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使用单GPU训练模型

深度学习的训练过程常常非常耗时,一个模型训练几个小时是家常便饭,训练几天也是常有的事情,有时候甚至要训练几十天。

训练过程的耗时主要来自于两个部分,一部分来自数据准备,另一部分来自参数迭代。

当数据准备过程还是模型训练时间的主要瓶颈时,我们可以使用更多进程来准备数据。

当参数迭代过程成为训练时间的主要瓶颈时,我们通常的方法是应用GPU或者Google的TPU来进行加速。

详见《用GPU加速Keras模型——Colab免费GPU使用攻略》

https://zhuanlan.zhihu.com/p/68509398

本篇我们介绍使用单GPU训练模型的方法,后面两篇分别介绍使用多GPU和使用TPU训练模型的方法。

〇,GPU配置

无论是内置fit方法,还是自定义训练循环,从CPU切换成单GPU训练模型都是非常方便的,无需更改任何代码。当存在可用的GPU时,如果不特意指定device,tensorflow会自动优先选择使用GPU来创建张量和执行张量计算

但如果是在公司或者学校实验室的服务器环境,存在多个GPU和多个使用者时,为了不让单个同学的任务占用全部GPU资源导致其他同学无法使用(tensorflow默认获取全部GPU的全部内存资源权限,但实际上只使用一个GPU的部分资源),我们通常会在开头增加以下几行代码以控制每个任务使用的GPU编号和显存大小,以便其他同学也能够同时训练模型。

在Colab笔记本中:修改->笔记本设置->硬件加速器 中选择 GPU

注:以下代码只能在Colab 上才能正确执行。

可通过以下Colab分享链接测试效果《tf_单GPU》:

https://colab.research.google.com/drive/1r5dLoeJq5z01sU72BX2M5UiNSkuxsEFe

%tensorflow_version 2.x
import tensorflow as tf
print(tf.__version__)
from tensorflow.keras import * 

#打印时间分割线
@tf.function
def printbar():
    ts = tf.timestamp()
    today_ts = ts%(24*60*60)

    hour = tf.cast(today_ts//3600+8,tf.int32)%tf.constant(24)
    minite = tf.cast((today_ts%3600)//60,tf.int32)
    second = tf.cast(tf.floor(today_ts%60),tf.int32)

    def timeformat(m):
        if tf.strings.length(tf.strings.format("{}",m))==1:
            return(tf.strings.format("0{}",m))
        else:
            return(tf.strings.format("{}",m))

    timestring = tf.strings.join([timeformat(hour),timeformat(minite),
                timeformat(second)],separator = ":")
    tf.print("=========="*8,end = "")
    tf.print(timestring)

增加以下几行代码控制GPU使用量

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    gpu0 = gpus[0] #如果有多个GPU,仅使用第0个GPU
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu0, True) #设置GPU显存用量按需使用
    # 或者也可以设置GPU显存为固定使用量(例如:4G)
    #tf.config.experimental.set_virtual_device_configuration(gpu0,
    #    [tf.config.experimental.VirtualDeviceConfiguration(memory_limit=4096)]) 
    tf.config.set_visible_devices([gpu0],"GPU") 

比较GPU和CPU的计算速度

printbar()
with tf.device("/gpu:0"):
    tf.random.set_seed(0)
    a = tf.random.uniform((10000,100),minval = 0,maxval = 3.0)
    b = tf.random.uniform((100,100000),minval = 0,maxval = 3.0)
    c = a@b
    tf.print(tf.reduce_sum(tf.reduce_sum(c,axis = 0),axis=0))
printbar()
printbar()
with tf.device("/cpu:0"):
    tf.random.set_seed(0)
    a = tf.random.uniform((10000,100),minval = 0,maxval = 3.0)
    b = tf.random.uniform((100,100000),minval = 0,maxval = 3.0)
    c = a@b
    tf.print(tf.reduce_sum(tf.reduce_sum(c,axis = 0),axis=0))
printbar()

一,准备数据

MAX_LEN = 300
BATCH_SIZE = 32
(x_train,y_train),(x_test,y_test) = datasets.reuters.load_data()
x_train = preprocessing.sequence.pad_sequences(x_train,maxlen=MAX_LEN)
x_test = preprocessing.sequence.pad_sequences(x_test,maxlen=MAX_LEN)

MAX_WORDS = x_train.max()+1
CAT_NUM = y_train.max()+1

ds_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train,y_train)) \
          .shuffle(buffer_size = 1000).batch(BATCH_SIZE) \
          .prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE).cache()

ds_test = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test,y_test)) \
          .shuffle(buffer_size = 1000).batch(BATCH_SIZE) \
          .prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE).cache()

二,定义模型

tf.keras.backend.clear_session()

def create_model():

    model = models.Sequential()

    model.add(layers.Embedding(MAX_WORDS,7,input_length=MAX_LEN))
    model.add(layers.Conv1D(filters = 64,kernel_size = 5,activation = "relu"))
    model.add(layers.MaxPool1D(2))
    model.add(layers.Conv1D(filters = 32,kernel_size = 3,activation = "relu"))
    model.add(layers.MaxPool1D(2))
    model.add(layers.Flatten())
    model.add(layers.Dense(CAT_NUM,activation = "softmax"))
    return(model)

model = create_model()
model.summary()

三,训练模型

optimizer = optimizers.Nadam()
loss_func = losses.SparseCategoricalCrossentropy()

train_loss = metrics.Mean(name='train_loss')
train_metric = metrics.SparseCategoricalAccuracy(name='train_accuracy')

valid_loss = metrics.Mean(name='valid_loss')
valid_metric = metrics.SparseCategoricalAccuracy(name='valid_accuracy')

@tf.function
def train_step(model, features, labels):
    with tf.GradientTape() as tape:
        predictions = model(features,training = True)
        loss = loss_func(labels, predictions)
    gradients = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
    optimizer.apply_gradients(zip(gradients, model.trainable_variables))

    train_loss.update_state(loss)
    train_metric.update_state(labels, predictions)

@tf.function
def valid_step(model, features, labels):
    predictions = model(features)
    batch_loss = loss_func(labels, predictions)
    valid_loss.update_state(batch_loss)
    valid_metric.update_state(labels, predictions)


def train_model(model,ds_train,ds_valid,epochs):
    for epoch in tf.range(1,epochs+1):

        for features, labels in ds_train:
            train_step(model,features,labels)

        for features, labels in ds_valid:
            valid_step(model,features,labels)

        logs = 'Epoch={},Loss:{},Accuracy:{},Valid Loss:{},Valid Accuracy:{}'

        if epoch%1 ==0:
            printbar()
            tf.print(tf.strings.format(logs,
            (epoch,train_loss.result(),train_metric.result(),valid_loss.result(),valid_metric.result())))
            tf.print("")

        train_loss.reset_states()
        valid_loss.reset_states()
        train_metric.reset_states()
        valid_metric.reset_states()

train_model(model,ds_train,ds_test,10)
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