【他山之石】pytorch常见的坑汇总

“他山之石，可以攻玉”，站在巨人的肩膀才能看得更高，走得更远。在科研的道路上，更需借助东风才能更快前行。为此，我们特别搜集整理了一些实用的代码链接，数据集，软件，编程技巧等，开辟“他山之石”专栏，助你乘风破浪，一路奋勇向前，敬请关注。

作者：知乎—郁振波

地址：https://www.zhihu.com/people/su-po-moon

最近刚开始用pytorch不久，陆陆续续踩了不少坑，记录一下，个人感觉应该都是一些很容易遇到的一些坑，也在此比较感谢帮我排坑的小伙伴，持续更新，也祝愿自己遇到的坑越来越少。

首先作为tensorflow的骨灰级玩家+轻微强迫症患者，一路打怪升级，从0.6版本用到1.2，再用到1.10，经历了tensorfow数个版本更迭，这里不得不说一下tf.data.dataset+tfrecord使用起来效率远比dataloader高的多。

tensorflow有一个比较好用的队列机制，tf.inputproducer + tfrecord, 但是inputproducer有一个bug，就是无法对每个epoch单独shuffle，它只能整体shuffle,也就意味着我们无法进行正常的训练流程（train几个epoch，在validation上测一个epoch,最终选一个validation上的最好的结果，进行test）。后来我当时给官方提了一个issue，官方当时的回答是，这个bug目前无法解决，但是他们在即将到来的tf1.2版本中， 推出的新型数据处理API tf.contrib.data.dataset（tf1.3版本将其合并到了tf.data.dataset）可以完美解决这个bug，并且将于tf2.0摒弃tf.input_producer。然后tf1.2版本刚出来以后，我就立马升级并且开始tf.data.dataset踩坑，踩了大概2周多的坑，（这个新版的API其实功能并不是非常强大，有不少局限性，在此就不展开）。

好像扯远了，回归pytorch，首先让我比较尴尬的是pytorch并没有一套属于自己的数据结构以及数据读取算法，dataloader个人感觉其实就是类似于tf中的feed，并没有任何速度以及性能上的提升。

先总结一下遇到的坑：

01

没有比较高效的数据存储，tensorflow有tfrecord, caffe有lmdb，cv.imread在网络训练过程中实属浪费时间。这里感谢一下小智大神 @智天成

解决方案：

当时看到了一个还不错的github链接，https://github.com/Lyken17/Efficient-PyTorch

主要是讲如何使用lmdb，h5py,pth,lmdb,n5等数据存储方式皆可以。

个人的感受是，h5在数据调用上比较快，但是如果要使用多线程读写，就尽量不要使用h5,因为h5的多线程读写好像比较麻烦。http://docs.h5py.org/en/stable/mpi.html

这里贴一下h5数据的读写代码(主要需要注意的是字符串的读写需要encode,decode,最好用create_dataset，直接写的话读的时候会报错)：

写：
    imagenametotal_.append(os.path.join('images', imagenametotal).encode())
    with h5py.File(outfile) as f:
        f.create_dataset('imagename', data=imagenametotal_)
        f['part'] = parts_
        f['S'] = Ss_
        f['image'] = cvimgs
读：
with h5py.File(outfile) as f:
    imagename = [x.decode() for x in f['imagename']]
    kp2ds = np.array(f['part'])
    kp3ds = np.array(f['S'])
    cvimgs = np.array(f['image'])

02

gpu imbalance，这里感谢一下张航学长@张航

老生常谈的问题，第一个GPU显存占用多一点。

张航学长Hang Zhang (张航)提了一个开源的gpu balance的工具--PyTorch-Encoding。

使用方法还是比较便捷的，如下所示：

from balanced_parallel import DataParallelModel, DataParallelCriterion
model = DataParallelModel(model, device_ids=gpus).cuda()
criterion = loss_fn().cuda()

这里其实有2个注意点，第一，测试的时候需要手动将gpu合并，代码如下：

from torch.nn.parallel.scatter_gather import gather
preds = gather(preds, 0)

第二，当loss函数有多个组成的时候，比如 loss = loss1 + loss2 + loss3

那么需要把这三个loss写到一个class中，然后再forward里面将其加起来。

其次，我们还可以用另外一个函数distributedDataParallel来解决gpu imbalance的问题.

使用方法如下：（注：此方法好像无法和h5数据同时使用）

from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel

torch.distributed.init_process_group(backend="nccl")
# 配置每个进程的gpu
local_rank = torch.distributed.get_rank()
torch.cuda.set_device(local_rank)
device = torch.device("cuda", local_rank)

#封装之前要把模型移到对应的gpu
model.to(device)
model = torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(model,device_ids=[local_rank],
                                                   output_device=local_rank)

#原有的dataloader上面加一个数据sample
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_dataset,
        sampler=DistributedSampler(train_dataset)
    )

03

gpu利用率不高+gpu现存占用浪费

常用配置：

1. 主函数前面加：（这个会牺牲一点点现存提高模型精度）

cudnn.benchmark = True
torch.backends.cudnn.deterministic = False
torch.backends.cudnn.enabled = True

2. 训练时，epoch前面加：（定期清空模型，效果感觉不明显）

torch.cuda.empty_cache()

3. 无用变量前面加：（同上，效果某些操作上还挺明显的）

del xxx(变量名)

4. dataloader的长度_len_设置：（dataloader会间歇式出现卡顿，设置成这样会避免不少）

def __len__(self):
    return self.images.shape[0]

5. dataloader的预加载设置：（会在模型训练的时候加载数据，提高一点点gpu利用率）

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_dataset,
        pin_memory=True,
    )

6. 网络设计很重要，外加不要初始化任何用不到的变量，因为pyroch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。

7. 最后放一张目前依旧困扰我的图片：

可以看到，每个epoch刚开始训练数据的时候，第一个iteration时间会占用的非常多,pytorch这里就做的很糟糕，并不是一个动态分配的过程，我也看到了一个看上去比较靠谱的解决方案，解决方案如下 @风车车：https://zhuanlan.zhihu.com/p/77633542

但是我看了下代码，可能需要重构dataloader，看了评论好像还有问题，有点懒，目前还没有踩坑，准备后面有时间踩一下。

暂且更新到这里，后续遇到什么坑陆续补充，也欢迎大家给我补充，pytorch初学者小白一枚。

8. apex混合单精度模型

事实证明，apex并没有官网说的那么玄乎，只能减低显存，并不能提速（12G显存大概可以降低到8G左右，效果还挺明显的，但是，速度降低了大概1/3，好像有点得不偿失）。

编译之后提速也很有限，再此留个坑，有小伙伴能解决的可以私信我哈，如果可以解决我会仔细罗列一遍。

最新的pytorch1.6自动写好了apex,非常好用，性能和速度不会掉（普通的titan RTX2080Ti 1080Ti 等系列的显卡均支持，只是不能提速）。教程如下:

https://pytorch.org/blog/pytorch-1.6-released/

最近分享了一些奇技淫巧的深度环境工具：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/112360461

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