在pytorch中的多GPU训练个别有2种DataParallel（DP）和DistributedDataParallel（DDP） ，DataParallel是最简略的的单机多卡实现，然而它应用多线程模型，并不可能在多机多卡的环境下应用，所以本文将介绍DistributedDataParallel，DDP 基于应用多过程而不是应用多线程的 DP，并且存在 GIL 争用问题，并且能够裁减到多机多卡的环境，所以他是分布式多GPU训练的首选。
这里应用的版本为：python 3.8、pytorch 1.11、CUDA 11.4
如上图所示，每个 GPU 将复制模型并依据可用 GPU 的数量调配数据样本的子集。
对于 100 个数据集和 4 个 GPU，每个 GPU 每次迭代将解决 25 个数据集。
DDP 上的同步产生在构造函数、正向流传和反向流传上。在反向流传中梯度的平均值被流传到每个 GPU。
无关其余同步详细信息，请查看应用 PyTorch 官网文档：Writing Distributed Applications with PyTorch。
Forking的过程
为了Forking多个过程，咱们应用了 Torch 多现成解决框架。一旦产生了过程，第一个参数就是过程的索引，通常称为rank。
在上面的示例中，调用该办法的所有衍生过程都将具备从 0 到 3 的rank值。咱们能够应用它来辨认各个过程，pytorch会将rank = 0 的过程作为根本过程。
import torch.multiprocessing as mp
// number of GPUs equal to number of processes
world_size = torch.cuda.device_count()
mp.spawn(<selfcontainedmethodforeachproc>, nprocs=world_size, args=(args,))GPU 过程调配
将 GPU 调配给为训练生成的每个过程。
import torch
import torch.distributed as dist
def train(self, rank, args):
current_gpu_index = rank
torch.cuda.set_device(current_gpu_index)
dist.init_process_group(
backend='nccl', world_size=args.world_size,
rank=current_gpu_index,
init_method='env://'
)多过程的Dataloader
对于解决图像，咱们将应用规范的ImageFolder加载器，它须要以下格局的样例数据。
<basedir>/testset/<categoryname>/<listofimages>
<basedir>/valset/<categoryname>/<listofimages>
<basedir>/trainset/<categoryname>/<listofimages>上面咱们配置Dataloader：
from torchvision.datasets import ImageFolder
train_dataset = ImageFolder(root=os.path.join(<basedir>, "trainset"), transform=train_transform)当DistributedSample与DDP一起应用时，他会为每个过程/GPU提供一个子集。
from torch.utils.data import DistributedSampler
dist_train_samples = DistributedSampler(dataset=train_dataset, num_replicas =4, rank=rank, seed=17)DistributedSampler与DataLoader进行整合
from torch.utils.data import DataLoader
train_loader = DataLoader(
train_dataset,
batch_size=self.BATCH_SIZE,
num_workers=4,
sampler=dist_train_samples,
pin_memory=True,
)模型初始化
对于多卡训练在初始化模型后，还要将其调配给每个GPU。
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
from torchvision import models as models
model = models.resnet34(pretrained=True)
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
model.cuda(current_gpu_index)
model = DDP(model)
loss_fn.cuda(current_gpu_index)
optimizer = optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, model.module.parameters()), lr=1e-3)
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=7)训练
训练开始时须要在DistributedSampler上设置 epoch，这样数据在 epoch 之间进行打乱，并且保障在每个 epoch 中应用雷同的排序。
for epoch in range(1, self.EPOCHS+1):
dist_train_samples.set_epoch(epoch)对于DataLoader中的每个批次，将输出传递给GPU并计算梯度。
for cur_iter_data in (loaders["train"]):
inputs, labels = cur_iter_data
inputs, labels = inputs.cuda(current_gpu_index, non_blocking=True),labels.cuda(current_gpu_index, non_blocking=True)
optimizer.zero_grad(set_to_none=True)
with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
outputs = model(inputs)
_, preds = torch.max(outputs, 1)
loss = loss_fn(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
scheduler.step()比照训练轮次的精度，如果更好则存储模型的权重。
if rank % args.n_gpus == 0 :
torch.save(model.module.state_dict(), os.path.join(os.getcwd(), "scripts/model", args.model_file_name))在训练完结时把模型权重保留在’ pth ‘文件中，这样能够将该文件加载到CPU或GPU上进行推理。
推理
从文件加载模型:
load_path = os.path.join(os.getcwd(), "scripts/model", args.model_file_name)
model_image_classifier = ImageClassifier()
model_image_classifier.load_state_dict(
torch.load(load_path), strict=False
)
model_image_classifier.cuda(current_gpu_index)
model_image_classifier = DDP(model_image_classifier)
model_image_classifier = model_image_classifier.eval()这样就能够应用通常的推理过程来应用模型了。
总结
以上就是PyTorch的DistributedDataParallel的基本知识，DistributedDataParallel既可单机多卡又可多机多卡。
DDP在各过程梯度计算实现之后各过程须要将梯度进行汇总均匀,而后再由 rank=0 的过程,将其播送到所有过程,各过程用该梯度来独立的更新参数。因为DDP各过程中的模型,初始参数统一 (初始时刻进行一次播送),而每次用于更新参数的梯度也统一的,所以各过程的模型参数始终保持统一。
DP的解决则是梯度汇总到GPU0,反向流传更新参数,再播送参数给其余残余的GPU。在DP中,全程保护一个 optimizer,对各个GPU上梯度进行汇总，在主卡进行参数更新,之后再将模型参数 播送到其余GPU。
所以相较于DP, DDP传输的数据量更少,因而速度更快,效率更高。并且如果你应用过DP就会发现，在应用时GPU0的占用率始终会比其余GPU要高，也就是说会更忙一点，这就是因为GPU0做了一些额定的工作，所以也会导致效率变低。所以如果多卡训练倡议应用DDP进行，然而如果模型比较简单例如2个GPU也不须要多机的状况下，那么DP的代码改变是最小的，能够作为长期计划应用。
https://avoid.overfit.cn/post/278382575559496e844634b6671330e4
作者：Kaustav Mandal
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