百度PaddlePaddle入门-14（多个CPU加速训练）

Posted 2021-03-08 yuzaihuan

接下来介绍在paddlepaddle中如何使用多CPU来加速训练。

接着前面几节讲的手写数字识别部分，在启动训练前，加载数据和网络结构的代码部分均不变。

  1 # 加载相关库
  2 import os
  3 import random
  4 import paddle
  5 import paddle.fluid as fluid
  6 from paddle.fluid.dygraph.nn import Conv2D, Pool2D, FC
  7 import numpy as np
  8 from PIL import Image
  9 
 10 import gzip
 11 import json
 12 
 13 # 定义数据集读取器
 14 def load_data(mode=‘train‘):
 15 
 16     # 读取数据文件
 17     datafile = ‘./work/mnist.json.gz‘
 18     print(‘loading mnist dataset from {} ......‘.format(datafile))
 19     data = json.load(gzip.open(datafile))
 20     # 读取数据集中的训练集，验证集和测试集
 21     train_set, val_set, eval_set = data
 22 
 23     # 数据集相关参数，图片高度IMG_ROWS, 图片宽度IMG_COLS
 24     IMG_ROWS = 28
 25     IMG_COLS = 28
 26     # 根据输入mode参数决定使用训练集，验证集还是测试
 27     if mode == ‘train‘:
 28         imgs = train_set[0]
 29         labels = train_set[1]
 30     elif mode == ‘valid‘:
 31         imgs = val_set[0]
 32         labels = val_set[1]
 33     elif mode == ‘eval‘:
 34         imgs = eval_set[0]
 35         labels = eval_set[1]
 36     # 获得所有图像的数量
 37     imgs_length = len(imgs)
 38     # 验证图像数量和标签数量是否一致
 39     assert len(imgs) == len(labels),  40           "length of train_imgs({}) should be the same as train_labels({})".format(
 41                   len(imgs), len(labels))
 42 
 43     index_list = list(range(imgs_length))
 44 
 45     # 读入数据时用到的batchsize
 46     BATCHSIZE = 100
 47 
 48     # 定义数据生成器
 49     def data_generator():
 50         # 训练模式下，打乱训练数据
 51         if mode == ‘train‘:
 52             random.shuffle(index_list)
 53         imgs_list = []
 54         labels_list = []
 55         # 按照索引读取数据
 56         for i in index_list:
 57             # 读取图像和标签，转换其尺寸和类型
 58             img = np.reshape(imgs[i], [1, IMG_ROWS, IMG_COLS]).astype(‘float32‘)
 59             label = np.reshape(labels[i], [1]).astype(‘int64‘)
 60             imgs_list.append(img) 
 61             labels_list.append(label)
 62             # 如果当前数据缓存达到了batch size，就返回一个批次数据
 63             if len(imgs_list) == BATCHSIZE:
 64                 yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)
 65                 # 清空数据缓存列表
 66                 imgs_list = []
 67                 labels_list = []
 68 
 69         # 如果剩余数据的数目小于BATCHSIZE，
 70         # 则剩余数据一起构成一个大小为len(imgs_list)的mini-batch
 71         if len(imgs_list) > 0:
 72             yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)
 73 
 74     return data_generator
 75 
 76 
 77 # 定义模型结构
 78 class MNIST(fluid.dygraph.Layer):
 79      def __init__(self, name_scope):
 80          super(MNIST, self).__init__(name_scope)
 81          name_scope = self.full_name()
 82          # 定义卷积层，输出通道20，卷积核大小为5，步长为1，padding为2，使用relu激活函数
 83          self.conv1 = Conv2D(name_scope, num_filters=20, filter_size=5, stride=1, padding=2, act=‘relu‘)
 84          # 定义池化层，池化核为2，采用最大池化方式
 85          self.pool1 = Pool2D(name_scope, pool_size=2, pool_stride=2, pool_type=‘max‘)
 86          # 定义卷积层，输出通道20，卷积核大小为5，步长为1，padding为2，使用relu激活函数
 87          self.conv2 = Conv2D(name_scope, num_filters=20, filter_size=5, stride=1, padding=2, act=‘relu‘)
 88          # 定义池化层，池化核为2，采用最大池化方式
 89          self.pool2 = Pool2D(name_scope, pool_size=2, pool_stride=2, pool_type=‘max‘)
 90          # 定义全连接层，输出节点数为10，激活函数使用softmax
 91          self.fc = FC(name_scope, size=10, act=‘softmax‘)
 92          
 93     # 定义网络的前向计算过程
 94      def forward(self, inputs):
 95          x = self.conv1(inputs)
 96          x = self.pool1(x)
 97          x = self.conv2(x)
 98          x = self.pool2(x)
 99          x = self.fc(x)
100          return x

View Code

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单GPU训练

现实生活中，我们可能会遇到更复杂的机器学习、深度学习任务，需要运算速度更高的硬件（GPU、TPU），甚至同时使用多个机器共同训练一个任务（多卡训练和多机训练）。

飞桨动态图通过fluid.dygraph.guard(place=None)里的place参数，设置在GPU上训练还是CPU上训练，比如：

1 with fluid.dygraph.guard(place=fluid.CPUPlace())　#设置使用CPU资源训神经网络。
2 with fluid.dygraph.guard(place=fluid.CUDAPlace(0))　#设置使用GPU资源训神经网络，默认使用机器的第一个GPU。

下面是采用GPU训练实例（就是前三行）：

 1 #仅前3行代码有所变化，在使用GPU时，可以将use_gpu变量设置成True
 2 use_gpu = True
 3 place = fluid.CUDAPlace(0) if use_gpu else fluid.CPUPlace()
 4 
 5 with fluid.dygraph.guard(place):
 6     model = MNIST("mnist")
 7     model.train()
 8     #调用加载数据的函数
 9     train_loader = load_data(‘train‘)
10     
11     #四种优化算法的设置方案，可以逐一尝试效果
12     optimizer = fluid.optimizer.SGDOptimizer(learning_rate=0.01)
13     #optimizer = fluid.optimizer.MomentumOptimizer(learning_rate=0.01)
14     #optimizer = fluid.optimizer.AdagradOptimizer(learning_rate=0.01)
15     #optimizer = fluid.optimizer.AdamOptimizer(learning_rate=0.01)
16     
17     EPOCH_NUM = 2
18     for epoch_id in range(EPOCH_NUM):
19         for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
20             #准备数据，变得更加简洁
21             image_data, label_data = data
22             image = fluid.dygraph.to_variable(image_data)
23             label = fluid.dygraph.to_variable(label_data)
24             
25             #前向计算的过程
26             predict = model(image)
27             
28             #计算损失，取一个批次样本损失的平均值
29             loss = fluid.layers.cross_entropy(predict, label)
30             avg_loss = fluid.layers.mean(loss)
31             
32             #每训练了100批次的数据，打印下当前Loss的情况
33             if batch_id % 200 == 0:
34                 print("epoch: {}, batch: {}, loss is: {}".format(epoch_id, batch_id, avg_loss.numpy()))
35             
36             #后向传播，更新参数的过程
37             avg_loss.backward()
38             optimizer.minimize(avg_loss)
39             model.clear_gradients()
40 
41     #保存模型参数
42     fluid.save_dygraph(model.state_dict(), ‘mnist‘)

loading mnist dataset from ./work/mnist.json.gz ......
epoch: 0, batch: 0, loss is: [3.2412765]
epoch: 0, batch: 200, loss is: [0.3588875]
epoch: 0, batch: 400, loss is: [0.21310554]
epoch: 1, batch: 0, loss is: [0.34854925]
epoch: 1, batch: 200, loss is: [0.22530955]
epoch: 1, batch: 400, loss is: [0.20724224]

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多CPU分布式训练

在工业实践中，许多较复杂的任务需要使用更强大的模型。强大模型加上海量的训练数据，经常导致模型训练耗时严重。比如在计算机视觉分类任务中，训练一个在ImageNet数据集上精度表现良好的模型，大概需要一周的时间，因为我们需要不断尝试各种优化的思路和方案。如果每次训练均要耗时1周，这会大大降低模型迭代的速度。在机器资源充沛的情况下，我们可以采用分布式训练，大部分模型的训练时间可压缩到小时级别。

分布式训练有两种实现模式：模型并行和数据并行。

1. 模型并行

模型并行是将一个网络模型拆分为多份，拆分后的模型分到多个设备上（GPU）训练，每个设备的训练数据是相同的。 模型并行的方式一般适用于：

1. 模型架构过大，完整的模型无法放入单个GPU。2012年ImageNet大赛的冠军模型AlexNet是模型并行的典型案例。由于当时GPU内存较小，单个GPU不足以承担AlexNet。研究者将AlexNet拆分为两部分放到两个GPU上并行训练。

2. 网络模型的设计结构可以并行化时，采用模型并行的方式。例如在计算机视觉目标检测任务中，一些模型（YOLO9000）的边界框回归和类别预测是独立的，可以将独立的部分分在不同的设备节点上完成分布式训练。

说明：当前GPU硬件技术快速发展，深度学习使用的主流GPU的内存已经足以满足大多数的网络模型需求，所以大多数情况下使用数据并行的方式。

2. 数据并行

数据并行与模型并行不同，数据并行每次读取多份数据，读取到的数据输入给多个设备（GPU）上的模型，每个设备上的模型是完全相同的。数据并行的方式与众人拾柴火焰高的道理类似，如果把训练数据比喻为砖头，把一个设备（GPU）比喻为一个人，那单GPU训练就是一个人在搬砖，多GPU训练就是多个人同时搬砖，每次搬砖的数量倍数增加，效率呈倍数提升。但是注意到，每个设备的模型是完全相同的，但是输入数据不同，每个设备的模型计算出的梯度是不同的，如果每个设备的梯度更新当前设备的模型就会导致下次训练时，每个模型的参数都不同了，所以我们还需要一个梯度同步机制，保证每个设备的梯度是完全相同的。

数据并行中有一个参数管理服务器（parameter server）收集来自每个设备的梯度更新信息，并计算出一个全局的梯度更新。当参数管理服务器收到来自训练设备的梯度更新请求时，统一更新模型的梯度。

飞桨有便利的数据并行训练方式，仅改动几行代码即可实现多GPU训练，如果想了解飞桨数据并行的基本思想，可以参考官网文档-https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/user_guides/howto/training/cluster_howto.html。

用户只需要对程序进行简单修改，即可实现在多GPU上并行训练。飞桨采用数据并行的实现方式，在训练前，需要配置如下参数：

1.从环境变量获取设备的ID，并指定给CUDAPlace

1 device_id = fluid.dygraph.parallel.Env().dev_id
2 place = fluid.CUDAPlace(device_id)

2.对定义的网络做预处理，设置为并行模式

1 strategy = fluid.dygraph.parallel.prepare_context() ## 新增
2 model = MNIST("mnist")
3 model = fluid.dygraph.parallel.DataParallel(model, strategy)  ## 新增

3.定义多GPU训练的reader，将每批次的数据平分到每个GPU上

1 valid_loader = paddle.batch(paddle.dataset.mnist.test(), batch_size=16, drop_last=true)
2 valid_loader = fluid.contrib.reader.distributed_batch_reader(valid_loader)

4.收集每批次训练数据的loss，并聚合参数的梯度

1 avg_loss = mnist.scale_loss(avg_loss)  ## 新增
2 avg_loss.backward()
3 mnist.apply_collective_grads()         ## 新增

完整程序如下所示。

 1 def train_multi_gpu():
 2     
 3     ##修改1-从环境变量获取使用GPU的序号
 4     place = fluid.CUDAPlace(fluid.dygraph.parallel.Env().dev_id)
 5 
 6     with fluid.dygraph.guard(place):
 7     
 8         ##修改2-对原模型做并行化预处理
 9         strategy = fluid.dygraph.parallel.prepare_context()
10         model = MNIST("mnist")
11         model = fluid.dygraph.parallel.DataParallel(model, strategy)
12 
13         model.train()
14 
15         #调用加载数据的函数
16         train_loader = load_data(‘train‘)
17         ##修改3-多GPU数据读取，必须确保每个进程读取的数据是不同的
18         train_loader = fluid.contrib.reader.distributed_batch_reader(train_loader)
19 
20         optimizer = fluid.optimizer.SGDOptimizer(learning_rate=0.01)
21         EPOCH_NUM = 5
22         for epoch_id in range(EPOCH_NUM):
23             for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
24                 #准备数据
25                 image_data, label_data = data
26                 image = fluid.dygraph.to_variable(image_data)
27                 label = fluid.dygraph.to_variable(label_data)
28 
29                 predict = model(image)
30 
31                 loss = fluid.layers.square_error_cost(predict, label)
32                 avg_loss = fluid.layers.mean(loss)
33 
34                 # 修改4-多GPU训练需要对Loss做出调整，并聚合不同设备上的参数梯度
35                 avg_loss = mnist.scale_loss(avg_loss)
36                 avg_loss.backward()
37                 model.apply_collective_grads()
38                 # 最小化损失函数，清除本次训练的梯度
39                 optimizer.minimize(avg_loss)
40                 model.clear_gradients()
41                 
42                 if batch_id % 200 == 0:
43                     print("epoch: {}, batch: {}, loss is: {}".format(epoch_id, batch_id, avg_loss.numpy()))
44 
45     #保存模型参数
46     fluid.save_dygraph(model.state_dict(), ‘mnist‘)

启动多GPU的训练，需要在命令行设置一些参数变量。打开终端，运行如下命令：

1 $ python -m paddle.distributed.launch --selected_gpus=0,1,2,3 --log_dir ./mylog train_multi_gpu.py

• paddle.distributed.launch表示启动分布式运行。
• 通过selected_gpus设置使用的GPU的序号。当前机器需要是多GPU卡的机器，通过命令watch nvidia-smi可以查看GPU的序号。
• log_dir用于存放训练的log，如果不设置，每个GPU上的训练信息都会打印到屏幕。
• 多GPU运行的脚本是：train_multi_gpu.py，包含上述修改过的train_multi_gpu()函数。

训练完成后，程序会在指定的./mylog文件夹下产生四个worklog文件。每个文件存放对应设备的训练过程日志，其中worklog.0的内容如下：

grep: warning: GREP_OPTIONS is deprecated; please use an alias or script
dev_id 0
I1104 06:25:04.377323 31961 nccl_context.cc:88] worker: 127.0.0.1:6171 is not ready, will retry after 3 seconds...
I1104 06:25:07.377645 31961 nccl_context.cc:127] init nccl context nranks: 3 local rank: 0 gpu id: 1?
W1104 06:25:09.097079 31961 device_context.cc:235] Please NOTE: device: 1, CUDA Capability: 61, Driver API Version: 10.1, Runtime API Version: 9.0
W1104 06:25:09.104460 31961 device_context.cc:243] device: 1, cuDNN Version: 7.5.
start data reader (trainers_num: 3, trainer_id: 0)
epoch: 0, batch_id: 10, loss is: [0.47507238]
epoch: 0, batch_id: 20, loss is: [0.25089613]
epoch: 0, batch_id: 30, loss is: [0.13120805]
epoch: 0, batch_id: 40, loss is: [0.12122715]
epoch: 0, batch_id: 50, loss is: [0.07328521]
epoch: 0, batch_id: 60, loss is: [0.11860339]
epoch: 0, batch_id: 70, loss is: [0.08205047]
epoch: 0, batch_id: 80, loss is: [0.08192863]
epoch: 0, batch_id: 90, loss is: [0.0736289]
epoch: 0, batch_id: 100, loss is: [0.08607423]
start data reader (trainers_num: 3, trainer_id: 0)
epoch: 1, batch_id: 10, loss is: [0.07032011]
epoch: 1, batch_id: 20, loss is: [0.09687119]
epoch: 1, batch_id: 30, loss is: [0.0307216]
epoch: 1, batch_id: 40, loss is: [0.03884467]
epoch: 1, batch_id: 50, loss is: [0.02801813]
epoch: 1, batch_id: 60, loss is: [0.05751991]
epoch: 1, batch_id: 70, loss is: [0.03721186]
.....