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true |
2020/4/15 19:15:20 |
zhangxian |
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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)
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.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。
在上图中，如果执行了os.environ.setdefault("CUDA_VISIBLE_DEVICES", "2", "3")，那么可见 GPU 数量只有 2 个。对应关系如下：
| 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。
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
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。
nvidia-smi命令查看可以 GPU 的利用率，如下图所示。
上面的截图中，有两张显卡（GPU），其中上半部分显示的是显卡的信息，下半部分显示的是每张显卡运行的进程。可以看到编号为 0 的 GPU 运行的是 PID 为 14383 进程。Memory Usage表示显存的使用率，编号为 0 的 GPU 使用了 16555 MB 显存，显存的利用率大概是70% 左右。Volatile GPU-Util表示计算 GPU 实际运算能力的利用率，编号为 0 的 GPU 只有 27% 的使用率。
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。
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。
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。
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")
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
- 深度之眼 PyTorch 框架班
- 深度学习模型 GPU 利用率低的原因：https://blog.csdn.net/qq_32998593/article/details/92849585
- Pytorch数据加载的分析：https://zhuanlan.zhihu.com/p/100762487
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