AI分布式训练：DDP (数据并行）技术详解与实战

编者按： 如今传统的单机单卡模式已经无法满足超大模型进行训练的要求，如何更好地、更轻松地利用多个 GPU 资源进行模型训练成为了人工智能领域的热门话题。

我们今天为大家带来的这篇文章详细介绍了一种名为 DDP(Distributed Data Parallel)的并行训练技术，作者认为这项技术既高效又易于实现。

文章要点如下：

(1)DDP 的核心思想是将模型和数据复制到多个 GPU 上并行训练，然后汇总平均梯度。

(2)DDP 比传统的 DP 模式更加高效，可以轻松扩展到多节点，同时也介绍了 DDP 的局限性。

(3)DDP 的 Python 实现非常简洁，主要分为进程初始化、设置 Distributed DataLoader（分布式数据加载器）和模型训练与测试三步。 

(4)文中还解析了 DDP 中 Node、Master Node、Local Rank、Global Rank 等关键术语的具体含义。

(5)提供了从单 GPU 到单节点多 GPU 再到多节点场景的 DDP 应用案例源代码。

DDP 要求将整个模型加载到一个GPU上，这使得大模型的训练需要使用额外复杂的设置进行模型分片。期待未来有更多简单、高效、易用，还能满足大模型场景的模型训练并行技术出现！

作者 | François Porcher

编译 | 岳扬

🚢🚢🚢欢迎小伙伴们加入AI技术软件及技术交流群，追踪前沿热点，共探技术难题~

01 Introduction

本文将介绍一种名为 DDP （Distributed Data Parallel）的技术，使用这种技术可以实现同时在多个 GPU 上训练模型。

我上学的时候只能用云服务平台的 GPU 进行训练。然而，当我进入企业上班后，情况就不同了。如果你所在的公司在人工智能领域投入了大量资源，特别是如果你在一家科技巨头公司工作，那么很可能你可以随时使用大量的GPU集群。

本教程旨在让读者掌握如何同时利用多个GPU，实现快速高效的训练。而且，也许会让你惊讶的是，这种技术比你想象的还要简单！在你继续阅读本文之前，建议先去充分了解 PyTorch（一种机器学习框架）相关内容，包括其核心组件，如Datasets、 DataLoaders、Optimizers、CUDA 和 Training loop。

一开始，我也认为 DDP 是一种复杂的、几乎无法实现的技术，认为它需要一个庞大的技术团队来建立必要的基础设施。不过，我向你们保证，DDP不仅直观易懂，而且简洁明了，只需要几行代码就可以实现。 让我们一起踏上这段充满启迪的旅程吧！

02 直观理解DPP原理

分布式数据并行（DDP）是一个简单明了的概念。假如我们拥有一个由 4 个 GPU 组成的 GPU 集群。在DDP中，我们将相同的模型复制到每个GPU上进行训练。每个GPU都有自己的优化器，用于更新模型的参数。重点在于数据的划分。（译者注：通常情况下，我们将训练数据划分为多个 mini-batches，然后将这些 mini-batches 分配给多个GPU进行并行处理。每个GPU独立地计算梯度和更新参数，然后将结果同步到其他GPU上。）

DDP，图片摘自 PyTorch 教程[1]

如果你对深度学习比较熟悉，应该会知道 DataLoader，这是一种将数据集划分成不同 batches 的工具。通常情况下，我们会将整个数据集分成多个 batches ，模型在每个 batch 上进行计算，并根据计算结果更新模型参数。

DDP 进一步细化了这一过程，将每个 batch 划分为 "sub-batches"。实质上，每个模型副本都会处理 primary batch 的一个部分，从而让每个 GPU 都能独立地计算梯度，并根据其处理的数据片段来更新模型的参数。

在DDP中，我们通过一种名为 DistributedSampler 的工具将 batch 分成 sub-batches ，如下图所示：

DDP，图片摘自 PyTorch 教程[1]

在将每个 sub-batch 分配给各个GPU后，每个GPU都会独立地对其所处理的数据进行计算，并计算出自己独特的梯度（gradient）。

DDP，图片摘自 PyTorch 教程[1]

• 这就是 DDP 的神奇之处。在更新模型参数之前，需要汇总每个 GPU 计算出的梯度，以便每个 GPU 都能获得整个数据 batch 上计算出的平均梯度。
• 具体做法是将所有 GPU 的梯度之和取平均值。 例如，如果有 4 个 GPU，那么某个特定模型参数的平均梯度就是 4 个 GPU 上该参数的梯度之和除以 4。
• DDP 使用 NCCL 或 Gloo 后端（NCCL 针对英伟达（NVIDIA） GPU 进行了优化，而 Gloo 则更为通用）来高效地在 GPU 之间进行通信和将梯度平均。

DDP，图片摘自 PyTorch 教程[1]

03 terms、nodes 和 ranks等相关术语解读

在深入代码之前，先了解 DDP 技术相关术语的含义十分重要。来解释一下这些术语的含义：

• Node：可将 Node 视为一台配备了多个 GPU 的高性能计算机。集群（cluster）并不是简单地将一堆 GPU 拼凑在一起。相反，它们被组织成 Groups 或 Nodes。例如，一个 Node 可以容纳 8 个 GPU。
• Master Node：在 multi-node（多节点）环境中，通常需要有一个 Node 负责协调工作。这个“Master Node”处理诸如同步、启动模型复制、监控模型加载和管理日志条目等任务。 如果没有 Master Node ，每个 GPU 都会独立生成日志，从而导致混乱。
• Local Rank：术语“ Rank ” 可以类比为 ID 或位置。Local Rank 指的是 GPU 在其特定 Node（或计算机）中的位置或 ID。 它是“ Local ”的，因为它仅限于这台特定的设备。
• Global Rank：从全局角度来看，Global Rank 是指 GPU 在所有可用 Node 中的标识。 这是一个唯一的标识符，与设备无关。
• World Size：所有 Node 上可用的所有 GPU 数量。简单来说，就是节点数和每个节点中GPU数量的乘积。

从这个角度来看，如果只使用一台机器，情况就会简单明了，因为 Local Rank 等同于 Global Rank。

可以用一张图片来说明这一点：

Local rank，图片摘自 PyTorch 教程[2]

Global rank，图片摘自 PyTorch 教程[2]

04 DDP 的局限性

分布式数据并行（DDP）在许多深度学习工作流中都起到了变革性的作用，但了解其局限性也很重要。

DDP 的局限性主要在于其内存消耗。使用 DDP 时，每个 GPU 都会加载模型副本、优化器和对应 batch 的数据副本。

GPU 的内存大小通常从几 GB 到 80GB 不等。对于较小的模型，使用单个 GPU 都不是问题。但是，当涉及大语言模型（LLM）领域或类似于 GPT 的架构时，单个 GPU 的内存可能就不够用了。

在计算机视觉领域，虽然有大量轻量级模型，但当 batch sizes 增加时，特别是在涉及三维图像或物体检测任务的场景下，就会面临挑战。

全分片数据并行（Fully Sharded Data Parallel，FSDP）应运而生了。FSDP不仅将数据分布到不同的GPU上，还将模型和优化器的状态也分散到各个 GPU 的内存中。虽然这种方法看起来很好，但 FSDP 增多了 GPU 之间的通信，可能会降低训练速度。

总之：

• 如果您的模型及其相应的 batch 使用单个 GPU 的内存即可满足需求，那么 DDP 技术就是您的最佳选择，因为它的特点是速度快。
• 对于需要使用更多内存的大型模型，FSDP 是更合适的选择。不过，它是通过牺牲速度来换取内存的。

05 为什么要选择 DDP 而不是 DP？

在 PyTorch 的介绍网页中，其实是有两个选项的： DP 和 DDP。但本文此处提及这一内容只是为了避免读者迷失或混淆： 实践中只需使用 DDP，它更快速，而且不局限于单个 Node。

DP 和 DDP 的比较，内容摘自 PyTorch 教程[3]

06 代码演示

实现分布式深度学习比我们想象的要更简单。它的美妙之处在于，我们不再需要被复杂的GPU配置或梯度分布所困扰。

可以在以下链接找到所有的代码模板和脚本：

https://github.com/FrancoisPorcher/awesome-ai-tutorials

下面是详细步骤分解：

1. 进程初始化： 这包括指定 master node 、指定端口和设置 world_size。
2. 设置 Distributed DataLoader（分布式数据加载器）： 这一步的关键是在可用的 GPU 上对每个batch进行分区。需要确保数据均匀分布，没有任何重叠。
3. 模型训练/测试： 本质上，这一步与仅使用单 GPU 的操作流程基本保持不变。

6.1 在一个单 GPU 的 Node 上进行训练（baseline）

首先，编写下面这段代码，在单 GPU 上加载数据集、创建模型并进行end-to-end（端到端）的训练。这是项目的起点：

import torch
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
from sklearn.datasets import load_wine
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import numpy as np

class WineDataset(Dataset):
 def __init__(self, data, targets):
        self.data = data
        self.targets = targets

 def __len__(self):
 return len(self.data)

 def __getitem__(self, idx):
 return torch.tensor(self.data[idx], dtype=torch.float), torch.tensor(self.targets[idx], dtype=torch.long)

class SimpleNN(torch.nn.Module):
 def __init__(self):
 super(SimpleNN, self).__init__()
        self.fc1 = torch.nn.Linear(13, 64)
        self.fc2 = torch.nn.Linear(64, 3)

 def forward(self, x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
 return x

class Trainer():
 def __init__(self, model, train_data, optimizer, gpu_id, save_every):
        self.model = model
        self.train_data = train_data
        self.optimizer = optimizer
        self.gpu_id = gpu_id
        self.save_every = save_every
        self.losses = []

 def _run_batch(self, source, targets):
        self.optimizer.zero_grad()
        output = self.model(source)
        loss = F.cross_entropy(output, targets)
        loss.backward()
        self.optimizer.step()
 return loss.item()

 def _run_epoch(self, epoch):
        total_loss = 0.0
        num_batches = len(self.train_data)
 for source, targets in self.train_data:
            source = source.to(self.gpu_id)
            targets = targets.to(self.gpu_id)
            loss = self._run_batch(source, targets)
            total_loss += loss

        avg_loss = total_loss / num_batches
        self.losses.append(avg_loss)
 print(f"Epoch {epoch}, Loss: {avg_loss:.4f}")

 def _save_checkpoint(self, epoch):
        checkpoint = self.model.state_dict()
        PATH = f"model_{epoch}.pt"
        torch.save(checkpoint, PATH)
 print(f"Epoch {epoch} | Model saved to {PATH}")

 def train(self, max_epochs):
        self.model.train()
 for epoch in range(max_epochs):
            self._run_epoch(epoch)
 if epoch % self.save_every == 0:
                self._save_checkpoint(epoch)

def load_train_objs():
    wine_data = load_wine()
    X = wine_data.data
    y = wine_data.target

 # Normalize and split
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
    scaler = StandardScaler().fit(X_train)
    X_train = scaler.transform(X_train)
    X_test = scaler.transform(X_test)

    train_set = WineDataset(X_train, y_train)
    test_set = WineDataset(X_test, y_test)

 print("Sample from dataset:")
    sample_data, sample_target = train_set[0]
 print(f"Data: {sample_data}")
 print(f"Target: {sample_target}")

    model = SimpleNN()
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

 return train_set, model, optimizer

def prepare_dataloader(dataset, batch_size):
 return DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, pin_memory=True, shuffle=True)

def main(device, total_epochs, save_every, batch_size):
    dataset, model, optimizer = load_train_objs()
    train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size)
    trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, device, save_every)
    trainer.train(total_epochs)

main(device=torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"), total_epochs=100, save_every=50, batch_size=32)

6.2 在一个多 GPU 的 Node 上进行训练

现在，我们将在一个 Node 上使用所有 GPU，步骤如下：

• 导入分布式训练所需的库。
• 初始化分布式环境：特别是设置 MASTER_ADDR 和 MASTER_PORT。
• 使用DistributedDataParallel（DDP）将模型进行封装（译者注：DDP 会自动将模型的参数分布到各个 GPU 上，并在训练过程中进行同步）。
• 使用 Distributed Sampler 确保数据集以分布式方式划分到各个 GPU 上。
• 通过调整主函数的方式来生成多个进程，每个进程负责在不同的 GPU 上执行训练任务。

对于所需的库，我们可以通过以下操作导入：

import torch.multiprocessing as mp
from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
from torch.distributed import init_process_group, destroy_process_group
import os

如果在一个 Node 上有8个GPU，我们将会调用以下函数 8 次，为每个GPU设置一个单独的进程，并且为每个进程指定正确的local_rank参数。

def ddp_setup(rank, world_size):
 """
    Set up the distributed environment.
 
    Args:
        rank: The rank of the current process. Unique identifier for each process in the distributed training.
        world_size: Total number of processes participating in the distributed training.
    """
 
 # Address of the main node. Since we are doing single-node training, it's set to localhost.
    os.environ["MASTER_ADDR"] = "localhost"
 
 # Port on which the master node is expected to listen for communications from workers.
    os.environ["MASTER_PORT"] = "12355"
 
 # Initialize the process group. 
 # 'backend' specifies the communication backend to be used, "nccl" is optimized for GPU training.
    init_process_group(backend="nccl", rank=rank, world_size=world_size)
 
 # Set the current CUDA device to the specified device (identified by rank).
 # This ensures that each process uses a different GPU in a multi-GPU setup.
    torch.cuda.set_device(rank)

关于该函数的一些解释：

• MASTER_ADDR是运行主进程（或rank为0的进程）的机器的主机名。在这里是localhost，表示在本地运行。
• MASTER_PORT：指定主进程用于监听来自工作进程或其他进程连接的端口。12355是任意选择的端口号。只要这个端口号在系统中没有被其他服务使用，并且在防火墙规则中被允许，你可以选择任何未使用的端口号。
• torch.cuda.set_device(rank)：这行代码确保每个进程使用其对应的GPU。

然后需要对 Trainer 类稍作更改。我们只需用 DDP 函数对模型进行封装即可：

class Trainer():
 def __init__(self, model, train_data, optimizer, gpu_id, save_every):
        self.model = model.to(gpu_id)
        self.train_data = train_data
        self.optimizer = optimizer
        self.gpu_id = gpu_id
        self.save_every = save_every
        self.losses = []
 
 # This changes
        self.model = DDP(self.model, device_ids=[gpu_id])

Trainer 类的其他部分都是一样的，amazing！

这种情况下需要调整数据加载器（dataloader），以便在多GPU训练中正确地将批次数据分发到每个GPU上进行处理。

def prepare_dataloader(dataset: Dataset, batch_size: int):
 return DataLoader(
        dataset,
        batch_size=batch_size,
        pin_memory=True,
        shuffle=False,
        sampler=DistributedSampler(dataset)
 )

现在，我们可以修改 main 函数，每个进程都将调用该函数（本文这种情况是调用 8 次）：

def main(rank: int, world_size: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int):
 """
    Main training function for distributed data parallel (DDP) setup.
 
    Args:
        rank (int): The rank of the current process (0 <= rank < world_size). Each process is assigned a unique rank.
        world_size (int): Total number of processes involved in the distributed training.
        save_every (int): Frequency of model checkpoint saving, in terms of epochs.
        total_epochs (int): Total number of epochs for training.
        batch_size (int): Number of samples processed in one iteration (forward and backward pass).
    """
 
 # Set up the distributed environment, including setting the master address, port, and backend.
    ddp_setup(rank, world_size)
 
 # Load the necessary training objects - dataset, model, and optimizer.
    dataset, model, optimizer = load_train_objs()
 
 # Prepare the data loader for distributed training. It partitions the dataset across the processes and handles shuffling.
    train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size)
 
 # Initialize the trainer instance with the loaded model, data, and other configurations.
    trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, rank, save_every)
 
 # Train the model for the specified number of epochs.
    trainer.train(total_epochs)
 
 # Cleanup the distributed environment after training is complete.
    destroy_process_group()

最后，在执行脚本时，我们将需要启动8个进程。这可以通过使用mp.spawn()函数来实现（译者注：mp.spawn()函数是PyTorch提供的用于在多个进程中启动训练任务的功能，它可以方便地启动多个进程，并为每个进程分配相应的GPU和其他资源。）：

if __name__ == "__main__":
 import argparse
    parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job')
    parser.add_argument('total_epochs', type=int, help='Total epochs to train the model')
    parser.add_argument('save_every', type=int, help='How often to save a snapshot')
    parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)')
    args = parser.parse_args()
 
    world_size = torch.cuda.device_count()
    mp.spawn(main, args=(world_size, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size), nprocs=world_size)

6.3 临门一脚： 在多个 Node 上进行训练

恭喜您到达了最后一步！这一步是在不同 Node 上调用所有可用的 GPU。如果您理解了前文所做的工作，这一步就非常容易了。

在跨多个 Node 进行扩展时，关键区别在于从 local_rank 到 global_rank 的转变。这一点十分重要，因为每个进程都需要一个唯一的标识符。例如，如果使用两个 Node ，每个 Node 有 8 个 GPU，那么进程 0 和进程 8 的 local_rank 都是 0。

global_rank 的计算公式非常直观：

global_rank = node_rank * world_size_per_node + local_rank

因此，我们首先要修改 ddp_setup 函数：

def ddp_setup(local_rank, world_size_per_node, node_rank):
    os.environ["MASTER_ADDR"] = "MASTER_NODE_IP" # <-- Replace with your master node IP
    os.environ["MASTER_PORT"] = "12355" 
    global_rank = node_rank * world_size_per_node + local_rank
    init_process_group(backend="nccl", rank=global_rank, world_size=world_size_per_node*torch.cuda.device_count())
    torch.cuda.set_device(local_rank)

还需要调整主函数，该函数现在需要接受world_size_per_node作为参数。

def main(local_rank: int, world_size_per_node: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int, node_rank: int):
    ddp_setup(local_rank, world_size_per_node, node_rank)
 # ... (rest of the main function)

最后，我们还调整了 mp.spawn() 函数的 world_size_per_node 值：

if __name__ == "__main__":
 import argparse
    parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job')
    parser.add_argument('total_epochs', type=int, help='Total epochs to train the model')
    parser.add_argument('save_every', type=int, help='How often to save a snapshot')
    parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)')
    parser.add_argument('--node_rank', default=0, type=int, help='The rank of the node in multi-node training')
    args = parser.parse_args()

    world_size_per_node = torch.cuda.device_count()
    mp.spawn(main, args=(world_size_per_node, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size, args.node_rank), nprocs=world_size_per_node)

6.4 使用集群 (SLURM)

现在您已经准备好将训练任务发送到集群上。非常简单，你只需调用所需的节点数即可。

以下是 SLURM 脚本的模板：

#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=DDPTraining       # Name of the job
#SBATCH --nodes=$1                   # Number of nodes specified by the user
#SBATCH --ntasks-per-node=1          # Ensure only one task runs per node
#SBATCH --cpus-per-task=1            # Number of CPU cores per task
#SBATCH --gres=gpu:1                 # Number of GPUs per node
#SBATCH --time=01:00:00              # Time limit hrs:min:sec (1 hour in this example)
#SBATCH --mem=4GB                    # Memory limit per GPU
#SBATCH --output=training_%j.log     # Output and error log name (%j expands to jobId)
#SBATCH --partition=gpu              # Specify the partition or queue

srun python3 your_python_script.py --total_epochs 10 --save_every 2 --batch_size 32 --node_rank $SLURM_NODEID

现在您可以使用以下命令从终端启动训练：

sbatch train_net.sh 2 # for using 2 nodes

Congratulations, you've made it!

Thanks for reading!

END

参考资料

[1]https://www.youtube.com/watch?v=Cvdhwx-OBBo

[2]https://www.youtube.com/watch?v=KaAJtI1T2x4

[3]https://pytorch.org/tutorials/beginner/ddp_series_theory.html

本文经原作者授权，由Baihai IDP编译。如需转载译文，请联系获取授权。

原文链接：

https://towardsdatascience.com/a-comprehensive-guide-of-distr...