调参侠看过来！两个提高深度学习训练效率的绝技

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 1. 训练的瓶颈在哪里

•  GPU利用率低：模型训练时GPU显存沾满了，但是GPU的利用率比较不稳定，有时候0%，有时候90%，忽高忽低。   

•  训练的数据量大：训练数据大，在百万/千万的量级，训练一个Epoch需要很长时间，模型迭代周期过长。

2. 提高GPU利用率：CPU vs GPU

GPU利用率低, 主要原因是CPU处理的效率跟不上GPU

2.1 CPU vs GPU的通信

•  CPU负责加载数据+数据预处理，并不断的在内存和显存之间交互数据
•  GPU负责模型训练（图片来自网络）

2.2 解决方案

采用多进程并行处理，加快CPU加载数据的性能

•  keras keras 中提供了workers use_multiprocessing来采用多进程方式，并行处理数据，并push到队列中，共GPU模型训练。因为进程之间可能相互影响资源，并不是越大越好，workers可以设置2，4，8。 

run_model.fit_generator(  
              generator=training_generator,  
              class_weight={0: config.weights, 1: 1},  
              epochsepochs=epochs,  
              verbose=1,  
              steps_per_epochsteps_per_epoch=steps_per_epoch,  
              callbacks=callbacks_list,  
              validation_data=valid_generator, 
              validation_stepsvalidation_steps=validation_steps,  
              shuffle=True,  
              workers=8,  
              use_multiprocessing=True,  
              max_queue_size=20 

•  pytorch torch在加载数据中提供类似参数num_workers。pin_memory=True可以直接加载到显存中，而不需要内存 

torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x],  
                             batch_sizebatch_size=batch_size,   
                             shuffle=True,  
                             num_workers=8,  
                             pin_memory=True) 

3. 分布式并行训练

3.1 并行模式

当训练的数据量很大时，可以通过多个机器多个GPU来提高训练的效率。不同于hadoop和spark等分布式数据处理框架，深度学习训练因为要涉及参数的前项传播和反向传播，有两种并行方式：

•  模型并行（ model parallelism ）:分布式系统中的不同机器（GPU/CPU等）负责网络模型的不同部分，通常是神经网络模型的不同网络层被分配到不同的机器，或者同一层内部的不同参数被分配到不同机器。一般是超大的模型，一张显卡放不下的情况，如NLP的模型。模型并行的缺点是层和层之间可能存在依赖关系，不能完全的并行。（图片来自网络）  

•  数据并行（ data parallelism ）：不同的机器有同一个模型的多个副本，每个机器分配到不同的数据，然后将所有机器的计算结果按照某种方式合并。这种就比较适合大数据的情况。数据并行要解决的问题是数据的分割和传输，以及参数的更新。

3.2 数据并行

Facebook在《Accurate, Large Minibatch SGD: Training ImageNet in 1 Hour》介绍了使用 256 块 GPU 进行 ResNet-50 网络「数据并行」训练的方法

•  数据分割: 选用大的batch-size, 按照worker数量进行分割， 分发到不同worker执行
•  参数更新：参数的更新有两种模式（1）参数服务器 （2） ring环状更新（无服务器模式）

3.2.1 参数服务器模式

参数服务器模式，见下图。在每个worker执行完一个batch的训练后，反向传播参数的时候，所有的worker都会把参数传给参数服务器，进行汇总求均值，之后再传给每个worker，进入第二个batch的训练。（图片来自网络）

参数服务器有一个或者多个的结构模式，可以看出这种数据并行的模式效率是否提升取决于参数服务器与worker之间的通信效率，也就是最慢的worker的训练时间和参数服务器的接收和更新参数后再回传的时间。worker数量多的话，参数服务器可能存在瓶颈。（图片来自网络）

3.2.2 ring-reduce

百度提出的ring-reduce摒弃了参数服务器，采用环状结构来更新参数。ring-reduce把所有的worker组成一个两两相邻的环形结构。每个worker只与相邻的worker交换参数。经过几次交换之后，所有的worker都包含其他worker的参数信息，达到更新的目的。（图片来自网络）

下面几张图，可以看到其中的几个步骤；ring-reduce为了加快速度，并不是一次性交换所有的参数；而是先把参数进行分割，不断交换分割后参数。

4. 实现框架：Horovod

Horovod 是 Uber 开源的又一个深度学习工具，它的发展吸取了 Facebook「一小时训练 ImageNet 论文」与百度 Ring Allreduce 的优点，可为用户实现分布式训练提供帮助。https://github.com/horovod/horovod

采用NCCL 替换百度的 ring-allreduce 实现。NCCL 是英伟达的集合通信库，提供高度优化的 ring-allreduce 版本。NCCL 2 允许在多个机器之间运行 ring-allreduc。

如果要把单机的训练代码修改成分布式的代码，只要几个步骤就可以了 改造分布式训练：

•  horovod安装 建议安装docker的horovod，省去安装环境的麻烦。horovod依赖NCCL 2 open MPI 

$ mkdir horovod-docker-gpu  
$ wget -O horovod-docker-gpu/Dockerfile https://raw.githubusercontent.com/horovod/horovod/master/Dockerfile.gpu  
$ docker build -t horovod:latest horovod-docker-gpu 

•  机器worker机器之间ssh打通
•  修改训练代码 horovod支持tf,keras,pytorch和mxnet等不同的深度学习框架。以keras为例，修改主要6个步骤 （1） 初始化：hvd.init() （2）分配GPU计算资源：config.gpu_options.visible_device_list = str(hvd.local_rank())（3）分布式的优化器来实现参数的分布式更新：opt = hvd.DistributedOptimizer(opt)（4）定义所有worker模型初始化一致性 hvd.callbacks.BroadcastGlobalVariablesCallback(0)（5）模型保存在某一个worker   

from __future__ import print_function  
   import keras 
   from keras.datasets import mnist  
   from keras.models import Sequential  
   from keras.layers import Dense, Dropout, Flatten  
   from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D  
   from keras import backend as K  
   import math  
   import tensorflow as tf 
   import horovod.keras as hvd  
   # Horovod: initialize Horovod.  
   hvd.init()  
   # Horovod: pin GPU to be used to process local rank (one GPU per process)  
   config = tf.ConfigProto()  
   config.gpu_options.allow_growth = True  
   config.gpu_options.visible_device_list = str(hvd.local_rank())  
   K.set_session(tf.Session(configconfig=config))  
   batch_size = 128  
   num_classes = 10  
   # Horovod: adjust number of epochs based on number of GPUs.  
   epochs = int(math.ceil(12.0 / hvd.size()))  
   # Input image dimensions 
   img_rows, img_cols = 28, 28   
   # The data, shuffled and split between train and test sets  
   (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()   
   if K.image_data_format() == 'channels_first':  
       x_trainx_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], 1, img_rows, img_cols)  
       x_testx_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], 1, img_rows, img_cols)  
       input_shape = (1, img_rows, img_cols)  
   else:  
       x_trainx_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], img_rows, img_cols, 1)  
       x_testx_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], img_rows, img_cols, 1)  
       input_shape = (img_rows, img_cols, 1)  
   x_trainx_train = x_train.astype('float32')  
   x_testx_test = x_test.astype('float32')  
   x_train /= 255  
   x_test /= 255  
   print('x_train shape:', x_train.shape)  
   print(x_train.shape[0], 'train samples')  
   print(x_test.shape[0], 'test samples')  
   # Convert class vectors to binary class matrices  
   y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)  
   y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)  
   model = Sequential()  
   model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3, 3),  
                   activation='relu',  
                   input_shapeinput_shape=input_shape))  
   model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))  
   model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))  
   model.add(Dropout(0.25))  
   model.add(Flatten())  
   model.add(Dense(128, activation='relu'))  
   model.add(Dropout(0.5))  
   model.add(Dense(num_classes, activation='softmax'))  
   # Horovod: adjust learning rate based on number of GPUs.  
   opt = keras.optimizers.Adadelta(1.0 * hvd.size())  
   # Horovod: add Horovod Distributed Optimizer.  
   opt = hvd.DistributedOptimizer(opt)  
   model.compile(loss=keras.losses.categorical_crossentropy,  
               optoptimizer=opt,  
               metrics=['accuracy'])  
   callbacks = [ 
        # Horovod: broadcast initial variable states from rank 0 to all other processes.  
       # This is necessary to ensure consistent initialization of all workers when  
       # training is started with random weights or restored from a checkpoint.  
       hvd.callbacks.BroadcastGlobalVariablesCallback(0),  
   ]  
   # Horovod: save checkpoints only on worker 0 to prevent other workers from corrupting them.  
   if hvd.rank() == 0:  
       callbacks.append(keras.callbacks.ModelCheckpoint('./checkpoint-{epoch}.h5'))  
   model.fit(x_train, y_train, 
            batch_sizebatch_size=batch_size,  
           callbackscallbacks=callbacks,  
           epochsepochs=epochs,  
           verbose=1,  
           validation_data=(x_test, y_test))  
   score = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)  
   print('Test loss:', score[0])  
   print('Test accuracy:', score[1]) 

•  利用horovodrun 执行分布式训练

horovodrun -np 16 -H server1:4,server2:4,server3:4,server4:4 python train.py

5. 总结

本文分享了通过GPU利用率和分布式训练Horovod框架来提升深度学习训练。

•  并行CPU加载数据和预处理，让GPU不再等待CPU
•  采用Horovod让数据并行来提高大数据量的训练的迭代时间