分布式优化器

创建于：2021 年 3 月 1 日 | 最后更新于：2025 年 6 月 16 日

警告

使用 CUDA 张量时，目前不支持分布式优化器

torch.distributed.optim 公开了 DistributedOptimizer，它接受一个远程参数列表（RRef），并在参数所在的 worker 上本地运行优化器。分布式优化器可以使用任何本地优化器 基类 来在每个 worker 上应用梯度。

class torch.distributed.optim.DistributedOptimizer(optimizer_class, params_rref, *args, **kwargs)

DistributedOptimizer 接受分散在 worker 上的参数的远程引用，并为每个参数在本地应用给定的优化器。

此类别使用 get_gradients() 来检索特定参数的梯度。

对 step() 的并发调用，无论是来自相同还是不同客户端，都将在每个 worker 上进行序列化——因为每个 worker 的优化器一次只能处理一组梯度。但是，不能保证一次只为一个客户端执行完整的正向-反向-优化器序列。这意味着应用的梯度可能与在给定 worker 上执行的最新正向传递不对应。此外，worker 之间没有保证的排序。

DistributedOptimizer 默认启用 TorchScript 创建本地优化器，这样在多线程训练（例如分布式模型并行）的情况下，优化器更新不会被 Python 全局解释器锁 (GIL) 阻塞。此功能目前已为大多数优化器启用。您还可以按照 PyTorch 教程中的秘籍为自己的自定义优化器启用 TorchScript 支持。

参数

• optimizer_class (optim.Optimizer) – 要在每个 worker 上实例化的优化器类。

• params_rref (list[RRef]) – 要优化的本地或远程参数的 RRefs 列表。

• args – 要传递给每个 worker 上的优化器构造函数的参数。

• kwargs – 要传递给每个 worker 上的优化器构造函数的关键字参数。

示例：

>>> import torch.distributed.autograd as dist_autograd
>>> import torch.distributed.rpc as rpc
>>> from torch import optim
>>> from torch.distributed.optim import DistributedOptimizer
>>>
>>> with dist_autograd.context() as context_id:
>>>   # Forward pass.
>>>   rref1 = rpc.remote("worker1", torch.add, args=(torch.ones(2), 3))
>>>   rref2 = rpc.remote("worker1", torch.add, args=(torch.ones(2), 1))
>>>   loss = rref1.to_here() + rref2.to_here()
>>>
>>>   # Backward pass.
>>>   dist_autograd.backward(context_id, [loss.sum()])
>>>
>>>   # Optimizer.
>>>   dist_optim = DistributedOptimizer(
>>>      optim.SGD,
>>>      [rref1, rref2],
>>>      lr=0.05,
>>>   )
>>>   dist_optim.step(context_id)

step(context_id)

执行单个优化步骤。

这将调用 torch.optim.Optimizer.step() 在包含要优化参数的每个 worker 上运行，并将阻塞直到所有 worker 返回。提供的 context_id 将用于检索相应的 context，其中包含应应用于参数的梯度。

参数

context_id – 应运行优化器步骤的 autograd 上下文 ID。

class torch.distributed.optim.PostLocalSGDOptimizer(optim, averager)

包装任意 torch.optim.Optimizer 并运行 后本地 SGD，此优化器在每个步骤都运行本地优化器。在热身阶段之后，它会在应用本地优化器后定期平均参数。

参数

• optim (Optimizer) – 本地优化器。

• averager (ModelAverager) – 用于运行后本地 SGD 算法的模型平均器实例。

示例

>>> import torch
>>> import torch.distributed as dist
>>> import torch.distributed.algorithms.model_averaging.averagers as averagers
>>> import torch.nn as nn
>>> from torch.distributed.optim import PostLocalSGDOptimizer
>>> from torch.distributed.algorithms.ddp_comm_hooks.post_localSGD_hook import (
>>>   PostLocalSGDState,
>>>   post_localSGD_hook,
>>> )
>>>
>>> model = nn.parallel.DistributedDataParallel(
>>>    module, device_ids=[rank], output_device=rank
>>> )
>>>
>>> # Register a post-localSGD communication hook.
>>> state = PostLocalSGDState(process_group=None, subgroup=None, start_localSGD_iter=100)
>>> model.register_comm_hook(state, post_localSGD_hook)
>>>
>>> # Create a post-localSGD optimizer that wraps a local optimizer.
>>> # Note that ``warmup_steps`` used in ``PostLocalSGDOptimizer`` must be the same as
>>> # ``start_localSGD_iter`` used in ``PostLocalSGDState``.
>>> local_optim = torch.optim.SGD(params=model.parameters(), lr=0.01)
>>> opt = PostLocalSGDOptimizer(
>>>     optim=local_optim,
>>>     averager=averagers.PeriodicModelAverager(period=4, warmup_steps=100)
>>> )
>>>
>>> # In the first 100 steps, DDP runs global gradient averaging at every step.
>>> # After 100 steps, DDP runs gradient averaging within each subgroup (intra-node by default),
>>> # and post-localSGD optimizer runs global model averaging every 4 steps after applying the local optimizer.
>>> for step in range(0, 200):
>>>    opt.zero_grad()
>>>    loss = loss_fn(output, labels)
>>>    loss.backward()
>>>    opt.step()

load_state_dict(state_dict)

这与 torch.optim.Optimizer load_state_dict() 相同，但还会将模型平均器的步长值恢复为提供的 state_dict 中保存的值。

如果 state_dict 中没有 "step" 条目，它将发出警告并将模型平均器的步长初始化为 0。

state_dict()

这与 torch.optim.Optimizer state_dict() 相同，但增加了一个额外条目，用于将模型平均器的步数记录到检查点中，以确保重新加载不会导致不必要的再次预热。

step()

执行一次优化步骤（参数更新）。

class torch.distributed.optim.ZeroRedundancyOptimizer(params, optimizer_class, process_group=None, parameters_as_bucket_view=False, overlap_with_ddp=False, **defaults)

封装任意 optim.Optimizer 并将其状态分片到组中的各个秩。

分片方式如 ZeRO 中所述。

每个秩中的本地优化器实例仅负责更新大约 1 / world_size 的参数，因此只需要保留 1 / world_size 的优化器状态。在本地更新参数后，每个秩将把其参数广播到所有其他对等方，以保持所有模型副本处于相同状态。ZeroRedundancyOptimizer 可以与 torch.nn.parallel.DistributedDataParallel 结合使用，以减少每个秩的峰值内存消耗。

ZeroRedundancyOptimizer 使用排序贪心算法在每个秩上打包多个参数。每个参数属于一个秩，并且不进行秩间划分。分区是任意的，可能不匹配参数注册或使用顺序。

参数

params (Iterable) – torch.Tensor 或 dict 的可迭代对象，提供所有参数，这些参数将跨秩分片。

关键字参数

• optimizer_class (torch.nn.Optimizer) – 本地优化器的类。

• process_group (ProcessGroup, 可选) – torch.distributed ProcessGroup（默认：由 torch.distributed.init_process_group() 初始化的 dist.group.WORLD）。

• parameters_as_bucket_view (bool, 可选) – 如果为 True，参数将被打包到桶中以加快通信，并且 param.data 字段指向不同偏移量的桶视图；如果为 False，每个单独的参数将单独通信，并且每个 params.data 保持不变（默认：False）。

• overlap_with_ddp (bool, 可选) – 如果为 True，step() 将与 DistributedDataParallel 的梯度同步重叠；这需要 (1) optimizer_class 参数是函数式优化器或具有函数式等效项的优化器，以及 (2) 注册一个由 ddp_zero_hook.py 中的一个函数构建的 DDP 通信钩子；参数被打包到与 DistributedDataParallel 中的桶匹配的桶中，这意味着 parameters_as_bucket_view 参数将被忽略。如果为 False，step() 在反向传播后（正常情况下）独立运行。（默认：False）

• **defaults – 任何尾随参数，它们将转发到本地优化器。

示例

>>> import torch.nn as nn
>>> from torch.distributed.optim import ZeroRedundancyOptimizer
>>> from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP
>>> model = nn.Sequential(*[nn.Linear(2000, 2000).to(rank) for _ in range(20)])
>>> ddp = DDP(model, device_ids=[rank])
>>> opt = ZeroRedundancyOptimizer(
>>>     ddp.parameters(),
>>>     optimizer_class=torch.optim.Adam,
>>>     lr=0.01
>>> )
>>> ddp(inputs).sum().backward()
>>> opt.step()

警告

目前，ZeroRedundancyOptimizer 要求所有传入参数都是相同的密集类型。

警告

如果您传递 overlap_with_ddp=True，请注意以下事项：考虑到当前实现 DistributedDataParallel 与 ZeroRedundancyOptimizer 重叠的方式，前两次或三次训练迭代在优化器步骤中不执行参数更新，这取决于 static_graph=False 或 static_graph=True。这是因为它需要关于 DistributedDataParallel 使用的梯度分桶策略的信息，该策略在 static_graph=False 时直到第二次前向传播才最终确定，或者在 static_graph=True 时直到第三次前向传播才最终确定。为了解决这个问题，一种选择是前置虚拟输入。

警告

ZeroRedundancyOptimizer 是实验性的，可能会发生变化。

add_param_group(param_group)

向 Optimizer 的 param_groups 添加一个参数组。

当微调预训练网络时，这可能很有用，因为冻结层可以变得可训练并随着训练的进行添加到 Optimizer 中。

参数

param_group (dict) – 指定要优化的参数和组特定的优化选项。

警告

此方法处理所有分区上的分片更新，但需要在所有秩上调用。仅在秩的子集上调用此方法将导致训练挂起，因为通信原语的调用取决于托管参数，并期望所有秩参与相同的参数集。

consolidate_state_dict(to=0)

在目标秩上合并 state_dict 列表（每个秩一个）。

参数

to (int) – 接收优化器状态的秩（默认：0）。

引发

RuntimeError – 如果 overlap_with_ddp=True 且在 ZeroRedundancyOptimizer 实例完全初始化之前调用此方法（在 DistributedDataParallel 梯度桶重建后发生）。

警告

这需要在所有秩上调用。

property join_device: device

返回默认设备。

join_hook(**kwargs)

返回 ZeRO 连接钩子。

它通过在优化器步骤中影子化集体通信来实现不均匀输入的训练。

在此钩子被调用之前，必须正确设置梯度。

参数

kwargs (dict) – 一个 dict，包含在运行时修改连接钩子行为的任何关键字参数；所有共享相同连接上下文管理器的 Joinable 实例都将转发相同的 kwargs 值。

此钩子不支持任何关键字参数；即 kwargs 未使用。

property join_process_group: Any

返回进程组。

load_state_dict(state_dict)

从输入的 state_dict 加载与给定秩相关的状态，并根据需要更新本地优化器。

参数

state_dict (dict) – 优化器状态；应为调用 state_dict() 返回的对象。

引发

RuntimeError – 如果 overlap_with_ddp=True 且在 ZeroRedundancyOptimizer 实例完全初始化之前调用此方法（在 DistributedDataParallel 梯度桶重建后发生）。

state_dict()

返回此秩已知的最后一个全局优化器状态。

引发

RuntimeError – 如果 overlap_with_ddp=True 并且在 ZeroRedundancyOptimizer 实例完全初始化之前（在 DistributedDataParallel 梯度桶重建后发生）调用此方法；或者如果此方法在没有先行调用 consolidate_state_dict() 的情况下被调用。

返回类型

dict[str, Any]

step(closure=None, **kwargs)

执行单个优化器步骤并同步所有秩的参数。

参数

closure (Callable) – 重新评估模型并返回损失的闭包；对大多数优化器来说是可选的。

返回

可选的损失取决于底层的本地优化器。

返回类型

Optional[float]

注意

任何额外的参数都将原样传递给基础优化器。