dst=1)    else:        # Receive tensor from process 0        dist.recv(tensor=tensor, src=0)    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor[0])

在上面的示例中，兩個(gè)進(jìn)程都從 tensor(0) 開(kāi)始，然后進(jìn)程 0 遞增張量并將其發(fā)送到進(jìn)程 1，以便它們都以 tensor(1) 結(jié)尾。請(qǐng)注意，進(jìn)程 1 需要分配內(nèi)存以存儲(chǔ)它將接收的數(shù)據(jù)。

另請(qǐng)注意，send / recv 被阻塞：兩個(gè)過(guò)程都停止，直到通信完成。我們還有另外一種無(wú)阻塞的通信方式，請(qǐng)看下例

"""Non-blocking point-to-point communication."""
def run(rank, size):    tensor = torch.zeros(1)    req = None    if rank == 0:        tensor += 1        # Send the tensor to process 1        req = dist.isend(tensor=tensor, dst=1)        print('Rank 0 started sending')    else:        # Receive tensor from process 0        req = dist.irecv(tensor=tensor, src=0)        print('Rank 1 started receiving')    req.wait()    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor[0])

我們通過(guò)調(diào)用 wait 函數(shù)以使自己在子進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中保持休眠狀態(tài)。由于我們不知道何時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給其他進(jìn)程，因此在 req.wait() 完成之前，我們既不應(yīng)該修改發(fā)送的張量也不應(yīng)該訪(fǎng)問(wèn)接收的張量以防止不確定的寫(xiě)入。

例子 3：進(jìn)程組間通信

與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信相反，集合允許跨組中所有進(jìn)程的通信模式。例如，為了獲得所有過(guò)程中所有張量的總和，我們可以使用 dist.all_reduce(tensor, op, group) 函數(shù)進(jìn)行組間通信

""" All-Reduce example."""def run(rank, size):    """ Simple point-to-point communication. """    group = dist.new_group([0, 1])    tensor = torch.ones(1)    dist.all_reduce(tensor, op=dist.reduce_op.SUM, group=group)    print('Rank ', rank, ' has data ', tensor[0])

這段代碼首先將進(jìn)程 0 和 1 組成進(jìn)程組，然后將各自進(jìn)程中 tensor(1) 相加。由于我們需要組中所有張量的總和，因此我們將 dist.reduce_op.SUM 用作化簡(jiǎn)運(yùn)算符。一般來(lái)說(shuō)，任何可交換的數(shù)學(xué)運(yùn)算都可以用作運(yùn)算符。PyTorch 開(kāi)箱即用，帶有 4 個(gè)這樣的運(yùn)算符，它們都在元素級(jí)運(yùn)行：

• dist.reduce_op.SUM
• dist.reduce_op.PRODUCT
• dist.reduce_op.MAX
• dist.reduce_op.MIN

除了 dist.all_reduce(tensor, op, group) 之外，PyTorch 中目前共有 6 種組間通信方式

distributed.scatter(tensor, scatter_list=None, src=0, group=None, async_op=False)：將張量 scatter_list[i] 復(fù)制第 i 個(gè)進(jìn)程的過(guò)程。例如，在實(shí)現(xiàn)分布式訓(xùn)練時(shí)，我們將數(shù)據(jù)分成四份并分別發(fā)送到不同的機(jī)子上計(jì)算梯度。scatter 函數(shù)可以用來(lái)將信息從 src 進(jìn)程發(fā)送到其他進(jìn)程上。

distributed.gather(tensor, gather_list=None, dst=0, group=None, async_op=False)：從 dst 中的所有進(jìn)程復(fù)制 tensor。例如，在實(shí)現(xiàn)分布式訓(xùn)練時(shí)，不同進(jìn)程計(jì)算得到的梯度需要匯總到一個(gè)進(jìn)程，并計(jì)算平均值以獲得統(tǒng)一的梯度。gather 函數(shù)可以將信息從別的進(jìn)程匯總到 dst 進(jìn)程。

distributed.reduce(tensor, dst, op, group)：將 op 應(yīng)用于所有 tensor，并將結(jié)果存儲(chǔ)在 dst 中。

distributed.all_reduce(tensor, op, group)：與 reduce 相同，但是結(jié)果存儲(chǔ)在所有進(jìn)程中。

distributed.broadcast(tensor, src, group)：將tensor從src復(fù)制到所有其他進(jìn)程。

distributed.all_gather(tensor_list, tensor, group)：將所有進(jìn)程中的 tensor 從所有進(jìn)程復(fù)制到 tensor_list

例子 4：分布式梯度下降

分布式梯度下降腳本將允許所有進(jìn)程在其數(shù)據(jù) batch 上計(jì)算其模型的梯度，然后平均其梯度。為了在更改進(jìn)程數(shù)時(shí)確保相似的收斂結(jié)果，我們首先必須對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分區(qū)。

""" Dataset partitioning helper """class Partition(object):
    def __init__(self, data, index):        self.data = data        self.index = index
    def __len__(self):        return len(self.index)
    def __getitem__(self, index):        data_idx = self.index[index]        return self.data[data_idx]
class DataPartitioner(object):
    def __init__(self, data, sizes=[0.7, 0.2, 0.1], seed=1234):        self.data = data        self.partitions = []        rng = Random()        rng.seed(seed)        data_len = len(data)        indexes = [x for x in range(0, data_len)]        rng.shuffle(indexes)
        for frac in sizes:            part_len = int(frac * data_len)            self.partitions.append(indexes[0:part_len])            indexes = indexes[part_len:]
    def use(self, partition):        return Partition(self.data, self.partitions[partition])

使用上面的代碼片段，我們現(xiàn)在可以使用以下幾行簡(jiǎn)單地對(duì)任何數(shù)據(jù)集進(jìn)行分區(qū)

""" Partitioning MNIST """def partition_dataset():    dataset = datasets.MNIST('./data', train=True, download=True,                             transform=transforms.Compose([                                 transforms.ToTensor(),                                 transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))                             ]))    size = dist.get_world_size()    bsz = 128 / float(size)    partition_sizes = [1.0 / size for _ in range(size)]    partition = DataPartitioner(dataset, partition_sizes)    partition = partition.use(dist.get_rank())    train_set = torch.utils.data.DataLoader(partition,                                         batch_size=bsz,                                         shuffle=True)    return train_set, bsz

假設(shè)我們有 2 個(gè)進(jìn)程，則每個(gè)進(jìn)程的 train_set 為 60000/2 = 30000 個(gè)樣本。我們還將 batch 大小除以進(jìn)程數(shù)，以使整體 batch 大小保持為 128。

現(xiàn)在，我們可以編寫(xiě)通常的向前-向后優(yōu)化訓(xùn)練代碼，并添加一個(gè)函數(shù)調(diào)用以平均模型的梯度。

""" Distributed Synchronous SGD Example """def run(rank, size):    torch.manual_seed(1234)    train_set, bsz = partition_dataset()    model = Net()    optimizer = optim.SGD(model.parameters(),                          lr=0.01, momentum=0.5)
    num_batches = ceil(len(train_set.dataset) / float(bsz))    for epoch in range(10):        epoch_loss = 0.0        for data, target in train_set:            optimizer.zero_grad()            output = model(data)            loss = F.nll_loss(output, target)            epoch_loss += loss.item()            loss.backward()            average_gradients(model)            optimizer.step()        print('Rank ', dist.get_rank(), ', epoch ',              epoch, ': ', epoch_loss / num_batches)

仍然需要執(zhí)行 average_gradients(model) 函數(shù)，該函數(shù)只需要一個(gè)模型并計(jì)算在所有 rank 上梯度的平均值。

""" Gradient averaging. """def average_gradients(model):    size = float(dist.get_world_size())    for param in model.parameters():        dist.all_reduce(param.grad.data, op=dist.reduce_op.SUM)        param.grad.data /= size

3 PyTorch 并行/分布式訓(xùn)練

在掌握 torch.distributed 的基礎(chǔ)的前提下，我們可以根據(jù)自身機(jī)器和任務(wù)的具體情況使用不同的分布式或并行訓(xùn)練方式：

• 如果數(shù)據(jù)和模型可以放在一個(gè) GPU 中，并且不關(guān)心訓(xùn)練速度，請(qǐng)使用單設(shè)備訓(xùn)練。
• 如果單個(gè)服務(wù)器上有多個(gè) GPU，并且您希望更改較少的代碼來(lái)加快訓(xùn)練速度，請(qǐng)使用單機(jī)多 GPU DataParallel。
• 如果單個(gè)服務(wù)器上有多個(gè) GPU，且您希望進(jìn)一步添加代碼并加快訓(xùn)練速度，請(qǐng)使用單機(jī)多 GPU DistributedDataParallel。
• 如果應(yīng)用程序需要跨多個(gè)服務(wù)器，請(qǐng)使用多機(jī) DistributedDataParallel 和啟動(dòng)腳本。
• 如果預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤（例如，OOM），或者在訓(xùn)練期間資源可以動(dòng)態(tài)加入和離開(kāi)，請(qǐng)使用 torch.elastic 進(jìn)行分布式訓(xùn)練。

3.1 DataParallel

class torch.nn.DataParallel(module, device_ids=None, output_device=None, dim=0)

DataParallel 自動(dòng)分割您的數(shù)據(jù)，并將作業(yè)訂單發(fā)送到多個(gè) GPU 上的多個(gè)模型。每個(gè)模型完成工作后，DataParallel 會(huì)收集并合并結(jié)果，然后再將結(jié)果返回給您。DataParallel 將相同的模型復(fù)制到所有 GPU，其中每個(gè) GPU 消耗輸入數(shù)據(jù)的不同分區(qū)。在使用此方法時(shí)，batch 理大小應(yīng)大于使用的 GPU 數(shù)量。我們需要注意的是，DataParallel 是通過(guò)多線(xiàn)程的方式進(jìn)行的并行訓(xùn)練，所以并沒(méi)有使用 torch.distributed 里的線(xiàn)程通信 API。的其運(yùn)行過(guò)程如下圖所示

例子 5 DataParallel

創(chuàng)建 dump 數(shù)據(jù)集和定義模型

class RandomDataset(Dataset):
    def __init__(self, size, length):        self.len = length        self.data = torch.randn(length, size)
    def __getitem__(self, index):        return self.data[index]
    def __len__(self):        return self.len
rand_loader = DataLoader(dataset=RandomDataset(input_size, data_size),                         batch_size=batch_size, shuffle=True)
class Model(nn.Module):    # Our model
    def __init__(self, input_size, output_size):        super(Model, self).__init__()        self.fc = nn.Linear(input_size, output_size)
    def forward(self, input):        output = self.fc(input)        print("\tIn Model: input size", input.size(),              "output size", output.size())
        return output

定義模型，放入設(shè)備并用 DataParallel 對(duì)象進(jìn)行包裝

model = Model(input_size, output_size)if torch.cuda.device_count() > 1:  print("Let's use", torch.cuda.device_count(), "GPUs!")  # dim = 0 [30, xxx] -> [10, ...], [10, ...], [10, ...] on 3 GPUs  model = nn.DataParallel(model)
model.to(device)

運(yùn)行模型并輸出

for data in rand_loader:    input = data.to(device)    output = model(input)    print("Outside: input size", input.size(),          "output_size", output.size())In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])        In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])        In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])Outside: input size torch.Size([10, 5]) output_size torch.Size([10, 2])

我們可以看到，在模型中，數(shù)據(jù)是按照batch大小的維度被均勻分成多份。在輸出后，多塊 GPU 上的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

3.2 DistributedDataParallel

當(dāng)我們了解了 DataParallel 后，下面開(kāi)始介紹一種基于 torch.distributed 中進(jìn)程通信函數(shù)包裝的高層 API

CLASS torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(module, device_ids=None, output_device=None, dim=0, broadcast_buffers=True, process_group=None, bucket_cap_mb=**25**, find_unused_parameters=False, check_reduction=False, gradient_as_bucket_view=False)

既然 DataParallel 可以進(jìn)行并行的模型訓(xùn)練，那么為什么還需要提出 DistributedDataParallel呢？這里我們就需要知道兩種方法的實(shí)現(xiàn)原理與區(qū)別：

1. 如果模型太大而無(wú)法容納在單個(gè) GPU 上，則必須使用模型并行將其拆分到多個(gè) GPU 中。DistributedDataParallel 可以與模型并行一起使用；但 DataParallel 因?yàn)楸仨殞⒛Ｐ头湃雴螇K GPU 中，所以難以完成大型模型的訓(xùn)練。
2. DataParallel 是單進(jìn)程，多線(xiàn)程的并行訓(xùn)練方式，并且只能在單臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，而DistributedDataParallel 是多進(jìn)程，并且適用于單機(jī)和多機(jī)訓(xùn)練。DistributedDataParallel 還預(yù)先復(fù)制模型，而不是在每次迭代時(shí)復(fù)制模型，并避免了全局解釋器鎖定。
3. 如果您的兩個(gè)數(shù)據(jù)都太大而無(wú)法容納在一臺(tái)計(jì)算機(jī)和上，而您的模型又太大了以至于無(wú)法安裝在單個(gè) GPU 上，則可以將模型并行（跨多個(gè) GPU 拆分單個(gè)模型）與 DistributedDataParallel 結(jié)合使用。在這種情況下，每個(gè) DistributedDataParallel 進(jìn)程都可以并行使用模型，而所有進(jìn)程都將并行使用數(shù)據(jù)。

例子 6 DistributedDataParallel

首先我們需要?jiǎng)?chuàng)建一系列進(jìn)程，其中需要用到 torch.multiprocessing 中的函數(shù)

torch.multiprocessing.spawn(fn, args=(), nprocs=1, join=True, daemon=False, start_method='spawn')

該函數(shù)使用 args 作為參數(shù)列表運(yùn)行函數(shù)fn，并創(chuàng)建 nprocs 個(gè)進(jìn)程。

如果其中一個(gè)進(jìn)程以非零退出狀態(tài)退出，則其余進(jìn)程將被殺死，并引發(fā)異常，以終止原因。如果子進(jìn)程中捕獲到異常，則將其轉(zhuǎn)發(fā)并將其回溯包括在父進(jìn)程中引發(fā)的異常中。

該函數(shù)會(huì)通過(guò) fn(i，args) 的形式被調(diào)用，其中i是進(jìn)程索引，而 args 是傳遞的參數(shù)元組。

基于創(chuàng)建的的進(jìn)程，我們初始化進(jìn)程組

import osimport tempfileimport torchimport torch.distributed as distimport torch.nn as nnimport torch.optim as optimimport torch.multiprocessing as mp
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
def setup(rank, world_size):    os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'    os.environ['MASTER_PORT'] = '12355'
    # initialize the process group    dist.init_process_group("gloo", rank=rank, world_size=world_size)
    # Explicitly setting seed to make sure that models created in two processes    # start from same random weights and biases.    torch.manual_seed(42)
def cleanup():    dist.destroy_process_group()

這里我們使用到了

torch.distributed.init_process_group(backend, init_method=None, timeout=datetime.timedelta(0, 1800), world_size=-1, rank=-1, store=None, group_name='')

這個(gè) API 來(lái)初始化默認(rèn)的分布式進(jìn)程組，這還將初始化分布式程序包。

該函數(shù)有兩種主要的調(diào)用方式：

1. 明確指定 store，rank 和 world_size。
2. 指定 init_method（URL 字符串），它指示在何處/如何發(fā)現(xiàn)對(duì)等方。（可選）指定 rank 和 world_size，或在 URL 中編碼所有必需的參數(shù)并忽略它們。

現(xiàn)在，讓我們創(chuàng)建一個(gè) toy model，將其與 DDP 封裝在一起，并提供一些虛擬輸入數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，由于 DDP 將 0 級(jí)進(jìn)程中的模型狀態(tài)廣播到 DDP 構(gòu)造函數(shù)中的所有其他進(jìn)程，因此無(wú)需擔(dān)心不同的 DDP 進(jìn)程從不同的模型參數(shù)初始值開(kāi)始。

class ToyModel(nn.Module):    def __init__(self):        super(ToyModel, self).__init__()        self.net1 = nn.Linear(10, 10)        self.relu = nn.ReLU()        self.net2 = nn.Linear(10, 5)
    def forward(self, x):        return self.net2(self.relu(self.net1(x)))
def demo_basic(rank, world_size):    setup(rank, world_size)    # Assume we have 8 GPU in total    # setup devices for this process, rank 1 uses GPUs [0, 1, 2, 3] and    # rank 2 uses GPUs [4, 5, 6, 7].    n = torch.cuda.device_count() // world_size    device_ids = list(range(rank * n, (rank + 1) * n))
    # create model and move it to device_ids[0]    model = ToyModel().to(device_ids[0])    # output_device defaults to device_ids[0]    ddp_model = DDP(model, device_ids=device_ids)
    loss_fn = nn.MSELoss()    optimizer = optim.SGD(ddp_model.parameters(), lr=0.001)
    optimizer.zero_grad()    outputs = ddp_model(torch.randn(20, 10))    labels = torch.randn(20, 5).to(device_ids[0])    loss_fn(outputs, labels).backward()    optimizer.step()
    cleanup()
def run_demo(demo_fn, world_size):    mp.spawn(demo_fn,             args=(world_size,),             nprocs=world_size,             join=True)if __name__ == "__main__":    run_demo(demo_basic, 2)

例子 7 將 DDP 與模型并行性結(jié)合

DDP 還可以與多 GPU 模型一起使用，但是不支持進(jìn)程內(nèi)的復(fù)制。您需要為每個(gè)模型副本創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，與每個(gè)進(jìn)程的多個(gè)模型副本相比，通?？梢蕴岣咝阅堋．?dāng)訓(xùn)練具有大量數(shù)據(jù)的大型模型時(shí)，DDP 包裝多 GPU 模型特別有用。使用此功能時(shí)，需要小心地實(shí)現(xiàn)多 GPU 模型，以避免使用硬編碼的設(shè)備，因?yàn)闀?huì)將不同的模型副本放置到不同的設(shè)備上。

例如，下面這個(gè)模型顯式的將不同的模塊放置在不同的 GPU 上

class ToyMpModel(nn.Module):    def __init__(self, dev0, dev1):        super(ToyMpModel, self).__init__()        self.dev0 = dev0        self.dev1 = dev1        self.net1 = torch.nn.Linear(10, 10).to(dev0)        self.relu = torch.nn.ReLU()        self.net2 = torch.nn.Linear(10, 5).to(dev1)
    def forward(self, x):        x = x.to(self.dev0)        x = self.relu(self.net1(x))        x = x.to(self.dev1)        return self.net2(x)

將多 GPU 模型傳遞給 DDP 時(shí)，不得設(shè)置 device_ids 和 output_device。輸入和輸出數(shù)據(jù)將通過(guò)應(yīng)用程序或模型 forward() 方法放置在適當(dāng)?shù)脑O(shè)備中。

def demo_model_parallel(rank, world_size):    setup(rank, world_size)
    # setup mp_model and devices for this process    dev0 = rank * 2    dev1 = rank * 2 + 1    mp_model = ToyMpModel(dev0, dev1)    ddp_mp_model = DDP(mp_model)
    loss_fn = nn.MSELoss()    optimizer = optim.SGD(ddp_mp_model.parameters(), lr=0.001)
    optimizer.zero_grad()    # outputs will be on dev1    outputs = ddp_mp_model(torch.randn(20, 10))    labels = torch.randn(20, 5).to(dev1)    loss_fn(outputs, labels).backward()    optimizer.step()
    cleanup()if __name__ == "__main__":    run_demo(demo_model_parallel, 4)

例子 8 保存和加載檢查點(diǎn)

使用 DDP 時(shí)，一種優(yōu)化方法是僅在一個(gè)進(jìn)程中保存模型，然后將其加載到所有進(jìn)程中，從而減少寫(xiě)開(kāi)銷(xiāo)。

def demo_checkpoint(rank, world_size):    setup(rank, world_size)
    # setup devices for this process, rank 1 uses GPUs [0, 1, 2, 3] and    # rank 2 uses GPUs [4, 5, 6, 7].    n = torch.cuda.device_count() // world_size    device_ids = list(range(rank * n, (rank + 1) * n))
    model = ToyModel().to(device_ids[0])    # output_device defaults to device_ids[0]    ddp_model = DDP(model, device_ids=device_ids)
    loss_fn = nn.MSELoss()    optimizer = optim.SGD(ddp_model.parameters(), lr=0.001)
    CHECKPOINT_PATH = tempfile.gettempdir() + "/model.checkpoint"    if rank == 0:        # All processes should see same parameters as they all start from same        # random parameters and gradients are synchronized in backward passes.        # Therefore, saving it in one process is sufficient.        torch.save(ddp_model.state_dict(), CHECKPOINT_PATH)
    # Use a barrier() to make sure that process 1 loads the model after process    # 0 saves it.    dist.barrier()    # configure map_location properly    rank0_devices = [x - rank * len(device_ids) for x in device_ids]    device_pairs = zip(rank0_devices, device_ids)    map_location = {'cuda:%d' % x: 'cuda:%d' % y for x, y in device_pairs}    ddp_model.load_state_dict(        torch.load(CHECKPOINT_PATH, map_location=map_location))
    optimizer.zero_grad()    outputs = ddp_model(torch.randn(20, 10))    labels = torch.randn(20, 5).to(device_ids[0])    loss_fn = nn.MSELoss()    loss_fn(outputs, labels).backward()    optimizer.step()
    # Use a barrier() to make sure that all processes have finished reading the    # checkpoint    dist.barrier()
    if rank == 0:        os.remove(CHECKPOINT_PATH)
    cleanup()

4 總結(jié)

本文講解了 torch.distributed 這一并行計(jì)算包的概念，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和應(yīng)用方式，并帶大家快速入門(mén) PyTorch 分布式訓(xùn)練。我們著重分析了 DataParallel 和 DistributedDataParallel 兩種并行訓(xùn)練 API 的使用方法和原理異同

參考資料

https://pytorch.org/docs/stable/distributed.html

https://pytorch.apachecn.org/docs/1.7/59.html