PyTorch 2.2 中文官方教程（十八）（1）-阿里云开发者社区

开始使用完全分片数据并行（FSDP）

原文：pytorch.org/tutorials/intermediate/FSDP_tutorial.html

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

注意

在github上查看并编辑本教程。

在大规模训练 AI 模型是一项具有挑战性的任务，需要大量的计算能力和资源。同时，处理这些非常大模型的训练也伴随着相当大的工程复杂性。PyTorch FSDP，在 PyTorch 1.11 中发布，使这变得更容易。

在本教程中，我们展示了如何使用FSDP APIs，用于简单的 MNIST 模型，可以扩展到其他更大的模型，比如HuggingFace BERT 模型，GPT 3 模型高达 1T 参数。示例 DDP MNIST 代码是从这里借鉴的。

FSDP 是如何工作的

在DistributedDataParallel（DDP）训练中，每个进程/工作器拥有模型的副本并处理一批数据，最后使用全局归约来汇总不同工作器上的梯度。在 DDP 中，模型权重和优化器状态在所有工作器之间复制。FSDP 是一种数据并行 ism，它在 DDP 等级之间分片模型参数、优化器状态和梯度。

使用 FSDP 进行训练时，GPU 内存占用比在所有工作节点上使用 DDP 进行训练时要小。这使得一些非常大的模型的训练变得可行，因为可以容纳更大的模型或批量大小在设备上。但这也会增加通信量。通过内部优化，如重叠通信和计算，可以减少通信开销。

FSDP 工作流程

在高层次上，FSDP 的工作方式如下：

在构造函数中

分片模型参数和每个等级只保留自己的分片

在前向路径

运行 all_gather 来收集所有等级的所有碎片，以恢复此 FSDP 单元中的完整参数。
进行前向计算
丢弃刚收集的参数分片

在反向路径中

运行 all_gather 来收集所有等级的所有碎片，以恢复此 FSDP 单元中的完整参数。
运行反向计算
运行 reduce_scatter 来同步梯度
丢弃参数。

将 FSDP 的分片视为将 DDP 梯度全局归约分解为归约散射和全局聚集的一种方式。具体来说，在反向传播过程中，FSDP 减少并散射梯度，确保每个秩具有梯度的一个片段。然后在优化器步骤中更新相应的参数片段。最后，在随后的前向传播过程中，它执行全局聚集操作来收集和组合更新的参数片段。

FSDP Allreduce

如何使用 FSDP

在这里，我们使用一个玩具模型来对 MNIST 数据集进行训练，以演示目的。这些 API 和逻辑也可以应用于训练更大的模型。

设置

1.1 安装 PyTorch 和 Torchvision

pip3  install  --pre  torch  torchvision  torchaudio  -f  https://download.pytorch.org/whl/nightly/cu113/torch_nightly.html

我们将以下代码片段添加到一个名为“FSDP_mnist.py”的 Python 脚本中。

1.2 导入必要的包

注意

本教程适用于 PyTorch 版本 1.12 及更高版本。如果您使用的是早期版本，请将所有的 size_based_auto_wrap_policy 实例替换为 default_auto_wrap_policy。

# Based on: https://github.com/pytorch/examples/blob/master/mnist/main.py
import os
import argparse
import functools
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR
import torch.distributed as dist
import torch.multiprocessing as mp
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from torch.distributed.fsdp import FullyShardedDataParallel as FSDP
from torch.distributed.fsdp.fully_sharded_data_parallel import (
    CPUOffload,
    BackwardPrefetch,
)
from torch.distributed.fsdp.wrap import (
    size_based_auto_wrap_policy,
    enable_wrap,
    wrap,
)

1.3 分布式训练设置。正如我们提到的，FSDP 是一种数据并行 ism，它需要一个分布式训练环境，因此我们在这里使用两个辅助函数来初始化分布式训练的进程并进行清理。

def setup(rank, world_size):
    os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'
    os.environ['MASTER_PORT'] = '12355'
    # initialize the process group
    dist.init_process_group("nccl", rank=rank, world_size=world_size)
def cleanup():
    dist.destroy_process_group()

2.1 定义我们的手写数字分类的玩具模型。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        self.dropout1 = nn.Dropout(0.25)
        self.dropout2 = nn.Dropout(0.5)
        self.fc1 = nn.Linear(9216, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.conv2(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = self.dropout1(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.fc1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.dropout2(x)
        x = self.fc2(x)
        output = F.log_softmax(x, dim=1)
        return output

2.2 定义一个训练函数。

def train(args, model, rank, world_size, train_loader, optimizer, epoch, sampler=None):
    model.train()
    ddp_loss = torch.zeros(2).to(rank)
    if sampler:
        sampler.set_epoch(epoch)
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(rank), target.to(rank)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target, reduction='sum')
        loss.backward()
        optimizer.step()
        ddp_loss[0] += loss.item()
        ddp_loss[1] += len(data)
    dist.all_reduce(ddp_loss, op=dist.ReduceOp.SUM)
    if rank == 0:
        print('Train Epoch: {}  \tLoss: {:.6f}'.format(epoch, ddp_loss[0] / ddp_loss[1]))

2.3 定义一个验证函数

def test(model, rank, world_size, test_loader):
    model.eval()
    correct = 0
    ddp_loss = torch.zeros(3).to(rank)
    with torch.no_grad():
        for data, target in test_loader:
            data, target = data.to(rank), target.to(rank)
            output = model(data)
            ddp_loss[0] += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item()  # sum up batch loss
            pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True)  # get the index of the max log-probability
            ddp_loss[1] += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()
            ddp_loss[2] += len(data)
    dist.all_reduce(ddp_loss, op=dist.ReduceOp.SUM)
    if rank == 0:
        test_loss = ddp_loss[0] / ddp_loss[2]
        print('Test set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.2f}%)\n'.format(
            test_loss, int(ddp_loss[1]), int(ddp_loss[2]),
            100. * ddp_loss[1] / ddp_loss[2]))

2.4 定义一个分布式训练函数，将模型包装在 FSDP 中

注意：为了保存 FSDP 模型，我们需要在每个排名上调用 state_dict，然后在排名 0 上保存整体状态。

def fsdp_main(rank, world_size, args):
    setup(rank, world_size)
    transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
    ])
    dataset1 = datasets.MNIST('../data', train=True, download=True,
                        transform=transform)
    dataset2 = datasets.MNIST('../data', train=False,
                        transform=transform)
    sampler1 = DistributedSampler(dataset1, rank=rank, num_replicas=world_size, shuffle=True)
    sampler2 = DistributedSampler(dataset2, rank=rank, num_replicas=world_size)
    train_kwargs = {'batch_size': args.batch_size, 'sampler': sampler1}
    test_kwargs = {'batch_size': args.test_batch_size, 'sampler': sampler2}
    cuda_kwargs = {'num_workers': 2,
                    'pin_memory': True,
                    'shuffle': False}
    train_kwargs.update(cuda_kwargs)
    test_kwargs.update(cuda_kwargs)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset1,**train_kwargs)
    test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset2, **test_kwargs)
    my_auto_wrap_policy = functools.partial(
        size_based_auto_wrap_policy, min_num_params=100
    )
    torch.cuda.set_device(rank)
    init_start_event = torch.cuda.Event(enable_timing=True)
    init_end_event = torch.cuda.Event(enable_timing=True)
    model = Net().to(rank)
    model = FSDP(model)
    optimizer = optim.Adadelta(model.parameters(), lr=args.lr)
    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=args.gamma)
    init_start_event.record()
    for epoch in range(1, args.epochs + 1):
        train(args, model, rank, world_size, train_loader, optimizer, epoch, sampler=sampler1)
        test(model, rank, world_size, test_loader)
        scheduler.step()
    init_end_event.record()
    if rank == 0:
        print(f"CUDA event elapsed time: {init_start_event.elapsed_time(init_end_event)  /  1000}sec")
        print(f"{model}")
    if args.save_model:
        # use a barrier to make sure training is done on all ranks
        dist.barrier()
        states = model.state_dict()
        if rank == 0:
            torch.save(states, "mnist_cnn.pt")
    cleanup()

2.5 最后，解析参数并设置主函数

if __name__ == '__main__':
    # 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: 14)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=1.0, metavar='LR',
                        help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.7, metavar='M',
                        help='Learning rate step gamma (default: 0.7)')
    parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                        help='disables CUDA training')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=1, metavar='S',
                        help='random seed (default: 1)')
    parser.add_argument('--save-model', action='store_true', default=False,
                        help='For Saving the current Model')
    args = parser.parse_args()
    torch.manual_seed(args.seed)
    WORLD_SIZE = torch.cuda.device_count()
    mp.spawn(fsdp_main,
        args=(WORLD_SIZE, args),
        nprocs=WORLD_SIZE,
        join=True)

我们已记录了 CUDA 事件来测量 FSDP 模型特定部分的时间。CUDA 事件时间为 110.85 秒。

python  FSDP_mnist.py
CUDA  event  elapsed  time  on  training  loop  40.67462890625sec

使用 FSDP 包装模型后，模型将如下所示，我们可以看到模型已经被包装在一个 FSDP 单元中。或者，我们将考虑接下来添加 fsdp_auto_wrap_policy，并讨论其中的区别。

FullyShardedDataParallel(
  (_fsdp_wrapped_module):  FlattenParamsWrapper(
  (_fpw_module):  Net(
  (conv1):  Conv2d(1,  32,  kernel_size=(3,  3),  stride=(1,  1))
  (conv2):  Conv2d(32,  64,  kernel_size=(3,  3),  stride=(1,  1))
  (dropout1):  Dropout(p=0.25,  inplace=False)
  (dropout2):  Dropout(p=0.5,  inplace=False)
  (fc1):  Linear(in_features=9216,  out_features=128,  bias=True)
  (fc2):  Linear(in_features=128,  out_features=10,  bias=True)
  )
  )
)

以下是在 g4dn.12.xlarge AWS EC2 实例上使用 4 个 GPU 进行 FSDP MNIST 训练时从 PyTorch Profiler 捕获的峰值内存使用情况。

FSDP 峰值内存使用量

在 FSDP 中应用fsdp_auto_wrap_policy，否则，FSDP 将把整个模型放在一个 FSDP 单元中，这将降低计算效率和内存效率。它的工作方式是，假设您的模型包含 100 个线性层。如果您对模型进行 FSDP 处理，那么只会有一个包含整个模型的 FSDP 单元。在这种情况下，allgather 将收集所有 100 个线性层的完整参数，因此不会为参数分片节省 CUDA 内存。此外，对于所有 100 个线性层，只有一个阻塞的 allgather 调用，层之间不会有通信和计算重叠。

为了避免这种情况，您可以传入一个 fsdp_auto_wrap_policy，当满足指定条件（例如大小限制）时，将封装当前的 FSDP 单元并自动启动一个新的。这样，您将拥有多个 FSDP 单元，每次只需要一个 FSDP 单元收集完整参数。例如，假设您有 5 个 FSDP 单元，每个包含 20 个线性层。然后，在前向传播中，第一个 FSDP 单元将收集前 20 个线性层的参数，进行计算，丢弃参数，然后继续下一个 20 个线性层。因此，在任何时候，每个 rank 只会实现 20 个线性层的参数/梯度，而不是 100 个。

为了在 2.4 中这样做，我们定义了 auto_wrap_policy 并将其传递给 FSDP 包装器，在以下示例中，my_auto_wrap_policy 定义了如果该层中的参数数量大于 100，则该层可以被 FSDP 包装或分片。如果该层中的参数数量小于 100，则它将与其他小层一起被 FSDP 包装。找到一个最佳的自动包装策略是具有挑战性的，PyTorch 将在将来为此配置添加自动调整功能。没有自动调整工具，最好通过实验使用不同的自动包装策略来分析您的工作流程，并找到最佳策略。

my_auto_wrap_policy = functools.partial(
        size_based_auto_wrap_policy, min_num_params=20000
    )
torch.cuda.set_device(rank)
model = Net().to(rank)
model = FSDP(model,
    fsdp_auto_wrap_policy=my_auto_wrap_policy)

应用 fsdp_auto_wrap_policy，模型将如下：

FullyShardedDataParallel(
(_fsdp_wrapped_module):  FlattenParamsWrapper(
  (_fpw_module):  Net(
  (conv1):  Conv2d(1,  32,  kernel_size=(3,  3),  stride=(1,  1))
  (conv2):  Conv2d(32,  64,  kernel_size=(3,  3),  stride=(1,  1))
  (dropout1):  Dropout(p=0.25,  inplace=False)
  (dropout2):  Dropout(p=0.5,  inplace=False)
  (fc1):  FullyShardedDataParallel(
  (_fsdp_wrapped_module):  FlattenParamsWrapper(
  (_fpw_module):  Linear(in_features=9216,  out_features=128,  bias=True)
  )
  )
  (fc2):  Linear(in_features=128,  out_features=10,  bias=True)
  )
)

python  FSDP_mnist.py
CUDA  event  elapsed  time  on  training  loop  41.89130859375sec

以下是在 g4dn.12.xlarge AWS EC2 实例上使用 4 个 GPU 进行 MNIST 训练时，从 PyTorch Profiler 捕获的 FSDP 自动包装策略的峰值内存使用情况。可以观察到，与未应用自动包装策略的 FSDP 相比，每个设备上的峰值内存使用量较小，从约 75 MB 降至 66 MB。

使用 Auto_wrap 策略的 FSDP 峰值内存使用量

CPU 卸载：如果模型非常庞大，即使使用 FSDP 也无法适应 GPU，那么 CPU 卸载可能会有所帮助。

目前，仅支持参数和梯度的 CPU 卸载。可以通过传入 cpu_offload=CPUOffload(offload_params=True)来启用。

请注意，目前这将隐式地启用梯度卸载到 CPU，以便参数和梯度在同一设备上与优化器一起工作。此 API 可能会发生变化。默认值为 None，在这种情况下将不会进行卸载。

使用这个功能可能会显著减慢训练速度，因为频繁地从主机复制张量到设备，但它可以帮助提高内存效率并训练更大规模的模型。

在 2.4 版本中，我们只是将其添加到 FSDP 包装器中。

model = FSDP(model,
    fsdp_auto_wrap_policy=my_auto_wrap_policy,
    cpu_offload=CPUOffload(offload_params=True))

将其与 DDP 进行比较，如果在 2.4 中我们只是正常地将模型包装在 DPP 中，并保存更改在“DDP_mnist.py”中。

model = Net().to(rank)
model = DDP(model)

python  DDP_mnist.py
CUDA  event  elapsed  time  on  training  loop  39.77766015625sec

以下是在 g4dn.12.xlarge AWS EC2 实例上使用 4 个 GPU 进行 DDP MNIST 训练时从 PyTorch 分析器中捕获的峰值内存使用情况。

DDP 使用 Auto_wrap 策略的峰值内存使用量

考虑到我们在这里定义的玩具示例和微小的 MNIST 模型，我们可以观察到 DDP 和 FSDP 的峰值内存使用之间的差异。在 DDP 中，每个进程持有模型的副本，因此内存占用量较高，而与 DDP 排名相比，FSDP 将模型参数、优化器状态和梯度进行分片。使用 auto_wrap 策略的 FSDP 的峰值内存使用量最低，其次是 FSDP 和 DDP。

此外，从时间上看，考虑到小模型并在单台机器上运行训练，FSDP 在有或没有自动包装策略的情况下几乎与 DDP 一样快。这个例子并不代表大多数真实应用程序，有关 DDP 和 FSDP 的详细分析和比较，请参考这篇博客文章。

使用完全分片数据并行（FSDP）进行高级模型训练。

原文：pytorch.org/tutorials/intermediate/FSDP_adavnced_tutorial.html

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

作者：Hamid Shojanazeri，Less Wright，Rohan Varma，Yanli Zhao

本教程介绍了 PyTorch 1.12 版本中 Fully Sharded Data Parallel（FSDP）的更高级特性。要熟悉 FSDP，请参考FSDP 入门教程。

在本教程中，我们使用 FSDP 对 HuggingFace（HF）的 T5 模型进行微调，作为文本摘要的工作示例。

这个例子使用了 Wikihow，为了简单起见，我们将展示在一个单节点上进行训练，使用带有 8 个 A100 GPU 的 P4dn 实例。我们很快将在多节点集群上发布一篇关于大规模 FSDP 训练的博客文章，请关注 PyTorch 的官方媒体渠道。

FSDP 是一个已经准备好的软件包，专注于易用性、性能和长期支持。FSDP 的主要优势之一是减少每个 GPU 上的内存占用。这使得可以使用更低的总内存训练更大的模型，同时利用计算和通信的重叠来高效训练模型。这种减少的内存压力可以用来训练更大的模型或增加批量大小，潜在地帮助提高整体训练吞吐量。您可以在这里阅读更多关于 PyTorch FSDP 的信息。

本教程中的 FSDP 功能

Transformer 自动包装策略
混合精度
在设备上初始化 FSDP 模型
分片策略
向后预取
通过流式传输保存模型检查点到 CPU

FSDP 工作原理回顾

在高层次上，FDSP 的工作方式如下：

在构造函数中

分片模型参数，每个等级只保留自己的分片

在前向传播中

运行 all_gather 以收集所有排名的所有碎片，以恢复此 FSDP 单元的完整参数运行前向计算
丢弃刚刚收集的非所有者参数分片以释放内存

在反向传递中

运行 all_gather 以收集所有等级的所有碎片，以恢复此 FSDP 单元中的完整参数运行向后计算
丢弃非所有者参数以释放内存。
运行 reduce_scatter 以同步梯度。

微调 HF T5

HF T5 预训练模型有四种不同大小可供选择，从参数为 6000 万的小型模型到参数为 110 亿的 XXL 模型。在本教程中，我们演示了使用 WikiHow 数据集对 T5 3B 进行微调，以用于文本摘要。本教程的主要重点是突出 FSDP 中可用的不同功能，这些功能有助于训练超过 3B 参数的大规模模型。此外，我们还介绍了基于 Transformer 的模型的特定功能。本教程的代码可在Pytorch 示例中找到。

设置

1.1 安装 PyTorch 最新版本

我们将安装 PyTorch 的 nightlies 版本，因为一些功能，比如激活检查点，在 nightlies 版本中可用，并将在 1.12 版本之后的下一个 PyTorch 发布中添加。

pip3  install  --pre  torch  torchvision  torchaudio  -f  https://download.pytorch.org/whl/nightly/cu113/torch_nightly.html

1.2 数据集设置

请创建一个名为 data 的文件夹，从wikihowAll.csv和wikihowSep.cs下载 WikiHow 数据集，并将它们放在 data 文件夹中。我们将使用来自summarization_dataset的 wikihow 数据集。

接下来，我们将以下代码片段添加到一个名为“T5_training.py”的 Python 脚本中。

注意

本教程的完整源代码可在PyTorch 示例中找到。

1.3 导入必要的包：

import os
import argparse
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from transformers import AutoTokenizer, GPT2TokenizerFast
from transformers import T5Tokenizer, T5ForConditionalGeneration
import functools
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR
import torch.nn.functional as F
import torch.distributed as dist
import torch.multiprocessing as mp
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from transformers.models.t5.modeling_t5 import T5Block
from torch.distributed.algorithms._checkpoint.checkpoint_wrapper import (
 checkpoint_wrapper,
 CheckpointImpl,
 apply_activation_checkpointing_wrapper)
from torch.distributed.fsdp import (
    FullyShardedDataParallel as FSDP,
    MixedPrecision,
    BackwardPrefetch,
    ShardingStrategy,
    FullStateDictConfig,
    StateDictType,
)
from torch.distributed.fsdp.wrap import (
    transformer_auto_wrap_policy,
    enable_wrap,
    wrap,
)
from functools import partial
from torch.utils.data import DataLoader
from pathlib import Path
from summarization_dataset import *
from transformers.models.t5.modeling_t5 import T5Block
from typing import Type
import time
import tqdm
from datetime import datetime

1.4 分布式训练设置。在这里，我们使用两个辅助函数来初始化分布式训练的进程，然后在训练完成后进行清理。在本教程中，我们将使用 torch elastic，使用torchrun，它会自动设置工作进程的 RANK 和 WORLD_SIZE。

def setup():
    # initialize the process group
    dist.init_process_group("nccl")
def cleanup():
    dist.destroy_process_group()

2.1 设置 HuggingFace T5 模型：

def setup_model(model_name):
    model = T5ForConditionalGeneration.from_pretrained(model_name)
    tokenizer =  T5Tokenizer.from_pretrained(model_name)
    return model, tokenizer

我们还在这里添加了一些用于日期和格式化内存指标的辅助函数。

def get_date_of_run():
  """create date and time for file save uniqueness
 example: 2022-05-07-08:31:12_PM'
 """
    date_of_run = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d-%I:%M:%S_%p")
    print(f"--> current date and time of run = {date_of_run}")
    return date_of_run
def format_metrics_to_gb(item):
  """quick function to format numbers to gigabyte and round to 4 digit precision"""
    metric_num = item / g_gigabyte
    metric_num = round(metric_num, ndigits=4)
    return metric_num

2.2 定义一个训练函数：

def train(args, model, rank, world_size, train_loader, optimizer, epoch, sampler=None):
    model.train()
    local_rank = int(os.environ['LOCAL_RANK'])
    fsdp_loss = torch.zeros(2).to(local_rank)
    if sampler:
        sampler.set_epoch(epoch)
    if rank==0:
        inner_pbar = tqdm.tqdm(
            range(len(train_loader)), colour="blue", desc="r0 Training Epoch"
        )
    for batch in train_loader:
        for key in batch.keys():
            batch[key] = batch[key].to(local_rank)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input_ids=batch["source_ids"],attention_mask=batch["source_mask"],labels=batch["target_ids"] )
        loss = output["loss"]
        loss.backward()
        optimizer.step()
        fsdp_loss[0] += loss.item()
        fsdp_loss[1] += len(batch)
        if rank==0:
            inner_pbar.update(1)
    dist.all_reduce(fsdp_loss, op=dist.ReduceOp.SUM)
    train_accuracy = fsdp_loss[0] / fsdp_loss[1]
    if rank == 0:
        inner_pbar.close()
        print(
                f"Train Epoch: \t{epoch}, Loss: \t{train_accuracy:.4f}"
            )
    return train_accuracy

2.3 定义一个验证函数：

def validation(model, rank, world_size, val_loader):
    model.eval()
    correct = 0
    local_rank = int(os.environ['LOCAL_RANK'])
    fsdp_loss = torch.zeros(3).to(local_rank)
    if rank == 0:
        inner_pbar = tqdm.tqdm(
            range(len(val_loader)), colour="green", desc="Validation Epoch"
        )
    with torch.no_grad():
        for batch in val_loader:
            for key in batch.keys():
                batch[key] = batch[key].to(local_rank)
            output = model(input_ids=batch["source_ids"],attention_mask=batch["source_mask"],labels=batch["target_ids"])
            fsdp_loss[0] += output["loss"].item()  # sum up batch loss
            fsdp_loss[1] += len(batch)
            if rank==0:
                inner_pbar.update(1)
    dist.all_reduce(fsdp_loss, op=dist.ReduceOp.SUM)
    val_loss = fsdp_loss[0] / fsdp_loss[1]
    if rank == 0:
        inner_pbar.close()
        print(f"Validation Loss: {val_loss:.4f}")
    return val_loss

定义一个包装模型在 FSDP 中的分布式训练函数。

def fsdp_main(args):
    model, tokenizer = setup_model("t5-base")
    local_rank = int(os.environ['LOCAL_RANK'])
    rank = int(os.environ['RANK'])
    world_size = int(os.environ['WORLD_SIZE'])
    dataset = load_dataset('wikihow', 'all', data_dir='data/')
    print(dataset.keys())
    print("Size of train dataset: ", dataset['train'].shape)
    print("Size of Validation dataset: ", dataset['validation'].shape)
    #wikihow(tokenizer, type_path, num_samples, input_length, output_length, print_text=False)
    train_dataset = wikihow(tokenizer, 'train', 1500, 512, 150, False)
    val_dataset = wikihow(tokenizer, 'validation', 300, 512, 150, False)
    sampler1 = DistributedSampler(train_dataset, rank=rank, num_replicas=world_size, shuffle=True)
    sampler2 = DistributedSampler(val_dataset, rank=rank, num_replicas=world_size)
    setup()
    train_kwargs = {'batch_size': args.batch_size, 'sampler': sampler1}
    test_kwargs = {'batch_size': args.test_batch_size, 'sampler': sampler2}
    cuda_kwargs = {'num_workers': 2,
                    'pin_memory': True,
                    'shuffle': False}
    train_kwargs.update(cuda_kwargs)
    test_kwargs.update(cuda_kwargs)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,**train_kwargs)
    val_loader = torch.utils.data.DataLoader(val_dataset, **test_kwargs)
    t5_auto_wrap_policy = functools.partial(
        transformer_auto_wrap_policy,
        transformer_layer_cls={
            T5Block,
        },
    )
    sharding_strategy: ShardingStrategy = ShardingStrategy.SHARD_GRAD_OP #for Zero2 and FULL_SHARD for Zero3
    torch.cuda.set_device(local_rank)
    #init_start_event = torch.cuda.Event(enable_timing=True)
    #init_end_event = torch.cuda.Event(enable_timing=True)
    #init_start_event.record()
    bf16_ready = (
    torch.version.cuda
    and torch.cuda.is_bf16_supported()
    and LooseVersion(torch.version.cuda) >= "11.0"
    and dist.is_nccl_available()
    and nccl.version() >= (2, 10)
    )
    if bf16_ready:
        mp_policy = bfSixteen
    else:
        mp_policy = None # defaults to fp32
    # model is on CPU before input to FSDP
    model = FSDP(model,
        auto_wrap_policy=t5_auto_wrap_policy,
        mixed_precision=mp_policy,
        #sharding_strategy=sharding_strategy,
        device_id=torch.cuda.current_device())
    optimizer = optim.AdamW(model.parameters(), lr=args.lr)
    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=args.gamma)
    best_val_loss = float("inf")
    curr_val_loss = float("inf")
    file_save_name = "T5-model-"
    if rank == 0:
        time_of_run = get_date_of_run()
        dur = []
        train_acc_tracking = []
        val_acc_tracking = []
        training_start_time = time.time()
    if rank == 0 and args.track_memory:
        mem_alloc_tracker = []
        mem_reserved_tracker = []
    for epoch in range(1, args.epochs + 1):
        t0 = time.time()
        train_accuracy = train(args, model, rank, world_size, train_loader, optimizer, epoch, sampler=sampler1)
        if args.run_validation:
            curr_val_loss = validation(model, rank, world_size, val_loader)
        scheduler.step()
        if rank == 0:
            print(f"--> epoch {epoch} completed...entering save and stats zone")
            dur.append(time.time() - t0)
            train_acc_tracking.append(train_accuracy.item())
            if args.run_validation:
                val_acc_tracking.append(curr_val_loss.item())
            if args.track_memory:
                mem_alloc_tracker.append(
                    format_metrics_to_gb(torch.cuda.memory_allocated())
                )
                mem_reserved_tracker.append(
                    format_metrics_to_gb(torch.cuda.memory_reserved())
                )
            print(f"completed save and stats zone...")
        if args.save_model and curr_val_loss < best_val_loss:
            # save
            if rank == 0:
                print(f"--> entering save model state")
            save_policy = FullStateDictConfig(offload_to_cpu=True, rank0_only=True)
            with FSDP.state_dict_type(
                model, StateDictType.FULL_STATE_DICT, save_policy
            ):
                cpu_state = model.state_dict()
            #print(f"saving process: rank {rank}  done w state_dict")
            if rank == 0:
                print(f"--> saving model ...")
                currEpoch = (
                    "-" + str(epoch) + "-" + str(round(curr_val_loss.item(), 4)) + ".pt"
                )
                print(f"--> attempting to save model prefix {currEpoch}")
                save_name = file_save_name + "-" + time_of_run + "-" + currEpoch
                print(f"--> saving as model name {save_name}")
                torch.save(cpu_state, save_name)
        if curr_val_loss < best_val_loss:
            best_val_loss = curr_val_loss
            if rank==0:
                print(f"-->>>> New Val Loss Record: {best_val_loss}")
    dist.barrier()
    cleanup()

2.5 解析参数并设置主函数：

if __name__ == '__main__':
    # Training settings
    parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch T5 FSDP Example')
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=4, metavar='N',
                        help='input batch size for training (default: 64)')
    parser.add_argument('--test-batch-size', type=int, default=4, metavar='N',
                        help='input batch size for testing (default: 1000)')
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=2, metavar='N',
                        help='number of epochs to train (default: 3)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=.002, metavar='LR',
                        help='learning rate (default: .002)')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.7, metavar='M',
                        help='Learning rate step gamma (default: 0.7)')
    parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                        help='disables CUDA training')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=1, metavar='S',
                        help='random seed (default: 1)')
    parser.add_argument('--track_memory', action='store_false', default=True,
                        help='track the gpu memory')
    parser.add_argument('--run_validation', action='store_false', default=True,
                        help='running the validation')
    parser.add_argument('--save-model', action='store_false', default=True,
                        help='For Saving the current Model')
    args = parser.parse_args()
    torch.manual_seed(args.seed)
    fsdp_main(args)

使用 torchrun 运行训练：

torchrun  --nnodes  1  --nproc_per_node  4  T5_training.py

转换器包装策略

正如在上一个教程中讨论的，auto_wrap_policy 是 FSDP 功能之一，它使得自动对给定模型进行分片并将模型、优化器和梯度分片放入不同的 FSDP 单元变得容易。

对于一些架构，比如 Transformer 编码器-解码器，模型的一些部分，比如嵌入表，被编码器和解码器共享。在这种情况下，我们需要将嵌入表放在外部 FSDP 单元中，以便从编码器和解码器中访问。此外，通过为 transformer 注册层类，分片计划可以变得更加通信高效。在 PyTorch 1.12 中，FSDP 添加了这种支持，现在我们有了一个用于 transformers 的包装策略。

可以按照以下方式创建，其中 T5Block 代表 T5 变压器层类（包含 MHSA 和 FFN）。

t5_auto_wrap_policy = functools.partial(
        transformer_auto_wrap_policy,
        transformer_layer_cls={
            T5Block,
        },
    )
torch.cuda.set_device(local_rank)
model = FSDP(model,
    fsdp_auto_wrap_policy=t5_auto_wrap_policy)

要查看包装的模型，您可以轻松打印模型并直观地检查分片和 FSDP 单元。

PyTorch 2.2 中文官方教程（十八）（2）https://developer.aliyun.com/article/1482606

PyTorch 2.2 中文官方教程（十八）（1）

开始使用完全分片数据并行（FSDP）

FSDP 是如何工作的

如何使用 FSDP

使用完全分片数据并行（FSDP）进行高级模型训练。

本教程中的 FSDP 功能

FSDP 工作原理回顾

微调 HF T5

转换器包装策略

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