优化模型训练时间-Transformer

2015/02/01来源：极市CV社区评论870

周末在家发现了一个挺有意思的项目:

优化模型训练时间-Transformer-图片1

「也就是将你模型中的参数全部存储为一个连续的内存块，加速你的模型训练。」

于是我抱着试试看的心态，基于Fairseq和LightSeq分别实现了两个单层的Transformer编码层模型，简单写了一个例子试了一下。

安装

首先为了运行我这个例子，你需要安装上面提到的contiguous-params库。然后还需要安装fairseq和lightseq库。

pip install contiguous-params fairseq lightseq

一个简单的例子

我这里创建了一个模型，就是单层的Transformer编码层，然后随机输入一个向量，损失函数就是输出向量的所有元素的平方均值。

然后测试了采用参数连续化前后，前向传播、反向传播、梯度更新三部分的时间消耗。

import time
from dataclasses import dataclass
import copy
 
import torch
from fairseq.modules.transformer_layer import TransformerEncoderLayer
from lightseq.training.ops.pytorch.transformer_encoder_layer import LSTransformerEncoderLayer
from contiguous_params import ContiguousParams
 
def get_time():
    '''CUDA同步并获取当前时间'''
 
    torch.cuda.synchronize(device="cuda:0")
    return time.time()
 
def ls_config_to_fs_args(config):
    '''将LightSeq的config转换为Fairseq的args'''
 
    @dataclass
    class Args:
        encoder_embed_dim: int
        encoder_ffn_embed_dim: int
        encoder_attention_heads: int
        dropout: float
        attention_dropout: float
        activation_dropout: float
        encoder_normalize_before: bool
 
    args = Args(
        config.hidden_size,
        config.intermediate_size,
        config.nhead,
        config.hidden_dropout_ratio,
        config.attn_prob_dropout_ratio,
        config.activation_dropout_ratio,
        config.pre_layer_norm
    )
    return args
 
def train(model, inputs, masks, contiguous=False):
    '''训练过程'''
 
    model.to(device="cuda:0")
    model.train()
    if contiguous:
        parameters = ContiguousParams(model.parameters())
        opt = torch.optim.Adam(parameters.contiguous(), lr=1e-3)
    else:
        opt = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
 
    fw_time, bw_time, step_time = 0, 0, 0
 
    for epoch in range(1000):
        opt.zero_grad()
 
        start_time = get_time()
        outputs = model(inputs, masks)
        loss = torch.square(outputs).mean()
        fw_time  = get_time() - start_time
 
        start_time = get_time()
        loss.backward()
        bw_time  = get_time() - start_time
 
        start_time = get_time()
        opt.step()
        step_time  = get_time() - start_time
 
        if epoch % 200 == 0:
            print("epoch {:>3d}: loss = {:>5.3f}".format(epoch, loss))
 
    return fw_time, bw_time, step_time
 
if __name__ == "__main__":
    # 定义LightSeq的config
    config = LSTransformerEncoderLayer.get_config(
        max_batch_tokens=4096,
        max_seq_len=256,
        hidden_size=128,
        intermediate_size=512,
        nhead=16,
        attn_prob_dropout_ratio=0.1,
        activation_dropout_ratio=0.1,
        hidden_dropout_ratio=0.1,
        pre_layer_norm=True,
        fp16=False,
        local_rank=0
    )
    # 将LightSeq的config转换为Fairseq的args
    args = ls_config_to_fs_args(config)
 
    # 随机生成输入
    bsz, sl = 50, 80
    inputs = torch.randn(bsz, sl, config.hidden_size).to(device="cuda:0")
    masks = torch.zeros(bsz, sl).to(device="cuda:0")
 
    # 定义LightSeq模型并训练
    ls_model = LSTransformerEncoderLayer(config)
    ls_fw_time, ls_bw_time, ls_step_time = train(ls_model, inputs, masks)
    # 定义连续化参数的LightSeq模型并训练
    config_cont = copy.deepcopy(config)
    ls_model_cont = LSTransformerEncoderLayer(config_cont)
    ls_c_fw_time, ls_c_bw_time, ls_c_step_time = train(ls_model_cont, inputs, masks, contiguous=True)
 
    inputs = inputs.transpose(0, 1)
    masks = masks > 0.5
    # 定义Fairseq模型并训练
    fs_model = TransformerEncoderLayer(args)
    fs_fw_time, fs_bw_time, fs_step_time = train(fs_model, inputs, masks)
    # 定义连续化参数的Fairseq模型并训练
    fs_model_cont = TransformerEncoderLayer(args)
    fs_c_fw_time, fs_c_bw_time, fs_c_step_time = train(fs_model_cont, inputs, masks, contiguous=True)
 
    print("LightSeq time:         {:.3f}s, {:.3f}s, {:.3f}s".format(ls_fw_time, ls_bw_time, ls_step_time))
    print("LightSeq (cont) time:  {:.3f}s, {:.3f}s, {:.3f}s".format(ls_c_fw_time, ls_c_bw_time, ls_c_step_time))
    print("Fairseq time:          {:.3f}s, {:.3f}s, {:.3f}s".format(fs_fw_time, fs_bw_time, fs_step_time))
    print("Fairseq (cont) time:   {:.3f}s, {:.3f}s, {:.3f}s".format(fs_c_fw_time, fs_c_bw_time, fs_c_step_time))

详细讲解

这里最主要的地方就两行：

parameters = ContiguousParams(model.parameters())
opt = torch.optim.Adam(parameters.contiguous(), lr=1e-3)

首先用ContiguousParams类封装model.parameters()，然后将封装后的parameters.contiguous()送进优化器中，这里送进去的就已经是连续存储的一整块参数了。

我们详细阅读ContiguousParams的源码，可以发现实现很简单：

https://github.com/PhilJd/contiguous_pytorch_params/blob/master/contiguous_params/params.py

核心代码就是下面这个函数，注释中我都详细解释了每一步在干嘛：

def make_params_contiguous(self):
    index = 0
    # 遍历所有的参数
    for p in self._parameters:
        # 计算参数p的大小
        size = p.numel()
        # 在连续参数块中的对应位置赋值参数p
        self._param_buffer[index:index   size] = p.data.view(-1)
        # 将参数p的数值和梯度都重新指向连续参数块和连续梯度块的对应位置
        p.data = self._param_buffer[index:index   size].view(p.data.shape)
        p.grad = self._grad_buffer[index:index   size].view(p.data.shape)
        # 连续内存块位置偏移到下一个参数
        index  = size
    # 连续参数块的梯度设置为连续梯度块
    self._param_buffer.grad = self._grad_buffer

所以在封装了原始参数之后，之后模型计算就会从连续内存块中对应位置取出数值，然后进行计算。

运行结果

我在V100显卡上运行了一下上面的例子，结果如下：

优化模型训练时间-Transformer-图片2

可以看出，LightSeq在采用参数连续化前后，三部分运行时间几乎没有任何变化，这主要是由于LightSeq已经在模型内部做过参数连续化了，因此速度已经很快了。

而Fairseq前后的第三部分，也就是参数更新部分时间缩减非常多，从1.5秒缩短到了0.1秒，总的训练时间几乎缩短了将近一半。

最后对比LightSeq和Fairseq可以明显发现，LightSeq的训练时间比Fairseq快非常多。主要是因为LightSeq采用了算子融合等各种技术，加速了Transformer模型的训练。

总结

所以在你的 「任意」 PyTorch模型中，都可以用上面的参数连续化技术大大加快训练速度。

而如果你的模型是Transformer类模型，那还可以直接用字节跳动开源的LightSeq训练加速引擎，更加方便。

如果你是TensorFlow爱好者，还可以直接用字节跳动开源的NeurST序列生成库进行训练，里面直接集成了LightSeq，所以训练很快。

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一个简单的例子

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运行结果

总结

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参数连续化

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