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分布式 RPC 框架入门

原文：https://pytorch.org/tutorials/intermediate/rpc_tutorial.html

作者：Shen Li

先决条件：

本教程使用两个简单的示例来演示如何使用torch.distributed.rpc包构建分布式训练，该包首先在 PyTorch v1.4 中作为原型功能引入。 这两个示例的源代码可以在 PyTorch 示例中找到。

先前的教程分布式数据并行入门和使用 PyTorch 编写分布式应用，描述了DistributedDataParallel，该模型支持特定的训练范例，该模型可在多个进程之间复制，每个进程都处理输入数据的拆分。 有时，您可能会遇到需要不同训练范例的场景。 例如：

  1. 在强化学习中，从环境中获取训练数据可能相对昂贵，而模型本身可能很小。 在这种情况下，产生多个并行运行的观察者并共享一个智能体可能会很有用。 在这种情况下，智能体将在本地负责训练，但是应用仍将需要库在观察者和训练者之间发送和接收数据。
  2. 您的模型可能太大，无法容纳在一台计算机上的 GPU 中，因此需要一个库来帮助将模型拆分到多台计算机上。 或者，您可能正在实现参数服务器训练框架，其中模型参数和训练器位于不同的机器上。

torch.distributed.rpc包可以帮助解决上述情况。 在情况 1 中， RPC 和 RRef 允许将数据从一个工作程序发送到另一个工作程序，同时轻松引用远程数据对象。 在情况 2 中，分布式 Autograd 和分布式优化器使执行反向传递和优化器步骤就像本地训练一样。 在接下来的两节中，我们将使用强化学习示例和语言模型示例来演示torch.distributed.rpc的 API。 请注意，本教程并非旨在构建最准确或最有效的模型来解决给定的问题，相反，此处的主要目标是演示如何使用torch.distributed.rpc包来构建分布式训练应用。

使用 RPC 和 RRef 的分布式强化学习

本节介绍了使用 RPC 建立玩具分布式强化学习模型以解决 OpenAI Gym 中的 CartPole-v1 的步骤。 策略代码主要是从现有的单线程示例中借用的，如下所示。 我们将跳过Policy设计的详细信息，并将重点介绍 RPC 的用法。

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Policy(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Policy, self).__init__()
        self.affine1 = nn.Linear(4, 128)
        self.dropout = nn.Dropout(p=0.6)
        self.affine2 = nn.Linear(128, 2)

        self.saved_log_probs = []
        self.rewards = []

    def forward(self, x):
        x = self.affine1(x)
        x = self.dropout(x)
        x = F.relu(x)
        action_scores = self.affine2(x)
        return F.softmax(action_scores, dim=1)

首先，让我们准备一个助手，以在RRef的所有者工作程序上远程运行函数。 您将在本教程的示例中的多个地方发现该函数。 理想情况下，torch.distributed.rpc包应立即提供这些助手函数。 例如，如果应用可以直接调用RRef.some_func(*arg)，然后将其转换为RRef所有者的 RPC，将会更容易。 在pytorch/pytorch#31743中跟踪了此 API 的进度。

from torch.distributed.rpc import rpc_sync

def _call_method(method, rref, *args, **kwargs):
    return method(rref.local_value(), *args, **kwargs)

def _remote_method(method, rref, *args, **kwargs):
    args = [method, rref] + list(args)
    return rpc_sync(rref.owner(), _call_method, args=args, kwargs=kwargs)

# to call a function on an rref, we could do the following
# _remote_method(some_func, rref, *args)

我们准备介绍观察员。 在此示例中，每个观察者创建自己的环境，并等待智能体的命令来运行剧集。 在每个剧集中，一个观察者最多循环n_steps个迭代，并且在每个迭代中，它使用 RPC 将其环境状态传递给智能体并取回操作。 然后，它将该操作应用于其环境，并从环境中获取奖励和下一个状态。 之后，观察者使用另一个 RPC 向智能体报告奖励。 同样，请注意，这显然不是最有效的观察者实现。 例如，一个简单的优化可能是将当前状态和最后的报酬打包到一个 RPC 中，以减少通信开销。 但是，目标是演示 RPC API，而不是为 CartPole 构建最佳的求解器。 因此，在此示例中，让逻辑保持简单，并明确两个步骤。

import argparse
import gym
import torch.distributed.rpc as rpc

parser = argparse.ArgumentParser(
    description="RPC Reinforcement Learning Example",
    formatter_class=argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter,
)

parser.add_argument('--world_size', default=2, help='Number of workers')
parser.add_argument('--log_interval', default=1, help='Log every log_interval episodes')
parser.add_argument('--gamma', default=0.1, help='how much to value future rewards')
parser.add_argument('--seed', default=1, help='random seed for reproducibility')
args = parser.parse_args()

class Observer:

    def __init__(self):
        self.id = rpc.get_worker_info().id
        self.env = gym.make('CartPole-v1')
        self.env.seed(args.seed)

    def run_episode(self, agent_rref, n_steps):
        state, ep_reward = self.env.reset(), 0
        for step in range(n_steps):
            # send the state to the agent to get an action
            action = _remote_method(Agent.select_action, agent_rref, self.id, state)

            # apply the action to the environment, and get the reward
            state, reward, done, _ = self.env.step(action)

            # report the reward to the agent for training purpose
            _remote_method(Agent.report_reward, agent_rref, self.id, reward)

            if done:
                break

agent 的代码稍微复杂一点，我们将其分成多个部分。 在此示例中，智能体既充当训练者又充当主角色，以便它向多个分布式观察者发送命令以运行剧集，并且还记录本地的所有动作和奖励，这些动作和奖赏将在每个剧集之后的训练阶段使用。 下面的代码显示了Agent构造器，其中大多数行都在初始化各种组件。 最后的循环在其他工作器上远程初始化观察者，并在本地将RRefs保留给这些观察者。 智能体稍后将使用那些观察者RRefs发送命令。 应用无需担心RRefs的寿命。 每个RRef的所有者维护一个引用计数图以跟踪其生命周期，并保证只要该RRef的任何活动用户都不会删除远程数据对象。 有关详细信息，请参考RRef 设计文档。

import gym
import numpy as np

import torch
import torch.distributed.rpc as rpc
import torch.optim as optim
from torch.distributed.rpc import RRef, rpc_async, remote
from torch.distributions import Categorical

class Agent:
    def __init__(self, world_size):
        self.ob_rrefs = []
        self.agent_rref = RRef(self)
        self.rewards = {}
        self.saved_log_probs = {}
        self.policy = Policy()
        self.optimizer = optim.Adam(self.policy.parameters(), lr=1e-2)
        self.eps = np.finfo(np.float32).eps.item()
        self.running_reward = 0
        self.reward_threshold = gym.make('CartPole-v1').spec.reward_threshold
        for ob_rank in range(1, world_size):
            ob_info = rpc.get_worker_info(OBSERVER_NAME.format(ob_rank))
            self.ob_rrefs.append(remote(ob_info, Observer))
            self.rewards[ob_info.id] = []
            self.saved_log_probs[ob_info.id] = []

接下来，智能体向观察者公开两个 API，以供他们选择动作和报告奖励。 这些函数仅在智能体上本地运行，但是将由观察者通过 RPC 触发。

class Agent:
    ...
    def select_action(self, ob_id, state):
        state = torch.from_numpy(state).float().unsqueeze(0)
        probs = self.policy(state)
        m = Categorical(probs)
        action = m.sample()
        self.saved_log_probs[ob_id].append(m.log_prob(action))
        return action.item()

    def report_reward(self, ob_id, reward):
        self.rewards[ob_id].append(reward)

让我们在智能体上添加run_episode函数，该函数告诉所有观察者执行片段。 在此函数中，它首先创建一个列表，以从异步 RPC 收集期货，然后在所有观察者RRefs上循环以生成异步 RPC。 在这些 RPC 中，智能体还将自身的RRef传递给观察者，以便观察者也可以在智能体上调用函数。 如上所示，每个观察者都将 RPC 返回给智能体，它们是嵌套的 RPC。 在每个剧集之后，saved_log_probs和rewards将包含记录的动作概率和奖励。

class Agent:
    ...
    def run_episode(self, n_steps=0):
        futs = []
        for ob_rref in self.ob_rrefs:
            # make async RPC to kick off an episode on all observers
            futs.append(
                rpc_async(
                    ob_rref.owner(),
                    _call_method,
                    args=(Observer.run_episode, ob_rref, self.agent_rref, n_steps)
                )
            )

        # wait until all obervers have finished this episode
        for fut in futs:
            fut.wait()

最后，在一集之后，智能体需要训练模型，该模型在下面的finish_episode函数中实现。 此函数中没有 RPC，并且大多数是从单线程示例中借用的。 因此，我们跳过描述其内容。

class Agent:
    ...
    def finish_episode(self):
      # joins probs and rewards from different observers into lists
      R, probs, rewards = 0, [], []
      for ob_id in self.rewards:
          probs.extend(self.saved_log_probs[ob_id])
          rewards.extend(self.rewards[ob_id])

      # use the minimum observer reward to calculate the running reward
      min_reward = min([sum(self.rewards[ob_id]) for ob_id in self.rewards])
      self.running_reward = 0.05 * min_reward + (1 - 0.05) * self.running_reward

      # clear saved probs and rewards
      for ob_id in self.rewards:
          self.rewards[ob_id] = []
          self.saved_log_probs[ob_id] = []

      policy_loss, returns = [], []
      for r in rewards[::-1]:
          R = r + args.gamma * R
          returns.insert(0, R)
      returns = torch.tensor(returns)
      returns = (returns - returns.mean()) / (returns.std() + self.eps)
      for log_prob, R in zip(probs, returns):
          policy_loss.append(-log_prob * R)
      self.optimizer.zero_grad()
      policy_loss = torch.cat(policy_loss).sum()
      policy_loss.backward()
      self.optimizer.step()
      return min_reward

使用Policy，Observer和Agent类，我们准备启动多个过程来执行分布式训练。 在此示例中，所有进程都运行相同的run_worker函数，并且它们使用等级来区分其角色。 等级 0 始终是智能体，其他所有等级都是观察者。 智能体通过重复调用run_episode和finish_episode作为主设备，直到运行的奖励超过环境指定的奖励阈值为止。 所有观察者都被动地等待来自智能体的命令。 该代码由rpc.init_rpc和rpc.shutdown包装，它们分别初始化和终止 RPC 实例。 API 页面中提供了更多详细信息。

import os
from itertools import count

import torch.multiprocessing as mp

AGENT_NAME = "agent"
OBSERVER_NAME="obs"
TOTAL_EPISODE_STEP = 100

def run_worker(rank, world_size):
    os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'
    os.environ['MASTER_PORT'] = '29500'
    if rank == 0:
        # rank0 is the agent
        rpc.init_rpc(AGENT_NAME, rank=rank, world_size=world_size)

        agent = Agent(world_size)
        for i_episode in count(1):
            n_steps = int(TOTAL_EPISODE_STEP / (args.world_size - 1))
            agent.run_episode(n_steps=n_steps)
            last_reward = agent.finish_episode()

            if i_episode % args.log_interval == 0:
                print('Episode {}\tLast reward: {:.2f}\tAverage reward: {:.2f}'.format(
                      i_episode, last_reward, agent.running_reward))

            if agent.running_reward > agent.reward_threshold:
                print("Solved! Running reward is now {}!".format(agent.running_reward))
                break
    else:
        # other ranks are the observer
        rpc.init_rpc(OBSERVER_NAME.format(rank), rank=rank, world_size=world_size)
        # observers passively waiting for instructions from the agent

    # block until all rpcs finish, and shutdown the RPC instance
    rpc.shutdown()

mp.spawn(
    run_worker,
    args=(args.world_size, ),
    nprocs=args.world_size,
    join=True
)

以下是使用world_size = 2进行训练时的一些示例输出。

Episode 10      Last reward: 26.00      Average reward: 10.01
Episode 20      Last reward: 16.00      Average reward: 11.27
Episode 30      Last reward: 49.00      Average reward: 18.62
Episode 40      Last reward: 45.00      Average reward: 26.09
Episode 50      Last reward: 44.00      Average reward: 30.03
Episode 60      Last reward: 111.00     Average reward: 42.23
Episode 70      Last reward: 131.00     Average reward: 70.11
Episode 80      Last reward: 87.00      Average reward: 76.51
Episode 90      Last reward: 86.00      Average reward: 95.93
Episode 100     Last reward: 13.00      Average reward: 123.93
Episode 110     Last reward: 33.00      Average reward: 91.39
Episode 120     Last reward: 73.00      Average reward: 76.38
Episode 130     Last reward: 137.00     Average reward: 88.08
Episode 140     Last reward: 89.00      Average reward: 104.96
Episode 150     Last reward: 97.00      Average reward: 98.74
Episode 160     Last reward: 150.00     Average reward: 100.87
Episode 170     Last reward: 126.00     Average reward: 104.38
Episode 180     Last reward: 500.00     Average reward: 213.74
Episode 190     Last reward: 322.00     Average reward: 300.22
Episode 200     Last reward: 165.00     Average reward: 272.71
Episode 210     Last reward: 168.00     Average reward: 233.11
Episode 220     Last reward: 184.00     Average reward: 195.02
Episode 230     Last reward: 284.00     Average reward: 208.32
Episode 240     Last reward: 395.00     Average reward: 247.37
Episode 250     Last reward: 500.00     Average reward: 335.42
Episode 260     Last reward: 500.00     Average reward: 386.30
Episode 270     Last reward: 500.00     Average reward: 405.29
Episode 280     Last reward: 500.00     Average reward: 443.29
Episode 290     Last reward: 500.00     Average reward: 464.65
Solved! Running reward is now 475.3163778435275!

在此示例中，我们展示了如何使用 RPC 作为通信工具来跨工作器传递数据，以及如何使用 RRef 引用远程对象。 的确，您可以直接在ProcessGroup send和recv API 之上构建整个结构，也可以使用其他通信/ RPC 库。 但是，通过使用torch.distributed.rpc，您可以在后台获得本机支持并不断优化性能。

接下来，我们将展示如何将 RPC 和 RRef 与分布式 Autograd 和分布式优化器结合起来执行分布式模型并行训练。

使用分布式 Autograd 和分布式优化器的分布式 RNN

在本节中，我们将使用 RNN 模型来展示如何使用 RPC API 构建分布式模型并行训练。 示例 RNN 模型非常小，可以轻松地放入单个 GPU 中，但是我们仍将其层划分为两个不同的工作器来演示这一想法。 开发人员可以应用类似的技术在多个设备和机器上分布更大的模型。

RNN 模型设计是从 PyTorch 示例存储库中的词语言模型中借用的，该存储库包含三个主要组件，一个嵌入表，一个LSTM层和一个解码器。 下面的代码将嵌入表和解码器包装到子模块中，以便它们的构造器可以传递给 RPC API。 在EmbeddingTable子模块中，我们有意将Embedding层放在 GPU 上以涵盖用例。 在 v1.4 中，RPC 始终在目标工作线程上创建 CPU 张量参数或返回值。 如果函数使用 GPU 张量，则需要将其显式移动到适当的设备。

class EmbeddingTable(nn.Module):
    r"""
    Encoding layers of the RNNModel
    """
    def __init__(self, ntoken, ninp, dropout):
        super(EmbeddingTable, self).__init__()
        self.drop = nn.Dropout(dropout)
        self.encoder = nn.Embedding(ntoken, ninp).cuda()
        self.encoder.weight.data.uniform_(-0.1, 0.1)

    def forward(self, input):
        return self.drop(self.encoder(input.cuda()).cpu()

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, ntoken, nhid, dropout):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.drop = nn.Dropout(dropout)
        self.decoder = nn.Linear(nhid, ntoken)
        self.decoder.bias.data.zero_()
        self.decoder.weight.data.uniform_(-0.1, 0.1)

    def forward(self, output):
        return self.decoder(self.drop(output))

使用上述子模块，我们现在可以使用 RPC 将它们组合在一起以创建 RNN 模型。 在下面的代码中，ps代表参数服务器，该服务器托管嵌入表和解码器的参数。 构造器使用远程 API 在参数服务器上创建EmbeddingTable对象和Decoder对象，并在本地创建LSTM子模块。 在前进过程中，训练器使用EmbeddingTable RRef查找远程子模块，然后使用 RPC 将输入数据传递到EmbeddingTable，并获取查找结果。 然后，它通过本地LSTM层运行嵌入，最后使用另一个 RPC 将输出发送到Decoder子模块。 通常，要实现分布式模型并行训练，开发人员可以将模型分为多个子模块，调用 RPC 远程创建子模块实例，并在必要时使用RRef查找它们。 正如您在下面的代码中看到的那样，它看起来与单机模型并行训练非常相似。 主要区别是用 RPC 函数替换了Tensor.to(device)。

class RNNModel(nn.Module):
    def __init__(self, ps, ntoken, ninp, nhid, nlayers, dropout=0.5):
        super(RNNModel, self).__init__()

        # setup embedding table remotely
        self.emb_table_rref = rpc.remote(ps, EmbeddingTable, args=(ntoken, ninp, dropout))
        # setup LSTM locally
        self.rnn = nn.LSTM(ninp, nhid, nlayers, dropout=dropout)
        # setup decoder remotely
        self.decoder_rref = rpc.remote(ps, Decoder, args=(ntoken, nhid, dropout))

    def forward(self, input, hidden):
        # pass input to the remote embedding table and fetch emb tensor back
        emb = _remote_method(EmbeddingTable.forward, self.emb_table_rref, input)
        output, hidden = self.rnn(emb, hidden)
        # pass output to the rremote decoder and get the decoded output back
        decoded = _remote_method(Decoder.forward, self.decoder_rref, output)
        return decoded, hidden

在介绍分布式优化器之前，让我们添加一个辅助函数来生成模型参数的 RRef 列表，该列表将由分布式优化器使用。 在本地训练中，应用可以调用Module.parameters()来获取对所有参数张量的引用，并将其传递给本地优化器以进行后续更新。 但是，由于某些参数存在于远程计算机上，因此同一 API 在分布式训练方案中不起作用。 因此，分布式优化器不采用参数Tensors的列表，而是采用RRefs的列表，每个模型参数一个RRef用于本地和远程模型参数。 辅助函数非常简单，只需调用Module.parameters()并在每个参数上创建一个本地RRef。

def _parameter_rrefs(module):
    param_rrefs = []
    for param in module.parameters():
        param_rrefs.append(RRef(param))
    return param_rrefs

然后，由于RNNModel包含三个子模块，因此我们需要调用_parameter_rrefs 3 次，并将其包装到另一个辅助函数中。

class RNNModel(nn.Module):
    ...
    def parameter_rrefs(self):
        remote_params = []
        # get RRefs of embedding table
        remote_params.extend(_remote_method(_parameter_rrefs, self.emb_table_rref))
        # create RRefs for local parameters
        remote_params.extend(_parameter_rrefs(self.rnn))
        # get RRefs of decoder
        remote_params.extend(_remote_method(_parameter_rrefs, self.decoder_rref))
        return remote_params

现在，我们准备实现训练循环。 初始化模型参数后，我们创建RNNModel和DistributedOptimizer。 分布式优化器将采用参数RRefs的列表，查找所有不同的所有者工作器，并在每个所有者工作器上创建给定的本地优化器（即，在这种情况下，您也可以使用其他本地优化器SGD） 使用给定的参数（即lr=0.05）。

在训练循环中，它首先创建一个分布式 Autograd 上下文，这将帮助分布式 Autograd 引擎查找梯度和涉及的 RPC 发送/接收函数。 分布式 Autograd 引擎的设计详细信息可以在其设计说明中找到。 然后，它像本地模型一样开始正向传播，并运行分布式后向传递。 对于后向分布，您只需要指定一个根列表，在这种情况下，就是损失Tensor。 分布式 Autograd 引擎将自动遍历分布式图并正确编写梯度。 接下来，它在分布式优化器上运行step函数，该函数将与所有涉及的本地优化器联系以更新模型参数。 与本地训练相比，一个较小的差异是您不需要运行zero_grad()，因为每个 Autograd 上下文都有专用的空间来存储梯度，并且在每次迭代创建上下文时，来自不同迭代的那些梯度不会累积到同一组Tensors。

def run_trainer():
    batch = 5
    ntoken = 10
    ninp = 2

    nhid = 3
    nindices = 3
    nlayers = 4
    hidden = (
        torch.randn(nlayers, nindices, nhid),
        torch.randn(nlayers, nindices, nhid)
    )

    model = rnn.RNNModel('ps', ntoken, ninp, nhid, nlayers)

    # setup distributed optimizer
    opt = DistributedOptimizer(
        optim.SGD,
        model.parameter_rrefs(),
        lr=0.05,
    )

    criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()

    def get_next_batch():
        for _ in range(5):
            data = torch.LongTensor(batch, nindices) % ntoken
            target = torch.LongTensor(batch, ntoken) % nindices
            yield data, target

    # train for 10 iterations
    for epoch in range(10):
        for data, target in get_next_batch():
            # create distributed autograd context
            with dist_autograd.context() as context_id:
                hidden[0].detach_()
                hidden[1].detach_()
                output, hidden = model(data, hidden)
                loss = criterion(output, target)
                # run distributed backward pass
                dist_autograd.backward(context_id, [loss])
                # run distributed optimizer
                opt.step(context_id)
                # not necessary to zero grads since they are
                # accumulated into the distributed autograd context
                # which is reset every iteration.
        print("Training epoch {}".format(epoch))

最后，让我们添加一些粘合代码以启动参数服务器和训练器流程。

def run_worker(rank, world_size):
    os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'
    os.environ['MASTER_PORT'] = '29500'
    if rank == 1:
        rpc.init_rpc("trainer", rank=rank, world_size=world_size)
        _run_trainer()
    else:
        rpc.init_rpc("ps", rank=rank, world_size=world_size)
        # parameter server do nothing
        pass

    # block until all rpcs finish
    rpc.shutdown()

if __name__=="__main__":
    world_size = 2
    mp.spawn(run_worker, args=(world_size, ), nprocs=world_size, join=True)