Distributed Parallel Training

原理

随着深度学习模型越来越复杂,单个GPU可能已经无法满足正常的训练。比如BERT等预训练模型,更是在多个GPU上训练得到的。为了使用多GPU训练,Pytorch框架已经提供了 nn.DataParallel 以及 nn.DistributedDataParallel 两种方式的支持。 nn.DataParallel 很容易使用,但是却有着GPU负载不均衡,单进程速度慢等缺点,无法发挥出多GPU的全部性能。因此,分布式的多GPU训练方式 nn.DistributedDataParallel 是更好的选择。然而,因为分布式训练的特点, nn.DistributedDataParallel 常常难以理解和使用,也很难debug。所以,在使用分布式训练之前,需要理解它的原理。

在使用 nn.DistributedDataParallel 时,模型会被复制到所有使用的GPU,通常每个GPU上存有一个模型,并被一个单独的进程控制。这样有N块GPU,就会产生N个进程。当训练一个batch时,这一batch会被分为N份,每个进程会使用batch的一部分进行训练,然后在必要时进行同步,并通过网络传输需要同步的数据。这时,只有模型的梯度会被同步,而模型的参数不会,所以能缓解大部分的网络传输压力,网络传输不再是训练速度的瓶颈之一。你可能会好奇,不同步模型的参数,怎么保证不同进程所训练的模型相同?只要每个进程初始的模型是同一个,具有相同的参数,而之后每次更新,都使用相同的梯度,就能保证梯度更新后的模型也具有相同的参数了。

为了让每个进程的模型初始化完全相同,通常这N个进程都是由单个进程复制而来的,这时需要对分布式的进程进行初始化,建立相互通信的机制。在 Pytorch 中,我们用 distributed.init_process_group 函数来完成,需要在程序开头就加入这一步骤。初始化完成后,每一个进程用唯一的编号 rank 进行区分,从 0 到 N-1递增,一般地,我们将 rank 为 0 的进程当作主进程,而其他 rank 的进程为子进程。每个进程还要知道 world_size ,即分布式训练的总进程数 N。训练时,每个进程使用batch的一部分,互相不能重复,这里通过 nn.utils.data.DistributedSampler 来实现。

使用方式

Pytorch的分布式训练使用起来非常麻烦,难以理解,可以从给出的官方教程 中看到。而fastNLP 提供了 DistTrainer,将大部分的分布式训练的细节进行了封装,只需简单的改动训练代码,就能直接用上分布式训练。那么,具体怎么将普通的训练代码改成支持分布式训练的代码呢。下面我们来讲一讲分布式训练的完整流程。通常,分布式程序的多个进程是单个进程的复制。假设我们用N个GPU进行分布式训练,我们需要启动N个进程,这时,在命令行使用:

python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=N train_script.py --args

其中N是需要启动的进程数,train_script.py为训练代码,--args是自定义的命令行参数。在启动了N个进程之后,如果我们在train_script.py的训练代码中正常配置,分布式训练就能正常进行。

此外,还可以使用环境变量CUDA_VISIBLE_DEVICES设置指定的GPU,比如在8卡机器上使用编号为4,5,6,7的4块GPU:

CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=N train_script.py --args

train_script.py 训练代码中,有一些必须的配置。为了清晰的叙述,这里放一个简单的分布式训练代码,省去多余细节:

import torch.distributed as dist
from fastNLP import DistTrainer, get_local_rank
import fastNLP as fnlp

def main(options):
    # options为训练所需的参数,batch_size等

    set_seed(options.seed)

    # 初始化分布式进程
    dist.init_process_group('nccl')

    ######## 读取数据
    if get_local_rank() != 0:
        dist.barrier() # 先让主进程(rank==0)先执行,进行数据处理,预训模型参数下载等操作,然后保存cache
    data = get_processed_data()
    model = get_model(data.get_vocab("words"), data.get_vocab("target"))
    if get_local_rank() == 0:
        dist.barrier() # 主进程执行完后,其余进程开始读取cache
    ########

    # 初始化Trainer,训练等,与普通训练差别不大
    def get_trainer(model, data):
        # 注意设置的callback有两种,一种只在主进程执行,一种在所有进程都执行
        callbacks_master = [fnlp.FitlogCallback()]
        callbacks_all = [fnlp.WarmupCallback(warmup=options.warmup)]
        trainer = DistTrainer(
            save_path='save',
            train_data=data.get_dataset("train"),
            dev_data=data.get_dataset("dev"),
            model=model,
            loss=fnlp.CrossEntropyLoss(),
            metrics=fnlp.AccuracyMetric(),
            metric_key="acc",
            optimizer=fnlp.AdamW(model.parameters(), lr=options.lr),
            callbacks_master=callbacks_master, # 仅在主进程执行(如模型保存,日志记录)
            callbacks_all=callbacks_all,    # 在所有进程都执行(如梯度裁剪,学习率衰减)
            batch_size_per_gpu=options.batch_size, # 指定每个GPU的batch大小
            update_every=options.update,
            n_epochs=options.epochs,
            use_tqdm=True,
        )
        return trainer

    trainer = get_trainer(model, data)
    trainer.train()

指定进程编号

首先,为了区分不同的进程,初始时需要对每个进程传入rank。这里一般分为node_ranklocal_rank,分别表示进程处于哪一机器以及同机器上处于第几进程。如果在单一机器上,node_rank可以省略。local_rank一般通过命令行参数--local_rank传入,为int类型。也可以通过环境变量传入local_rank,只需在torch.distributed.launch时,使用--use_env参数。无论哪种方式,在训练脚本中,都要获取到local_rank,用于初始化分布式通信,以及区分进程。如果你使用fastNLP,可以通过fastNLP.get_local_rank来得到local_rank

初始化进程

在获取了local_rank等重要参数后,在开始训练前,我们需要建立不同进程的通信和同步机制。这时我们使用torch.distributed.init_process_group 来完成。通常,我们只需要 torch.distributed.init_process_group('nccl') 来指定使用nccl后端来进行同步即可。其他参数程序将读取环境变量自动设置。如果想手动设置这些参数,比如,使用TCP进行通信,可以设置:

init_process_group('nccl', init_method='tcp://localhost:55678',
                  rank=args.rank, world_size=N)

或者使用文件进行通信:

init_process_group('nccl', init_method='file:///mnt/nfs/sharedfile',
                  world_size=N, rank=args.rank)

注意,此时必须显式指定world_sizerank,具体可以参考 torch.distributed.init_process_group 的使用文档。

在初始化分布式通信后,再初始化DistTrainer,传入数据和模型,就完成了分布式训练的代码。代码修改完成后,使用上面给出的命令行启动脚本,就能成功运行分布式训练。但是,如果数据处理,训练中的自定义操作比较复杂,则可能需要额外的代码修改。下面列出一些需要特别注意的地方,在使用分布式训练前,请仔细检查这些事项。

注意事项

在执行完 torch.distributed.init_process_group 后,我们就可以在不同进程间完成传输数据,进行同步等操作。这些操作都可以在torch.distributed 中找到。其中,最重要的是 barrier 以及 get_rank 操作。对于训练而言,我们关心的是读入数据,记录日志,模型初始化,模型参数更新,模型保存等操作。这些操作大多是读写操作,在多进程状态下,这些操作都必须小心进行,否则可能出现难以预料的bug。而在fastNLP中,大部分操作都封装在 DistTrainer 中,只需保证数据读入和模型初始化正确即可完成训练。

写操作

一般而言,读入操作需要在每一个进程都执行,因为每个进程都要使用读入的数据和模型参数进行训练。而写出操作只需在其中一个进程(通常为主进程)执行,因为每一个进程保存的模型都相同,都处于同一训练状态。所以,通常单进程的训练脚本中,只需要修改写出操作的部分,通过加入对进程rank的判断,仅让其中一个进程执行写操作:

import torch.distributed as dist

# 仅在主进程才执行
if dist.get_rank() == 0:
    do_wirte_op()  # 一些写操作
dist.barrier()  # 确保写完成后,所有进程再执行(若进程无需读入写出的数据,可以省去)

若使用fastNLP中的DistTrainer,也可以这样写:

# 判断是否是主进程的trainer
if trainer.is_master:
    do_wirte_op()
dist.barrier()

读操作

然而有些时候,我们需要其中一个进程先执行某些操作,等这一进程执行完后,其它进程再执行这一操作。比如,在读入数据时,我们有时需要从网上下载,再处理,将处理好的数据保存,供反复使用。这时,我们不需要所有进程都去下载和处理数据,只需要主进程进行这些操作,其它进程等待。直到处理好的数据被保存后,其他进程再从保存位置直接读入数据。这里可以参考范例代码中的读取数据:

if dist.get_rank() != 0:
    dist.barrier()  # 先让主进程(rank==0)先执行,进行数据处理,预训模型参数下载等操作,然后保存cache

# 这里会自动处理数据,或直接读取保存的cache
data = get_processed_data()
model = get_model(data.get_vocab("words"), data.get_vocab("target"))

if dist.get_rank() == 0:
    dist.barrier()  # 主进程执行完后,其余进程开始读取cache

也可以显式的将主进程和其它进程的操作分开:

if dist.get_rank() == 0:
    data = do_data_processing()  # 数据处理
    dist.barrier()
else:
    dist.barrier()
    data = load_processed_data()  # 读取cache

日志操作

通常,我们需要知道训练的状态,如当前在第几个epoch,模型当前的loss等等。单进程训练时,我们可以直接使用print将这些信息输出到命令行或日志文件。然而,在多进程时,print会导致同样的信息在每一进程都输出,造成问题。这一问题和写操作类似,也可以通过判断进程的编号之后再输出。问题是,日志通常在训练的很多地方都有输出,逐一加上判断代码是非常繁琐的。这里,建议统一修改为:

from fastNLP import logger
logger.info('....')  # 替换print

DistTrainer中,主进程的logger级别为INFO,而其它进程为WARNING。这样级别为INFO的信息只会在主进程输出,不会造成日志重复问题。若需要其它进程中的信息,可以使用logger.warning

注意,logger的级别设置只有初始化了DistTrainer后才能生效。如果想要在初始化进程后就生效,需要在分布式通信初始化后,执行init_logger_dist

Callback

fastNLP的一个特色是可以使用Callback在训练时完成各种自定义操作。而这一特色在DistTrainer中得以保留。但是,这时需要特别注意Callback是否只需要在主进程执行。一些Callback,比如调整学习率,梯度裁剪等,会改变模型的状态,因此需要在所有进程上都执行,将它们通过callback_all参数传入DistTrainer。而另一些Callback,比如fitlog,保存模型,不会改变模型的状态,而是进行数据写操作,因此仅在主进程上执行,将它们通过callback_master传入。

在自定义Callback时,请遵循一个原则,改变训练或模型状态的操作在所有进程中执行,而数据写到硬盘请在主进程单独进行。这样就能避免进程间失去同步,或者磁盘写操作的冲突。

Debug

多进程的程序很难进行debug,如果出现问题,可以先参考报错信息进行处理。也可以在程序中多输出日志,定位问题。具体情况,具体分析。在debug时,要多考虑进程同步和异步的操作,判断问题是程序本身导致的,还是由进程间没有同步而产生。

其中,有一个常见问题是程序卡住不动。具体表现为训练暂停,程序没有输出,但是GPU利用率保持100%。这一问题是由进程失去同步导致的。这时只能手动killGPU上残留的进程,再检查代码。需要检查进程同步的位置,比如模型backward()时,barrier()时等。同时,也要检查主进程与其它进程操作不同的位置,比如存储模型,evaluate模型时等。注意,失去同步的位置可能并不是程序卡住的位置,所以需要细致的检查。