Pytorch DistributedDataParallel（DDP）教程一：快速入门理论篇

一、 写在前面

随着深度学习技术的不断发展，模型的训练成本也越来越高。训练一个高效的通用模型，需要大量的训练数据和算力。在很多非大模型相关的常规任务上，往往也需要使用多卡来进行并行训练。在多卡训练中，最为常用的就是分布式数据并行（DistributedDataParallel, DDP）。但是现有的有关DDP的教程和博客比较少，内容也比较分散繁琐。在大多数情况下，我们只需要学会如何使用即可，不需要特别深入地了解原理。为此，写下这个系列博客，简明扼要地介绍一下DDP的使用，抛开繁杂的细节和原理，帮助快速上手使用（All in one blog）。

篇幅较长，分为上下两篇：这篇简要介绍相关背景和理论知识，下篇详细介绍代码框架和搭建流程。

二、什么是分布式并行训练

1. 并行训练

在Pytorch中，有两种并行训练方式：

1）模型并行。模型并行通常是指你的模型非常大，大到一块卡根本放不下，因而需要把模型进行拆分放到不同的卡上。

2）数据并行。数据并行通常用于训练数据非常庞大的时候，比如有几百万张图像用于训练模型。此时，如果只用一张卡来进行训练，那么训练时间就会非常的长。并且由于单卡显存的限制，训练时的batch size不能设置得过大。但是，对于很多模型的性能而言，由于BN层的使用，都会和batch size的大小正相关。此外，很多基于对比学习的训练算法，由于其对负样本的需求，性能也与batch size的大小正相关。因此，我们需要使用多卡训练，不仅可以训练加速，并且可以设置更大的batch size来提升性能。

2. 数据并行

在Pytorch中有两种方式来实现数据并行：

1）数据并行（DataParallel，DP）。DataParallel采用参数服务器架构，其训练过程是单进程的。在训练时，会将一块GPU作为server，其余的GPU作为worker，在每个GPU上都会保留一个模型的副本用于计算。训练时，首先将数据拆分到不同的GPU上，然后在每个worker上分别进行计算，最终将梯度汇总到server上，在server进行模型参数更新，然后将更新后的模型同步到其他GPU上。这种方式有一个很明显的弊端，作为server的GPU其通信开销和计算成本非常大。它需要和其他所有的GPU进行通信，并且梯度汇总、参数更新等步骤都是由它完成，导致效率比较低。并且，随着多卡训练的GPU数量增强，其通信开销也会线性增长。

不过DataParallel的代码十分简洁，仅需在原有单卡训练的代码中加上一行即可。

model = nn.DataParallel(model) 

如果你的数据集并不大，只有几千的规模，并且你多卡训练时的卡也不多，只有4块左右，那么DataParallel会是一个不错的选择。

关于Parameter Server更详细的原理介绍，可以参考：

深度学习加速：算法、编译器、体系结构与硬件设计

一文讀懂「Parameter Server」的分布式機器學習訓練原理

2）分布式数据并行（DistributedDataParallel，DDP）。DDP采用Ring-All-Reduce架构，其训练过程是多进程的。如果要用DDP来进行训练，我们通常需要修改三个地方的代码：数据读取器dataloader，日志输出print，指标评估evaluate。其代码实现略微复杂，不过我们只需要始终牢记一点即可：每一块GPU都对应一个线程，除非我们手动实现相应代码，不然各个线程的数据都是不互通的。Pytorch只为我们实现了同步梯度和参数更新的代码，其余的需要我们自己实现。

三、DDP的基本原理

1. DDP的训练过程

DDP的训练过程可以总结为如下步骤：

1）在训练开始时，整个数据集被均等分配到每个GPU上。每个GPU独立地对其分配到的数据进行前向传播（计算预测输出）和反向传播（计算梯度）。

2）同步各个GPU上的梯度，以确保模型更新的一致性，该过程通过Ring-All-Reduce算法实现。

3）一旦所有的GPU上的梯度都同步完成，每个GPU就会使用这些聚合后的梯度来更新其维护的模型副本的参数。因为每个GPU都使用相同的更新梯度，所以所有的模型副本在任何时间点上都是相同的。

2. Ring-All-Reduce算法

Ring-All-Reduce架构是一个环形架构，所有GPU的位置都是对等的。每个GPU上都会维持一个模型的副本，并且只需要和它相连接的两个GPU通信。

对于第k个GPU而言，只需要接收来自于第k-1个GPU的数据，并将数据汇总后发送给第k+1个GPU。这个过程在环中持续进行，每个GPU轮流接收、聚合并发送梯度。

经过 N 次的迭代循环后（N是GPU的数量），每个GPU将累积得到所有其他GPU的梯度数据的总和。此时，每个GPU上的梯度数据都是完全同步的。

DDP的通信开销与GPU的数量无关，因而比DP更为高效。如果你的训练数据达到了十万这个量级，并且需要使用4卡及以上的设备来进行训练，DDP将会是你的最佳选择。

关于DDP和Ring-All-Reduce算法的更多实现原理和细节，可以参考：

Bringing HPC Techniques to Deep Learning

Pytorch 分散式訓練 DistributedDataParallel — 概念篇

Technologies behind Distributed Deep Learning: AllReduce

四、如何搭建一个Pytorch DDP代码框架

1. 与DDP有关的基本概念

在开始使用DDP之前，我们需要了解一些与DDP相关的概念。

2. 与DDP有关的一些操作

在DDP中，每个进程的数据是互不影响的（除了采用Ring-All-Reduce同步梯度）。如果我们要汇总或者同步不同进程上的数据，就需要用到一些对应的函数。

1）all_reduce

all_reduce操作会在所有进程中聚合每个进程的数据（如张量），并将结果返回给所有进程。聚合可以是求和、取平均、找最大值等。当你需要获得所有进程的梯度总和或平均值时，可以使用all_reduce。这在计算全局平均或总和时非常有用，比如全局平均损失。

一个示例代码如下：

import torch.distributed as dist

tensor_a = torch.tensor([1.0], device=device)
# 所有进程中的tensor_a将会被求和，并且结果会被分配给每个进程中的tensor_a。
dist.all_reduce(tensor_a, op=dist.ReduceOp.SUM)

2）all_gather

all_gather操作用于在每个进程中收集所有进程的数据。它不像all_reduce那样聚合数据，而是将每个进程的数据保留并汇总成一个列表。当每个进程计算出一个局部结果，并且你需要在每个进程中收集所有结果进行分析或进一步处理时，可以使用all_gather。

一个示例代码如下：

import torch
import torch.distributed as dist

# 每个进程有一个tensor_a，其值为当前进程的rank
tensor_a = torch.tensor([rank], device=device)  # 假设rank是当前进程的编号
gather_list = [torch.zeros_like(tensor_a) for _ in range(dist.get_world_size())]
# 收集所有进程的tensor_a到每个进程的gather_list
dist.all_gather(gather_list, tensor)

3）broadcast

broadcast操作将一个进程的数据（如张量）发送到所有其他进程中。这通常用于当一个进程生成了某些数据，需要确保其他所有进程都得到相同的数据时。在在开始训练之前，可以用于同步模型的初始权重或者在所有进程中共享某些全局设置。一个示例代码如下：

import torch.distributed as dist

tensor_a = torch.tensor([1.0], device=device)
if rank == 0:
    tensor_a.fill_(10.0)  # 只有rank 0设置tensor_a为10
dist.broadcast(tensor_a, src=0)  # rank 0将tensor_a广播到所有其他进程

3. 要实现DDP训练，我们需要解决哪些问题？

1）如何将数据均等拆分到每个GPU

在分布式训练中，为了确保每个GPU都能高效地工作，需要将训练数据均等地分配到每个GPU上。如果数据分配不均，可能导致某些GPU数据多、某些GPU数据少，从而影响整体的训练效率。

在PyTorch中，可以使用torch.utils.data.DataLoader结合torch.utils.data.distributed.DistributedSampler。DistributedSampler会自动根据数据集、进程总数（world size）和当前进程编号（rank）来分配数据，确保每个进程获取到的数据互不重复且均衡分布。

2）如何在IO操作时避免重复

在使用PyTorch的分布式数据并行（DDP）进行模型训练时，由于每个进程都是独立运行的，IO操作如打印（print）、保存（save）或加载（load）等如果未经特别处理，将会在每个GPU进程上执行。这样的行为通常会导致以下问题：重复打印（每个进程都会输出同样的打印信息到控制台，导致输出信息重复，难以阅读）、文件写入冲突（如果多个进程尝试同时写入同一个文件，会产生写入冲突，导致数据损坏或者输出不正确）、资源浪费（每个进程重复加载相同的数据文件会增加IO负担，降低效率和浪费资源）。

一个简单且可行的解决方案是只在特定进程中进行相关操作，例如，只在rank为0的进程中执行，如有必要，再同步到其他进程。

3）如何收集每个进程上的数据进行评估

在DDP训练中，每个GPU进程独立计算其数据的评估结果（如准确率、损失等），在评估时，可能需要收集和整合这些结果。

通过torch.distributed.all_gather函数，可以将所有进程的评估结果聚集到每个进程中。这样每个进程都可以获取到完整的评估数据，进而计算全局的指标。如果只需要全局的汇总数据（如总损失或平均准确率），可以使用torch.distributed.reduce或all_reduce操作直接计算汇总结果，这样更加高效。

4. 一个最简单的DDP代码框架

篇幅太长，见下篇。

五、查资料过程中的一个小惊喜

在查找DDP有关过程中，发现了一些博客和视频做得很不错，而且这里面有一部分是女生做的。博客和视频的质量都很高，内容安排合理，逻辑表达清晰，参考资料也很全面。我看到的时候，还是很惊艳的，巾帼不让须眉！链接如下：

国立中央大学的李馨伊

复旦大学的_Meilinger_