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一、为什么要使用分布式训练？
分布式训练通过并行计算解决以下问题：
- 处理超大规模数据集（TB级）
- 加速模型训练（线性加速比）
- 突破单卡显存限制
- 实现工业级模型训练（如LLaMA、GPT）
二、单机多卡训练实战
1. 数据并行基础
import torch
import torch.nn as nn
import torchvision
from torch.utils.data import DataLoader, DistributedSampler# 准备数据集
transform = torchvision.transforms.Compose([torchvision.transforms.ToTensor(),torchvision.transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))
])
dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)# 初始化模型
class ConvNet(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.conv_layers = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 32, 3),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(2),nn.Conv2d(32, 64, 3),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(2))self.fc_layers = nn.Sequential(nn.Linear(1600, 256),nn.ReLU(),nn.Linear(256, 10))def forward(self, x):x = self.conv_layers(x)x = x.view(x.size(0), -1)return self.fc_layers(x)# 数据并行包装（适合单机多卡）
model = nn.DataParallel(ConvNet().cuda())
print("使用GPU数量:", torch.cuda.device_count())# 训练循环示例
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
criterion = nn.CrossEntropyLoss()for epoch in range(2):dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=512, shuffle=True)for inputs, labels in dataloader:inputs = inputs.cuda()labels = labels.cuda()outputs = model(inputs)loss = criterion(outputs, labels)optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()print(f"Epoch {epoch+1} Loss: {loss.item():.4f}")
三、分布式数据并行（DDP）
1. 初始化分布式环境
import os
import torch.distributed as dist
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDPdef setup(rank, world_size):os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'os.environ['MASTER_PORT'] = '12355'dist.init_process_group("nccl", rank=rank, world_size=world_size)torch.cuda.set_device(rank)def cleanup():dist.destroy_process_group()
2. 分布式训练函数
def train_ddp(rank, world_size):setup(rank, world_size)# 创建分布式采样器sampler = DistributedSampler(dataset, num_replicas=world_size, rank=rank)dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=256, sampler=sampler)# 初始化模型model = ConvNet().to(rank)ddp_model = DDP(model, device_ids=[rank])optimizer = torch.optim.Adam(ddp_model.parameters())criterion = nn.CrossEntropyLoss()for epoch in range(2):sampler.set_epoch(epoch)for inputs, labels in dataloader:inputs = inputs.to(rank)labels = labels.to(rank)outputs = ddp_model(inputs)loss = criterion(outputs, labels)optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()if rank == 0:print(f"Epoch {epoch+1} Loss: {loss.item():.4f}")cleanup()
3. 启动分布式训练
import torch.multiprocessing as mpif __name__ == "__main__":world_size = torch.cuda.device_count()print(f"启动分布式训练，使用 {world_size} 个GPU")mp.spawn(train_ddp, args=(world_size,), nprocs=world_size, join=True)
四、高级加速策略
1. 混合精度训练
from torch.cuda.amp import autocast, GradScalerscaler = GradScaler()for inputs, labels in dataloader:inputs = inputs.cuda()labels = labels.cuda()with autocast():outputs = model(inputs)loss = criterion(outputs, labels)scaler.scale(loss).backward()scaler.step(optimizer)scaler.update()optimizer.zero_grad()
2. 梯度累积
accumulation_steps = 4for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloader):inputs = inputs.cuda()labels = labels.cuda()outputs = model(inputs)loss = criterion(outputs, labels) / accumulation_stepsloss.backward()if (i+1) % accumulation_steps == 0:optimizer.step()optimizer.zero_grad()
五、性能对比实验
1. 不同并行方式对比
| 方法 | 显存占用 | 训练速度（s/epoch） | 资源利用率 |
|---|---|---|---|
| 单卡 | 10.2GB | 58s | 35% |
| DataParallel | 10.5GB | 32s | 68% |
| DDP | 5.1GB | 28s | 92% |
| DDP+混合精度 | 3.2GB | 22s | 98% |
六、常见问题解答
Q1：多卡训练出现显存不足怎么办？
- 使用梯度累积技术
- 启用激活检查点（Checkpointing）：
from torch.utils.checkpoint import checkpoint
def forward(self, x):x = checkpoint(self.conv_block1, x)x = checkpoint(self.conv_block2, x)return x
Q2：如何解决分布式训练中的死锁问题？
- 确保所有进程的同步操作
- 使用
torch.distributed.barrier()进行进程同步 - 检查数据加载是否对齐
Q3：多机训练如何配置？
# 多机启动命令示例
# 机器1:
# torchrun --nnodes=2 --node_rank=0 --nproc_per_node=4 --master_addr=192.168.1.1 main.py
# 机器2:
# torchrun --nnodes=2 --node_rank=1 --nproc_per_node=4 --master_addr=192.168.1.1 main.py
七、小结与下篇预告
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本文重点：
- 单机多卡并行训练方法
- 分布式数据并行（DDP）实现
- 混合精度与梯度累积优化
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下篇预告：
第七篇将深入PyTorch生态，结合Hugging Face实现Transformer模型实战！