从代码学习深度学习 - 自动并行 PyTorch 版

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前言

在深度学习中，计算效率是模型训练和推理的关键。随着硬件性能的提升，特别是多GPU设备的普及，如何高效利用这些计算资源成为一个重要课题。PyTorch 等深度学习框架通过自动构建计算图，提供了自动并行化的能力，使得开发者无需手动编写复杂的并行代码即可实现高效的计算。本文将通过代码示例，深入探讨 PyTorch 中自动并行的实现，涵盖工具函数、GPU并行计算、数据通信以及同步数据并行训练的完整流程，帮助读者从代码层面理解深度学习的并行优化。

完整代码:下载链接

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一、自动并行概述

深度学习框架（如 PyTorch、MxNet 和飞桨）会在后端自动构建计算图。通过分析计算图中的依赖关系，框架可以识别并行执行的机会，从而优化计算效率。例如，PyTorch 的 dot 操作符能够自动利用单台机器上所有 CPU 核心或单个 GPU 的全部计算资源。然而，在单设备上并行化的收益有限，而多设备（例如多 GPU）场景下并行化的优势尤为显著。

注意：本文中的实验需要至少两块 GPU 来运行。如果你的设备不符合要求，可以通过阅读代码和分析输出结果来理解并行机制。

二、工具函数

为了支持并行计算，我们需要一些工具函数来检测可用设备、管理计时和基准测试。以下是三个核心工具函数的实现：

2.1. 设备检测函数

import torchdef try_gpu(i=0):"""如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()Args:i (int, optional): GPU设备的编号，默认为0，表示尝试使用第0号GPUReturns:torch.device: 返回可用的设备对象，如果指定编号的GPU可用则返回GPU，否则返回CPU"""if torch.cuda.device_count() >= i + 1:return torch.device(f'cuda:{i}')return torch.device('cpu')def try_all_gpus():"""返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]Returns:list: 可用设备的列表，每个元素是一个torch.device对象"""devices = [torch.device(f'cuda:{i}') for i in range(torch.cuda.device_count())]return devices if devices else [torch.device('cpu')]

2.2. 计时器类

import time
import numpyclass Timer:"""记录多次运行时间"""def __init__(self):self.times = []self.start()def start(self):"""启动计时器"""self.tik = time.time()