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nn.Module 从检查点">
recipes/recipes/module_load_state_dict_tips

注意

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从检查点加载 nn.Module 的技巧#

创建日期：2023 年 10 月 3 日 | 最后更新：2024 年 8 月 27 日 | 最后验证：2024 年 11 月 5 日

作者： Mikayla Gawarecki

如果您正在加载检查点并希望尽可能减少计算和内存消耗，本教程分享了一些推荐的做法。具体来说，我们将讨论：

  1. torch.load 的 mmap 关键字参数

  2. torch.device() 上下文管理器

  3. nn.Module.load_state_dict() 的 assign 关键字参数

注意

本教程需要 PyTorch 2.1.0 或更高版本。

让我们考虑一个包含线性层列表的简单 nn.Module

import torch
from torch import nn
import time

class SomeModule(torch.nn.Module):
    def __init__(self, size):
        super().__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(size, size) for i in range(10)])

    def forward(self, x):
        return self.linears(x)


m = SomeModule(1000)
torch.save(m.state_dict(), 'checkpoint.pth')

以下代码片段演示了如何使用 torch.load 的 mmap 关键字参数、torch.device() 上下文管理器以及 nn.Module.load_state_dict() 的 assign 关键字参数。 

state_dict = torch.load('checkpoint.pth', mmap=True, weights_only=True)
with torch.device('meta'):
  meta_m = SomeModule(1000)
meta_m.load_state_dict(state_dict, assign=True)

<All keys matched successfully>

将下方的代码片段与上面的代码进行比较

state_dict = torch.load('checkpoint.pth', weights_only=True)
m = SomeModule(1000)
m.load_state_dict(state_dict)

<All keys matched successfully>

第二个示例没有使用上述任何功能，在加载检查点时，其计算和内存效率会较低。在接下来的章节中，我们将更详细地讨论每个功能。

使用 torch.load(mmap=True)#

首先，让我们考虑使用 torch.load 加载检查点时会发生什么。当我们使用 torch.save 保存检查点时，张量存储（tensor storages）会被标记上它们保存时所在的设备。使用 torch.load 时，张量存储将被加载到它们被标记的设备上（除非使用 map_location 标志覆盖此行为）。为了便于解释，假设张量是保存在 CPU 上的。这意味着在第一行代码执行时，所有张量存储都将加载到 CPU RAM 中，这在以下情况下是不理想的：

  • CPU RAM 小于检查点的大小。

  • 在执行某些操作（例如张量级处理）之前，需要等待整个检查点加载到 RAM 中。

start_time = time.time()
state_dict = torch.load('checkpoint.pth', weights_only=True)
end_time = time.time()
print(f"loading time without mmap={end_time - start_time}")

loading time without mmap=0.03628873825073242

torch.load 的 mmap 关键字参数试图解决上述两个问题。顾名思义，torch.load 的 mmap 参数利用了 mmap 调用，它将磁盘上的文件映射到虚拟内存中，并让操作系统自动处理加载和卸载到物理内存的过程。当传入此标志时，张量存储将被内存映射。

start_time = time.time()
state_dict = torch.load('checkpoint.pth', mmap=True, weights_only=True)
end_time = time.time()
print(f"loading time with mmap={end_time - start_time}")

loading time with mmap=0.0026242733001708984

如上所述，可以使用此参数对检查点执行逐个张量的处理，而无需预先将所有张量存储加载到 CPU 内存中。例如：

def my_special_routine(t, device):
    # this could be a much fancier operation
    return t.to(dtype=torch.bfloat16, device=device)

def my_processing_function(key, device):
    t = state_dict[key]
    processed_t = my_special_routine(t, device)
    del t
    state_dict[key] = processed_t

for key in state_dict.keys():
    device = torch.device('cuda')
    my_processing_function(key, device)

使用 torch.device('meta')#

接下来，让我们考虑模块的创建。

m = SomeModule(1000)

这将为所有参数/缓冲区分配内存，并根据 SomeModule.__init__() 中定义的默认初始化方案进行初始化，当我们想要加载检查点时，这是浪费的，原因如下：

  • 初始化内核的结果会被 load_state_dict() 覆盖而从未使用过，因此初始化是浪费的。

  • 我们正在 RAM 中为这些参数/缓冲区分配内存，而保存的状态字典在进行 torch.load 时，也会为检查点中的参数/缓冲区在 RAM 中分配内存。

为了解决这两个问题，我们在实例化 nn.Module() 时，可以使用带有 device='meta' 的 torch.device() 上下文管理器。

torch.device() 上下文管理器确保工厂调用（factory calls）执行时就好像传入了指定的 device 作为参数一样。torch.device('meta') 上的张量不携带数据。但是，它们拥有张量携带的所有其他元数据，例如 .size()、.stride()、.requires_grad 等。

with torch.device('meta'):
  new_m = SomeModule(1000)

使用 load_state_dict(assign=True)#

接下来，我们考虑状态字典的加载。

m.load_state_dict(state_dict)

<All keys matched successfully>

nn.Module.load_state_dict() 通常通过原地操作（in-place）param_in_model.copy_(param_in_state_dict) 来实现。这意味着状态字典中具有相应键的参数/缓冲区会被复制到 nn.Module 中的参数/缓冲区中。

然而，对 meta 设备上的张量进行原地复制是无效操作。为了避免这种情况，我们可以向 load_state_dict() 传入 assign=True 关键字参数。

这里需要注意的一个问题是，由于优化器持有对 nn.Module.parameters() 的引用，如果传入了 assign=True，则优化器必须在从状态字典加载模型之后进行初始化。

# As of PyTorch 2.3.0, one can use ``torch.__future__.set_swap_module_params_on_conversion`` to
# avoid this caveat. This `recipe <https://pytorch.ac.cn/tutorials/recipes/recipes/swap_tensors.html>`_
# provides more details.

new_m.load_state_dict(state_dict, assign=True)
# Before 2.3.0, this MUST be done AFTER the load_state_dict with assign.
# In versions >= 2.3.0, one can consider setting ``torch.__future__.set_swap_module_params_on_conversion``
opt = torch.optim.SGD(new_m.parameters(), lr=1e-3)

结论#

总结一下，在本教程中，我们了解了 torch.load(mmap=True)、带有 device=meta 的 torch.device() 上下文管理器，以及 nn.Module.load_state_dict(assign=True)，以及当从检查点加载模型时如何利用这些工具。

脚本总运行时间：（0 分钟 0.546 秒）

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