Some Tricks of PyTorch

changelog

2019 年 11 月 29 日: 更新一些模型设计技巧和推理加速的内容, 补充了下 apex 的一个介绍链接, ~~另外删了 tfrecord, pytorch 能用么? 这个我记得是不能, 所以删掉了~~(表示删掉:<)
2019 年 11 月 30 日: 补充 MAC 的含义, 补充 ShuffleNetV2 的论文链接
2019 年 12 月 02 日: 之前说的 pytorch 不能用 tfrecord, 今天看到https://www.zhihu.com/question/358632497下的一个回答, 涨姿势了
2019 年 12 月 23 日: 补充几篇关于模型压缩量化的科普性文章
2020 年 2 月 7 日: 从文章中摘录了一点注意事项, 补充在了代码层面小节
2020 年 4 月 30 日:
- 添加了一个 github 的文档备份
- 补充了卷积层和 BN 层融合的介绍的链接
- 另外这里说明下, 对于之前参考的很多朋友的文章和回答, 没有把链接和对应的内容提要关联在一起, 估计会导致一些朋友阅读时相关的内容时的提问, 无法问到原作者, 这里深感抱歉.
- 调整部分内容, 将内容尽量与参考链接相对应
2020 年 5 月 18 日: 补充一些关于 PyTorch 节省显存的技巧. 同时简单调整格式. 另外发现一个之前的错误: non_blocking=False 的建议应该是 non_blocking=True .
2021 年 01 月 06 日：调整下关于读取图片数据的一些介绍.
2021 年 01 月 13 日：补充了一条推理加速的策略. 我觉得我应该先更新 github 的文档，知乎答案的更新有点麻烦，也没法比较更改信息，就很费劲。
2022 年 6 月 26 日：重新调整了下格式和内容安排，同时补充了更多的参考资料和一些最新发现的有效内容。
2024 年 6 月 20 日：简单调整格式，补充了基于 tar 格式和 IterableDataset 的一种加速数据读取的思路。

PyTorch 提速

Note

原始文档:https://www.yuque.com/lart/ugkv9f/ugysgn

声明: 大部分内容来自知乎和其他博客的分享, 这里只作为一个收集罗列. 欢迎给出更多建议.

知乎回答 (欢迎点赞哦):

预处理提速

尽量减少每次读取数据时的预处理操作, 可以考虑把一些固定的操作, 例如 resize , 事先处理好保存下来, 训练的时候直接拿来用。
将预处理搬到 GPU 上加速。
- Linux 可以使用 NVIDIA/DALI。
- 使用基于 Tensor 的图像处理操作。

IO 提速

mmcv 对数据的读取提供了比较高效且全面的支持：OpenMMLab：MMCV 核心组件分析(三): FileClient

使用更快的图片处理

opencv 一般要比 PIL 要快。
- 请注意，PIL 的惰性加载的策略使得其看上去 open 要比 opencv 的 imread 要快，但是实际上那并没有完全加载数据。可以对 open 返回的对象调用其 load() 方法，从而手动加载数据，这时的速度才是合理的。
对于 jpeg 读取, 可以尝试 jpeg4py。
存 bmp 图 (降低解码时间)。
关于不同图像处理库速度的讨论：Python 的各种 imread 函数在实现方式和读取速度上有何区别？ - 知乎

整合数据为单个连续文件 (降低读取次数)

对于大规模的小文件读取，可以保存为一个可以连续读取的连续文件格式。可以选择考虑 TFRecord (Tensorflow) , recordIO, hdf5, pth, n5, lmdb等。

TFRecord ：https://github.com/vahidk/tfrecord
lmdb 数据库：
基于 Tar文件和IterableDataset的实现

预读取数据

预读取下一次迭代需要的数据。使用案例：

借助内存

直接载到内存里面。
- 将图片读取后存到一个固定的容器对象中。
  - YoloV5 中的 --cache。
把内存映射成磁盘。

借助固态

机械硬盘换成 NVME 固态。参考自如何给你 PyTorch 里的 Dataloader 打鸡血 - MKFMIKU 的文章 - 知乎

训练策略

低精度训练

在训练中使用低精度 ( FP16 甚至 INT8 、二值网络、三值网络) 表示取代原有精度 ( FP32 ) 表示。

可以节约一定的显存并提速, 但是要小心一些不安全的操作如 mean 和 sum。

混合精度训练的介绍文章：
- 由浅入深的混合精度训练教程
NVIDIA/Apex 提供的混合精度支持。
- PyTorch 必备神器 | 唯快不破：基于 Apex 的混合精度加速
- Pytorch 安装 APEX 疑难杂症解决方案 - 陈瀚可的文章 - 知乎
PyTorch1.6 开始提供的torch.cuda.amp 以支持混合精度。

更大的 batch

更大的 batch 在固定的 epoch 的情况下往往会带来更短的训练时间。但是大的 batch 面临着超参数的设置、显存占用问题等诸多考量，这又是另一个备受关注的领域了。

超参数设置
- Accurate, large minibatch SGD: training imagenet in 1 hour，论文
优化显存占用
- Gradient Accumulation
- Gradient Checkpointing
  - Training deep nets with sublinear memory cost，论文
- In-Place Operation
  - In-Place Activated BatchNorm for Memory-Optimized Training of DNNs，论文，代码

代码层面

库设置

在训练循环之前设置 torch.backends.cudnn.benchmark = True 可以加速计算。由于计算不同内核大小卷积的 cuDNN 算法的性能不同，自动调优器可以运行一个基准来找到最佳算法。当你的输入大小不经常改变时，建议开启这个设置。如果输入大小经常改变，那么自动调优器就需要太频繁地进行基准测试，这可能会损害性能。它可以将向前和向后传播速度提高 1.27x 到 1.70x。
使用页面锁定内存，即在 DataLoader 中设定 pin_memory=True。
合适的 num_worker，细节讨论可见 Pytorch 提速指南 - 云梦的文章 - 知乎。
optimizer.zero_grad(set_to_none=False 这里可以通过设置 set_to_none=True 来降低的内存占用，并且可以适度提高性能。但是这也会改变某些行为，具体可见文档。通过 model.zero_grad() 或 optimizer.zero_grad() 将对所有参数执行 memset，并通过读写操作更新梯度。但是，将梯度设置为 None 将不会执行 memset，并且将使用“只写”操作更新梯度。因此，设置梯度为 None 更快。
反向传播期间设定使用 eval 模式并使用 torch.no_grad 关闭梯度计算。
可以考虑使用 channels_last 的内存格式。
用DistributedDataParallel代替DataParallel。对于多 GPU 来说，即使只有单个节点，也总是优先使用 DistributedDataParallel 而不是 DataParallel ，因为 DistributedDataParallel 应用于多进程，并为每个 GPU 创建一个进程，从而绕过 Python 全局解释器锁 (GIL) 并提高速度。

模型

不要初始化任何用不到的变量，因为 PyTorch 的初始化和 forward 是分开的，他不会因为你不去使用，而不去初始化。
@torch.jit.script，使用 PyTroch JIT 将逐点运算融合到单个 CUDA kernel 上。PyTorch 优化了维度很大的张量的运算操作。在 PyTorch 中对小张量进行太多的运算操作是非常低效的。所以有可能的话，将计算操作都重写为批次（batch）的形式，可以减少消耗和提高性能。而如果没办法自己手动实现批次的运算操作，那么可以采用 TorchScript 来提升代码的性能。TorchScript 是一个 Python 函数的子集，但经过了 PyTorch 的验证，PyTorch 可以通过其 just in time(jtt) 编译器来自动优化 TorchScript 代码，提高性能。但更好的做法还是手动实现批次的运算操作。
在使用混合精度的 FP16 时，对于所有不同架构设计，设置尺寸为 8 的倍数。
BN 之前的卷积层可以去掉 bias。因为在数学上，bias 可以通过 BN 的均值减法来抵消。我们可以节省模型参数、运行时的内存。

数据

将 batch size 设置为 8 的倍数，最大化 GPU 内存的使用。
GPU 上尽可能执行 NumPy 风格的操作。
使用 del 释放内存占用。
避免不同设备之间不必要的数据传输。
创建张量的时候，直接指定设备，而不要创建后再传输到目标设备上。
使用 torch.from_numpy(ndarray) 或者 torch.as_tensor(data, dtype=None, device=None)，这可以通过共享内存而避免重新申请空间，具体使用细节和注意事项可参考对应文档。如果源设备和目标设备都是 CPU，torch.from_numpy 和 torch.as_tensor 不会拷贝数据。如果源数据是 NumPy 数组，使用 torch.from_numpy 更快。如果源数据是一个具有相同数据类型和设备类型的张量，那么 torch.as_tensor 可以避免拷贝数据，这里的数据可以是 Python 的 list， tuple，或者张量。
使用非阻塞传输，即设定 non_blocking=True。这会在可能的情况下尝试异步转换，例如，将页面锁定内存中的 CPU 张量转换为 CUDA 张量。

对优化器的优化

将模型参数存放到一块连续的内存中，从而减少 optimizer.step() 的时间。
- contiguous_pytorch_params
使用 APEX 中的 fused building blocks

模型设计

CNN

ShuffleNetV2，论文。
- 卷积层输入输出通道一致: 卷积层的输入和输出特征通道数相等时 MAC（内存访问消耗时间, memory access cost 缩写为 MAC ）最小, 此时模型速度最快
- 减少卷积分组: 过多的 group 操作会增大 MAC, 从而使模型速度变慢
- 减少模型分支: 模型中的分支数量越少, 模型速度越快
- 减少 element-wise 操作: element-wise 操作所带来的时间消耗远比在 FLOPs 上的体现的数值要多, 因此要尽可能减少 element-wise 操作。 depthwise convolution 也具有低 FLOPs 、高 MAC 的特点。

Vision Transformer

TRT-ViT: TensorRT-oriented Vision Transformer，论文，解读。
- stage-level：Transformer block 适合放置到模型的后期，这可以最大化效率和性能的权衡。
- stage-level：先浅后深的 stage 设计模式可以提升性能。
- block-level：Transformer 和 BottleNeck 的混合 block 要比单独的 Transformer 更有效。
- block-level：先全局再局部的 block 设计模式有助于弥补性能问题。

通用思路

降低复杂度: 例如模型裁剪和剪枝, 减少模型层数和参数规模
改模型结构: 例如模型蒸馏, 通过知识蒸馏方法来获取小模型

推理加速

半精度与权重量化

在推理中使用低精度 ( FP16 甚至 INT8 、二值网络、三值网络) 表示取代原有精度 ( FP32 ) 表示。

TensorRT 是 NVIDIA 提出的神经网络推理 (Inference) 引擎, 支持训练后 8BIT 量化, 它使用基于交叉熵的模型量化算法, 通过最小化两个分布的差异程度来实现
Pytorch1.3 开始已经支持量化功能, 基于 QNNPACK 实现, 支持训练后量化, 动态量化和量化感知训练等技术
另外 Distiller 是 Intel 基于 Pytorch 开源的模型优化工具, 自然也支持 Pytorch 中的量化技术
微软的 NNI 集成了多种量化感知的训练算法, 并支持 PyTorch/TensorFlow/MXNet/Caffe2 等多个开源框架

更多细节可参考有三 AI:【杂谈】当前模型量化有哪些可用的开源工具?。

操作融合

重参数化（Re-Parameterization）

RepVGG
- RepVGG|让你的 ConVNet 一卷到底，plain 网络首次超过 80%top1 精度

时间分析

Python 自带了几个性能分析的模块 profile , cProfile 和 hotshot , 使用方法基本都差不多, 无非模块是纯 Python 还是用 C 写的。
PyTorch Profiler 是一种工具，可在训练和推理过程中收集性能指标。Profiler 的上下文管理器 API 可用于更好地了解哪种模型算子成本最高，检查其输入形状和堆栈记录，研究设备内核活动并可视化执行记录。

项目推荐

基于 Pytorch 实现模型压缩:
- 量化:8/4/2 bits(dorefa)、三值/二值 (twn/bnn/xnor-net)。
- 剪枝: 正常、规整、针对分组卷积结构的通道剪枝。
- 分组卷积结构。
- 针对特征二值量化的 BN 融合。

扩展阅读

PyTorch 节省显存

原始文档:https://www.yuque.com/lart/ugkv9f/nvffyf

整理自: Pytorch 有什么节省内存 (显存) 的小技巧? - 知乎 https://www.zhihu.com/question/274635237

使用 In-Place 操作

对于默认支持 inplace 的操作尽量启用。比如 relu 可以使用 inplace=True 。
可以将 batchnorm 和一些特定的激活函数打包成 inplace_abn。

损失函数

每次循环结束时删除 loss, 可以节约很少显存, 但聊胜于无。可见 Tensor to Variable and memory freeing best practices

混合精度

可以节约一定的显存并提速, 但是要小心一些不安全的操作如 mean 和 sum。

混合精度训练的介绍文章：
- 由浅入深的混合精度训练教程
NVIDIA/Apex 提供的混合精度支持。
- PyTorch 必备神器 | 唯快不破：基于 Apex 的混合精度加速
- Pytorch 安装 APEX 疑难杂症解决方案 - 陈瀚可的文章 - 知乎
PyTorch1.6 开始提供的torch.cuda.amp 以支持混合精度。

管理不需要反向传播的操作

对于不需要反向传播的前向阶段，如验证和推理期间，使用 torch.no_grad 来包裹代码。
- 注意 model.eval() 不等于 torch.no_grad() , 请看如下讨论: 'model.eval()' vs 'with torch.no_grad()'
将不需要计算梯度的变量的 requires_grad 设为 False, 让变量不参与梯度的后向传播，以减少不必要的梯度的显存占用。
移除不需要计算的梯度路径：
- Stochastic Backpropagation: A Memory Efficient Strategy for Training Video Models，解读可见：
  - https://www.yuque.com/lart/papers/xu5t00
  - https://blog.csdn.net/P_LarT/article/details/124978961

显存清理

torch.cuda.empty_cache() 这是 del 的进阶版, 使用 nvidia-smi 会发现显存有明显的变化. 但是训练时最大的显存占用似乎没变. 大家可以试试: How can we release GPU memory cache?
可以使用 del 删除不必要的中间变量, 或者使用 replacing variables 的形式来减少占用.

梯度累加（Gradient Accumulation）

把一个 batchsize=64 分为两个 32 的 batch，两次 forward 以后，backward 一次。但会影响 batchnorm 等和 batchsize 相关的层。

在 PyTorch 的文档中提到了梯度累加与混合精度并用的例子。

使用梯度累加技术可以对分布式训练加速，这可以参考：[原创][深度][PyTorch] DDP 系列第三篇：实战与技巧 - 996 黄金一代的文章 - 知乎

梯度检查点（Gradient Checkpointing）

PyTorch 中提供了 torch.utils.checkpoint。这是通过在反向传播期间，在每个检查点位置重新执行一次前向传播来实现的。

论文 Training Deep Nets with Sublinear Memory Cost 基于梯度检查点技术，将显存从 O(N) 降到了 O(sqrt(N))。对于越深的模型, 这个方法省的显存就越多, 且速度不会明显变慢。

参考资料

其他技巧

重现

可关注文档中相关章节。

强制确定性操作

避免使用非确定性算法。

PyTorch 中，torch.use_deterministic_algorithms() 可以强制使用确定性算法而不是非确定性算法，并且如果已知操作是非确定性的（并且没有确定性的替代方案），则会抛出错误。

设置随机数种子

def seed_torch(seed=1029):
    random.seed(seed)
    os.environ['PYTHONHASHSEED'] = str(seed)
    np.random.seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed_all(seed) # if you are using multi-GPU.
    torch.backends.cudnn.benchmark = False
    torch.backends.cudnn.deterministic = True

seed_torch()

参考自https://www.zdaiot.com/MLFrameworks/Pytorch/Pytorch%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E7%A7%8D%E5%AD%90/

PyTorch 1.9 版本前 DataLoader 中的隐藏 BUG

具体细节可见可能 95%的人还在犯的 PyTorch 错误 - serendipity 的文章 - 知乎

解决方法可参考文档：

def seed_worker(worker_id):
    worker_seed = torch.initial_seed() % 2**32
    numpy.random.seed(worker_seed)
    random.seed(worker_seed)

DataLoader(..., worker_init_fn=seed_worker)

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