使用horovod构建分布式深度学习框架

　　最近一直在尝试着分布式深度学习的架构，主要的原因一方面是几台机子全是1060卡，利用深度网络在较大数据样本上训练的效率极其低下，所以尝试着将几台机子做成分布式，看看能否提高训练效率；第二方面是有人习惯使用tensorflow，有人习惯使用keras，也有人喜欢使用pytorch等，虽然这些框架各自都有分布式的实现，但总的来说不能统一到一个平台上，造成使用上有不好的体验。在查资料的时候正好看到了horovod这个框架，它是集成了多个深度框架的一个统一平台，搭建和使用起来都比较方便，所以打算尝试基于horovod搭建一个分布式环境，供后期使用。可惜没有使用docker去部署，其中配置的过程中遇到不少坑，还好都解决了。

　　一.分布式中的ps架构和ring-allreduce架构

　　1.ps架构

　　　　在Parameter server架构（PS架构）中，集群中的节点被分为parameter server和worker两类。其中parameter server收集、更新和存放模型的参数，而worker负责计算模型参　　数的梯度。在每个迭代过程中，ps聚合所有worker传回的梯度，然后更新参数，并将新的参数广播给worker。缺点是集群通信不均衡问题，类似木桶效应。

　　ps架构同步随机梯度下降SGD如下图：

　　使用horovod构建分布式深度学习框架

　　2.ring-allreduce架构

　　　　在Ring-allreduce架构中，各个设备都是worker，并且形成一个环，如上图所示，没有中心节点来聚合所有worker计算的梯度。在一个迭代过程，每个worker完成自己的mini-　　batch训练，计算出梯度，并将梯度传递给环中的下一个worker，同时它也接收从上一个worker的梯度。对于一个包含N个worker的环，各个worker需要收到其它N-1个worker的梯度　　后就可以更新模型参数。其实这个过程需要两个部分：scatter-reduce和allgather，百度开发了自己的allreduce框架，并将其用在了深度学习的分布式训练中。如下图。

　　相比PS架构，Ring-allreduce架构有如下优点：

　　a. 带宽优化，因为集群中每个节点的带宽都被充分利用。而PS架构，所有的worker计算节点都需要聚合给parameter server，这会造成一种通信瓶颈。parameter server的带宽瓶颈　　会影响整个系统性能，随着worker数量的增加，其加速比会迅速的恶化。　　

　　b.此外，在深度学习训练过程中，计算梯度采用BP算法，其特点是后面层的梯度先被计算，而前面层的梯度慢于前面层，Ring-allreduce架构可以充分利用这个特点，在前面层梯　　度计算的同时进行后面层梯度的传递，从而进一步减少训练时间。在百度的实验中，他们发现训练速度基本上线性正比于GPUs数目（worker数）。

　　使用horovod构建分布式深度学习框架

　　二.准备工作：

　　　　　　　1.一开始是利用虚拟机虚拟了三台机子进行了cpu版的成功测试，可惜GPU无法用在虚拟环境上。

　　　　　　 2.后来弄了三两台真实的物理机，将原windows都改为linux系统。

　　　　　　　　a.安装nvidia驱动

　　　　　　　　b.安装cuda

　　　　　　　　c.安装cudnn

　　　　　　　　d.安装pytorch和tf

　　　　　　　　e.两台机子ssh相互免密码登录

　　　　　　　　f.nfs共享文件系统（将脚本和样本放在这里），共它机器挂载在此目录下

　　　　　　　　g.openmpi的安装配置

　　　　　　　　h.nccl的安装配置

　　　　　　　　i.horovod的安装配置

　（我这里使用的版本是:ubuntu16.0.4、nvidia384.130、cuda9.0、cudnn7.6.4、pytorch1.1.0、tf1.12、nccl2(nccl2.x版本为多机多卡)、openmpi4.0.0...）

　　注意：在安装这些工具的时候，需要注意各自匹配的版本以及环境的配置，否则安装不成功，需要耐心。　　

　　环境在配置好后，进行了测试。有个问题是在指定命令运行的时候，多机多gpu会出现bash: orted: command not found，单机可以运行。这里解决的办法有2种：第一　　　　　　是在安装 openmpi时指定--prefix=openmpi安装目录；第二种是在运行时指定命令--prefix openmpi安装目录。

　　三.　利用mnist数字识别进行分布式测试，将测试脚本放在nfs共享目录里，mnist会自动下载训练样本

import argparse
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import datasets,transforms
import torch.utils.data.distributed
import horovod.torch as hvd

# Training settings
parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch MNIST Example')
parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=64, metavar='N',
                    help='input batch size for training (default: 64)')
parser.add_argument('--test-batch-size', type=int, default=1000, metavar='N',
                    help='input batch size for testing (default: 1000)')
parser.add_argument('--epochs', type=int, default=10, metavar='N',
                    help='number of epochs to train (default: 10)')
parser.add_argument('--lr', type=float, default=0.01, metavar='LR',
                    help='learning rate (default: 0.01)')
parser.add_argument('--momentum', type=float, default=0.5, metavar='M',
                    help='SGD momentum (default: 0.5)')
parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                    help='disables CUDA training')
parser.add_argument('--seed', type=int, default=42, metavar='S',
                    help='random seed (default: 42)')
parser.add_argument('--log-interval', type=int, default=10, metavar='N',
                    help='how many batches to wait before logging training status')
parser.add_argument('--fp16-allreduce', action='store_true', default=False,
                    help='use fp16 compression during allreduce')

args = parser.parse_args()
args.cuda = not args.no_cuda and torch.cuda.is_available()

# Horovod: initialize library.
hvd.init()
torch.manual_seed(args.seed)

if args.cuda:
    # horovod: pin GPU to local rank.
    torch.cuda.set_device(hvd.local_rank())
    torch.cuda.manual_seed(args.seed)
#用来记录训练的loss情况，利用tensorboard可视化loss
if hvd.rank() == 0:
    writer = SummaryWriter('/home/user/share/log/mnist_test')

# horovod: limit # of cpu threads to be used per worker.
torch.set_num_threads(1)
kwargs = {'num_workers' : 1, 'pin_memory' : True} if args.cuda else {}
train_dataset = datasets.MNIST('/home/user/share/data/', train=True, download=True,
                   transform=transforms.Compose([
                       transforms.ToTensor(),
                       transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
                   ]))
# Horovod: use DistributedSampler to partition the training data.
train_sampler = torch.utils.data.distributed.DistributedSampler(train_dataset, 
                                                                num_replicas=hvd.size(),
                                                                rank=hvd.rank())
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,
                                          batch_size=args.batch_size,
                                          sampler=train_sampler, **kwargs)

test_dataset = datasets.MNIST('/home/user/share/data/', train=False, download=True,transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
    ]))
# Horovod: use DistributedSampler to partition the test data.
test_sampler = torch.utils.data.distributed.DistributedSampler(test_dataset,
                                                                num_replicas=hvd.size(),
                                                                rank=hvd.rank())
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,
                                         batch_size=args.test_batch_size,
                                         sampler=test_sampler, **kwargs)

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)
        self.conv2_drop = nn.Dropout2d()
        self.fc1 = nn.Linear(320, 50)
        self.fc2 = nn.Linear(50, 10)
    
    def forward(self,x):
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)),2))
        x = x.view(-1, 320)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.dropout(x, training=self.training)
        x = self.fc2(x)
        return F.log_softmax(x)
    
model = Net()

if args.cuda:
    #move model to GPU
    model.cuda()

# Horovod: scale learning rate by the number of GPUs.由于是多机运行，batch较大，所以这里将学习率增大
optimizer = optim.SGD(model.parameters(),
                     lr=args.lr*hvd.size(),
                     momentum=args.momentum)

# Horovod: 广播初始化参数和优化器状态
hvd.broadcast_parameters(model.state_dict(), root_rank=0)
hvd.broadcast_optimizer_state(optimizer, root_rank=0)

# Horovod: (optional) compression algorithm.
compression = hvd.Compression.fp16 if args.fp16_allreduce else hvd.Compression.none

# Horovod: wrap optimizer with DistributedOptimizer
optimizer = hvd.DistributedOptimizer(optimizer,
                                    named_parameters=model.named_parameters(),
                                    compression=compression)

def train(epoch):
    model.train()
    # Horovod: set epoch to sampler for shuffling.
    train_sampler.set_epoch(epoch)
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        if args.cuda:
            data, target = data.cuda(), target.cuda()
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if (batch_idx % args.log_interval == 0) and (hvd.rank() == 0):
            # Horovod: use train_sampler to determine the number of examples in
            # this worker's partition.
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * len(data), len(train_sampler),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))
            niter = epoch * len(train_loader) + batch_idx
            writer.add_scalar('Train/Loss',loss.item(),niter)


def metric_average(val, name):
    tensor = torch.tensor(val)
    avg_tensor = hvd.allreduce(tensor, name=name)
    return avg_tensor.item()


def test():
    model.eval()
    test_loss = 0.
    test_accuracy = 0.
    for data, target in test_loader:
        if args.cuda:
            data, target = data.cuda(), target.cuda()
        output = model(data)
        # sum up batch loss
        test_loss += F.nll_loss(output, target, size_average=False).item()
        # get the index of the max log-probability
        pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1]
        test_accuracy += pred.eq(target.data.view_as(pred)).cpu().float().sum()

    # Horovod: use test_sampler to determine the number of examples in
    # this worker's partition.
    test_loss /= len(test_sampler)
    test_accuracy /= len(test_sampler)

    # Horovod: average metric values across workers.
    test_loss = metric_average(test_loss, 'avg_loss')
    test_accuracy = metric_average(test_accuracy, 'avg_accuracy')

    # Horovod: 在first rank上打印输出
    if hvd.rank() == 0:
        print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {:.2f}%\n'.format(
            test_loss, 100. * test_accuracy))


for epoch in range(1, args.epochs + 1):
    train(epoch)
    test()
    
if hvd.rank() == 0:
    print('hvd.rank:{}'.format(hvd.rank()))
    save_path = '/home/user/model/mnist_model.pkl'
    # 将模型保存在rank为0的机子上
    torch.save(model.state_dict(), save_path)
    print('model save success! path = {}'.format(save_path))

在linux中执行以上脚本的命令是：

    nohup mpirun -np 2 -H work_1:1,work_2:1 -bind-to none -map-by slot -x NCCL_DEBUG=INFO -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca pml ob1 -mca btl ^openib -prefix /home/user/openmpi python -u /home/user/share/torch/test_mnist.py  > /home/user/share/log/test_mnist.log 2>&1 &

其中两台机器为work_1和work_2，分别使用一个GPU；脚本名为test_mnist.py；test_mnist.log为日志。

参考：

1.https://blog.csdn.net/zwqjoy/article/details/81013527

2.https://www.cnblogs.com/goya/p/11790387.html

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