7.3 使用 GPU 训练模型

本章代码：

这篇文章主要介绍了 GPU 的使用。

在数据运算时，两个数据进行运算，那么它们必须同时存放在同一个设备，要么同时是 CPU，要么同时是 GPU。而且数据和模型都要在同一个设备上。数据和模型可以使用to()方法从一个设备转移到另一个设备。而数据的to()方法还可以转换数据类型。

  • 从 CPU 到 GPU

    device = torch.device("cuda")
tensor = tensor.to(device)
module.to(device)

  • 从 GPU 到 CPU

    device = torch.device(cpu)
tensor = tensor.to("cpu")
module.to("cpu")

    tensor和module的 to()方法的区别是：tensor.to()执行的不是 inplace 操作，因此需要赋值；module.to()执行的是 inplace 操作。

下面的代码是转换数据类型

x = torch.ones((3,3))
x = x.to(torch.float64)

tensor.to() 和 module.to()

首先导入库，获取 GPU 的 device

import torch
import torch.nn as nn
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

下面的代码是执行Tensor的to()方法

x_cpu = torch.ones((3, 3))
print("x_cpu:\ndevice: {} is_cuda: {} id: {}".format(x_cpu.device, x_cpu.is_cuda, id(x_cpu)))

x_gpu = x_cpu.to(device)
print("x_gpu:\ndevice: {} is_cuda: {} id: {}".format(x_gpu.device, x_gpu.is_cuda, id(x_gpu)))

输出如下：

x_cpu:
device: cpu is_cuda: False id: 1415020820304
x_gpu:
device: cpu is_cuda: True id: 2700061800153

可以看到Tensor的to()方法不是 inplace 操作，x_cpu和x_gpu的内存地址不一样。

下面代码执行的是Module的to()方法

net = nn.Sequential(nn.Linear(3, 3))

print("\nid:{} is_cuda: {}".format(id(net), next(net.parameters()).is_cuda))

net.to(device)
print("\nid:{} is_cuda: {}".format(id(net), next(net.parameters()).is_cuda))

输出如下：

id:2325748158192 is_cuda: False
id:2325748158192 is_cuda: True

可以看到Module的to()方法是 inplace 操作，内存地址一样。

torch.cuda常用方法

  • torch.cuda.device_count()：返回当前可见可用的 GPU 数量

  • torch.cuda.get_device_name()：获取 GPU 名称

  • torch.cuda.manual_seed()：为当前 GPU 设置随机种子

  • torch.cuda.manual_seed_all()：为所有可见 GPU 设置随机种子

  • torch.cuda.set_device()：设置主 GPU 为哪一个物理 GPU，此方法不推荐使用

  • os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", "2", "3")：设置可见 GPU

在 PyTorch 中，有物理 GPU 可以逻辑 GPU 之分，可以设置它们之间的对应关系。

逻辑 GPU物理 GPU

gpu0

gpu2

gpu1

gpu3

如果执行了os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", "0", "3", "2")，那么可见 GPU 数量只有 3 个。对应关系如下：

逻辑 GPU物理 GPU

gpu0

gpu0

gpu1

gpu3

gpu2

gpu2

设置的原因是可能系统中有很多用户和任务在使用 GPU，设置 GPU 编号，可以合理分配 GPU。通常默认gpu0为主 GPU。主 GPU 的概念与多 GPU 的分发并行机制有关。

多 GPU 的分发并行

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

功能：包装模型，实现分发并行机制。可以把数据平均分发到各个 GPU 上，每个 GPU 实际的数据量为 $\frac{batch_size}{GPU 数量}$，实现并行计算。

主要参数：

  • module：需要包装分发的模型

  • device_ids：可分发的 GPU，默认分发到所有可见可用的 GPU

  • output_device：结果输出设备

需要注意的是：使用 DataParallel 时，device 要指定某个 GPU 为 主 GPU，否则会报错：

RuntimeError: module must have its parameters and buffers on device cuda:1 (device_ids[0]) but found one of them on device: cuda:2

这是因为，使用多 GPU 需要有一个主 GPU，来把每个 batch 的数据分发到每个 GPU，并从每个 GPU 收集计算好的结果。如果不指定主 GPU，那么数据就直接分发到每个 GPU，会造成有些数据在某个 GPU，而另一部分数据在其他 GPU，计算出错。

详情请参考 [RuntimeError: module must have its parameters and buffers on device cuda:1 (device_ids[0]) but found one of them on device: cuda:2](RuntimeError: module must have its parameters and buffers on device cuda:1 (device_ids[0]) but found one of them on device: cuda:2)

下面的代码设置两个可见 GPU，batch_size 为 2，那么每个 GPU 每个 batch 拿到的数据数量为 8，在模型的前向传播中打印数据的数量。

    # 设置 2 个可见 GPU
    gpu_list = [0,1]
    gpu_list_str = ','.join(map(str, gpu_list))
    os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", gpu_list_str)
    # 这里注意，需要指定一个 GPU 作为主 GPU。
    # 否则会报错：module must have its parameters and buffers on device cuda:1 (device_ids[0]) but found one of them on device: cuda:2
    # 参考：https://stackoverflow.com/questions/59249563/runtimeerror-module-must-have-its-parameters-and-buffers-on-device-cuda1-devi
    device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

    batch_size = 16

    # data
    inputs = torch.randn(batch_size, 3)
    labels = torch.randn(batch_size, 3)

    inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

    # model
    net = FooNet(neural_num=3, layers=3)
    net = nn.DataParallel(net)
    net.to(device)

    # training
    for epoch in range(1):

        outputs = net(inputs)

        print("model outputs.size: {}".format(outputs.size()))

    print("CUDA_VISIBLE_DEVICES :{}".format(os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"]))
    print("device_count :{}".format(torch.cuda.device_count()))

输出如下：

batch size in forward: 8
model outputs.size: torch.Size([16, 3])
CUDA_VISIBLE_DEVICES :0,1
device_count :2

下面的代码是根据 GPU 剩余内存来排序。

    def get_gpu_memory():
        import platform
        if 'Windows' != platform.system():
            import os
            os.system('nvidia-smi -q -d Memory | grep -A4 GPU | grep Free > tmp.txt')
            memory_gpu = [int(x.split()[2]) for x in open('tmp.txt', 'r').readlines()]
            os.system('rm tmp.txt')
        else:
            memory_gpu = False
            print("显存计算功能暂不支持windows操作系统")
        return memory_gpu


    gpu_memory = get_gpu_memory()
    if not gpu_memory:
        print("\ngpu free memory: {}".format(gpu_memory))
        gpu_list = np.argsort(gpu_memory)[::-1]

        gpu_list_str = ','.join(map(str, gpu_list))
        os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", gpu_list_str)
        device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

其中nvidia-smi -q -d Memory是查询所有 GPU 的内存信息，-q表示查询，-d是指定查询的内容。

nvidia-smi -q -d Memory | grep -A4 GPU是截取 GPU 开始的 4 行，如下：

Attached GPUs                       : 2
GPU 00000000:1A:00.0
    FB Memory Usage
        Total                       : 24220 MiB
        Used                        : 845 MiB
        Free                        : 23375 MiB
--
GPU 00000000:68:00.0
    FB Memory Usage
        Total                       : 24217 MiB
        Used                        : 50 MiB
        Free                        : 24167 MiB

nvidia-smi -q -d Memory | grep -A4 GPU | grep Free是提取Free所在的行，也就是提取剩余内存的信息，如下：

        Free                        : 23375 MiB
        Free                        : 24167 MiB

nvidia-smi -q -d Memory | grep -A4 GPU | grep Free > tmp.txt是把剩余内存的信息保存到tmp.txt中。

[int(x.split()[2]) for x in open('tmp.txt', 'r').readlines()]是用列表表达式对每行进行处理。

假设x=" Free : 23375 MiB"，那么x.split()默认以空格分割，结果是：

['Free', ':', '23375', 'MiB']

x.split()[2]的结果是23375。

假设gpu_memory=['5','9','3']，np.argsort(gpu_memory)的结果是array([2, 0, 1], dtype=int64)，是从小到大取排好序后的索引。np.argsort(gpu_memory)[::-1]的结果是array([1, 0, 2], dtype=int64)，也就是把元素的顺序反过来。

在 Python 中，list[<start>:<stop>:<step>]表示从start到stop取出元素，间隔为step，step=-1表示从stop到start取出元素。start默认为第一个元素的位置，stop默认为最后一个元素的位置。

','.join(map(str, gpu_list))的结果是'1,0,2'。

最后os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", gpu_list_str)就是根据 GPU 剩余内存从大到小设置对应关系，这样默认最大剩余内存的 GPU 为主 GPU。

提高 GPU 的利用率

nvidia-smi命令查看可以 GPU 的利用率，如下图所示。

虽然使用 GPU 可以加速训练模型，但是如果GPU 的 Memory Usage 和 Volatile GPU-Util 太低，表示并没有充分利用 GPU。

因此，使用 GPU 训练模型，需要尽量提高 GPU 的 Memory Usage 和 Volatile GPU-Util 这两个指标，可以更进一步加速你的训练过程。

下面谈谈如何提高这两个指标。

Memory Usage

这个指标是由数据量主要是由模型大小，以及数据量的大小决定的。

模型大小是由网络的参数和网络结构决定的，模型越大，训练反而越慢。

我们主要调整的是每个 batch 训练的数据量的大小，也就是 batch_size。

在模型结构固定的情况下，尽量将batch size设置得比较大，充分利用 GPU 的内存。

Volatile GPU-Util

上面设置比较大的 batch size可以提高 GPU 的内存使用率，却不一定能提高 GPU 运算单元的使用率。

从前面可以看到，我们的数据首先读取到 CPU 中的，并在循环训练的时候，通过tensor.to()方法从 CPU 加载到 CPU 中，如下代码所示。

# 遍历 train_loader 取数据
for i, data in enumerate(train_loader):
    inputs, labels = data
    inputs = inputs.to(device) # 把数据从 CPU 加载到 GPU
    labels = labels.to(device) # 把数据从 CPU 加载到 GPU
    .
    .
    .

如果batch size得比较大，那么在 Dataset和 DataLoader ，CPU 处理一个 batch 的数据就会很慢，这时你会发现Volatile GPU-Util的值会在 0%，20%，70%，95%，0% 之间不断变化。

nvidia-smi命令查看可以 GPU 的利用率，但不能动态刷新显示。如果你想每隔一秒刷新显示 GPU 信息，可以使用watch -n 1 nvidia-smi 。

其实这是因为 GPU 处理数据非常快，而 CPU 处理数据较慢。GPU 每接收到一个 batch 的数据，使用率就跳到逐渐升高，处理完这个 batch 的数据后，使用率又逐渐降低，等到 CPU 把下一个 batch 的数据传过来。

解决方法是：设置 Dataloader的两个参数：

  • num_workers：默认只使用一个 CPU 读取和处理数据。可以设置为 4、8、16 等参数。但线程数并不是越大越好。因为，多核处理需要把数据分发到每个 CPU，处理完成后需要从多个 CPU 收集数据，这个过程也是需要时间的。如果设置num_workers过大，分发和收集数据等操作占用了太多时间，反而会降低效率。

  • pin_memory：如果内存较大，建议设置为 True。

    • 设置为 True，表示把数据直接映射到 GPU 的相关内存块上，省掉了一点数据传输时间。

    • 设置为 False，表示从 CPU 传入到缓存 RAM 里面，再给传输到 GPU 上。

GPU 相关的报错

1.

如果模型是在 GPU 上保存的，在无 GPU 设备上加载模型时torch.load(path_state_dict),会出现下面的报错：

RuntimeError: Attempting to deserialize object on a CUDA device but torch.cuda.is_available() is False. If you are running on a CPU-only machine, please use torch.load with map_location=torch.device('cpu') to map your storages to the CPU.

可能的原因：gpu训练的模型保存后，在无gpu设备上无法直接加载。解决方法是设置map_location="cpu"：torch.load(path_state_dict, map_location="cpu")

2.

如果模型经过net = nn.DataParallel(net)包装后，那么所有网络层的名称前面都会加上mmodule.。保存模型后再次加载时没有使用nn.DataParallel()包装，就会加载失败，因为state_dict中参数的名称对应不上。

Missing key(s) in state_dict: xxxxxxxxxx

Unexpected key(s) in state_dict:xxxxxxxxxx

解决方法是加载参数后，遍历 state_dict 的参数，如果名字是以module.开头，则去掉module.。代码如下：

from collections import OrderedDict
new_state_dict = OrderedDict()
for k, v in state_dict.items():
    namekey = k[7:] if k.startswith('module.') else k
    new_state_dict[namekey] = v

然后再把参数加载到模型中。

参考资料

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