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PyTorch分布式训练

news 来源：原创 2025/5/17 3:38:59

本文结构：

分布式训练概述
环境设置
数据并行（DDP）
模型并行
启动训练
性能优化建议
示例代码
参考资料和相关问题

以下是为您整理的PyTorch分布式训练教程指南：

一、PyTorch分布式训练核心概念

数据并行：通过分割数据集实现多GPU并行训练，主流方法包括：
- DistributedDataParallel (DDP)：官方推荐的分布式训练接口
- DataParallel (DP)：单机多卡方案（已逐步被DDP取代）
模型并行：
- 流水线并行：将模型按层拆分到不同设备
- 张量并行：拆分单个运算的矩阵维度
通信协议：
- NCCL：NVIDIA GPU专用通信库
- Gloo：支持CPU和GPU的跨平台协议

二、DDP实战步骤

1. 环境初始化

import torch.distributed as dist

def setup(rank, world_size):
    dist.init_process_group(
        backend='nccl',  # GPU推荐NCCL
        init_method='env://',
        rank=rank,
        world_size=world_size
    )
    torch.cuda.set_device(rank)

2. 数据分片

通过DistributedSampler实现数据集自动划分：

from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler

sampler = DistributedSampler(
    dataset,
    num_replicas=world_size,
    rank=rank,
    shuffle=True
)
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=64, sampler=sampler)

（数据划分原理见引用[3]中描述的补充采样机制）

3. 模型封装

model = NeuralNetwork().to(rank)
model = DDP(model, device_ids=[rank])

4. 训练循环

for epoch in range(epochs):
    sampler.set_epoch(epoch)  # 保证shuffle有效性
    for batch in dataloader:
        outputs = model(batch)
        loss = criterion(outputs)
        loss.backward()
        optimizer.step()

三、多节点启动方法

引用[2]展示了多节点启动命令示例，推荐使用官方启动工具：

# 单机多卡启动（4 GPU）
torchrun --nproc_per_node=4 train.py

# 多节点启动（需配置MASTER_ADDR）
torchrun --nnodes=2 --nproc_per_node=4 --master_addr=192.168.1.1 train.py

四、性能优化建议

通信优化：
- 使用梯度累积减少通信频率
- 设置find_unused_parameters=False（当模型有未使用参数时需设为True）
计算优化：
- 增大批次尺寸 $B$ 可提升计算效率（引用[4]中的 $T_{comp}$ 优化）
- 混合精度训练
```
scaler = GradScaler()
with autocast():
    outputs = model(inputs)
scaler.scale(loss).backward()
scaler.step(optimizer)
```
网络优化：
- 使用RDMA高速网络降低 $T_{sync}$ （引用[4]）
- 梯度压缩技术

五、完整代码示例

import torch
import torch.distributed as dist
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP

def main(rank, world_size):
    # 初始化进程组
    setup(rank, world_size)
    
    # 准备数据
    dataset = MyDataset()
    sampler = DistributedSampler(dataset, world_size, rank)
    dataloader = DataLoader(dataset, sampler=sampler)
    
    # 构建模型
    model = DDP(MyModel().to(rank), device_ids=[rank])
    
    # 训练循环
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
    for epoch in range(100):
        sampler.set_epoch(epoch)
        for batch in dataloader:
            inputs = batch.to(rank)
            outputs = model(inputs)
            loss = outputs.mean()
            loss.backward()
            optimizer.step()
            optimizer.zero_grad()

if __name__ == "__main__":
    world_size = torch.cuda.device_count()
    torch.multiprocessing.spawn(main, args=(world_size,), nprocs=world_size)