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最近经常有同学反馈 GPU 利用率低，严重浪费 GPU 资源的问题，经过对一些实例分析后，借着这篇文档和大家分享一下解决方案，希望能对使用 GPU 的同学有些帮助。

一、GPU 利用率的定义

本文的 GPU 利用率主要指 GPU 在时间片上的利用率，即通过 nvidia-smi 显示的 GPU-util 这个指标。统计方式为：在采样周期内，GPU 上面有 kernel 执行的时间百分比。

二、GPU 利用率低的本质

常见 GPU 任务运行流程图如下：

如上图所示，GPU 任务会交替的使用 CPU 和 GPU 进行计算，当 CPU 计算成为瓶颈时，就会出现 GPU 等待的问题，GPU 空跑那利用率就低了。那么优化的方向就是缩短一切使用 CPU 计算环节的耗时，减少 CPU 计算对 GPU 的阻塞情况。常见的 CPU 计算操作如下：

• 数据加载
• 数据预处理
• 模型保存
• loss 计算
• 评估指标计算
• 日志打印
• 指标上报
• 进度上报

三、常见 GPU 利用率低原因分析

1、数据加载相关

1）存储和计算跨城了，跨城加载数据太慢导致 GPU 利用率低

说明：例如数据存储在“深圳 ceph”，但是 GPU 计算集群在“重庆”，那就涉及跨城使用了，影响很大。

优化：要么迁移数据，要么更换计算资源，确保存储及计算是同城的。

2）存储介质性能太差

说明：不同存储介质读写性能比较：本机 SSD > ceph > cfs-1.5 > hdfs > mdfs

优化：将数据先同步到本机 SSD，然后读本机 SSD 进行训练。本机 SSD 盘为“/dockerdata”，可先将其他介质下的数据同步到此盘下进行测试，排除存储介质的影响。

3）小文件太多，导致文件 io 耗时太长

说明：多个小文件不是连续的存储，读取会浪费很多时间在寻道上

优化：将数据打包成一个大的文件，比如将许多图片文件转成一个 hdf5/pth/lmdb/TFRecord 等大文件

lmdb 格式转换样例：

https://github.com/Lyken17/Efficient-PyTorch#data-loader

其他格式转换方式请自行谷歌

4）未启用多进程并行读取数据

说明：未设置 num_workers 等参数或者设置的不合理，导致 cpu 性能没有跑起来，从而成为瓶颈，卡住 GPU

优化：设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 num_workers 参数、tf.data.TFRecordDataset 方法的 num_parallel_reads 参数或者 tf.data.Dataset.map 的 num_parallel_calls 参数。

5）未启用提前加载机制来实现 CPU 和 GPU 的并行

说明：未设置 prefetch_factor 等参数或者设置的不合理，导致 CPU 与 GPU 在时间上串行，CPU 运行时 GPU 利用率直接掉 0

优化：设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 prefetch_factor 参数 或者 tf.data.Dataset.prefetch()方法。prefetch_factor 表示每个 worker 提前加载的 sample 数量 （使用该参数需升级到 pytorch1.7 及以上），Dataset.prefetch()方法的参数 buffer_size 一般设置为：tf.data.experimental.AUTOTUNE，从而由 TensorFlow 自动选择合适的数值。

6）未设置共享内存 pin_memory

说明：未设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 pin_memory 或者设置成 False,则数据需从 CPU 传入到缓存 RAM 里面，再给传输到 GPU 上

优化：如果内存比较富裕，可以设置 pin_memory=True，直接将数据映射到 GPU 的相关内存块上，省掉一点数据传输时间

2、数据预处理相关

1）数据预处理逻辑太复杂

说明：数据预处理部分超过一个 for 循环的，都不应该和 GPU 训练部分放到一起

优化：a、设置 tf.data.Dataset.map 的 num_parallel_calls 参数，提高并行度，一般设置为 tf.data.experimental.AUTOTUNE，可让 TensorFlow 自动选择合适的数值。

b、将部分数据预处理步骤挪出训练任务，例如对图片的归一化等操作，提前开启一个 spark 分布式任务或者 cpu 任务处理好，再进行训练。

c、提前将预处理部分需要用到的配置文件等信息加载到内存中，不要每次计算的时候再去读取。

d、关于查询操作，多使用 dict 加速查询操作；减少 for、while 循环，降低预处理复杂度。

2）利用 GPU 进行数据预处理 — Nvidia DALI

说明：Nvidia DALI 是一个专门用于加速数据预处理过程的库，既支持 GPU 又支持 CPU

优化：采用 DALI，将基于 CPU 的数据预处理流程改造成用 GPU 来计算

DALI 文档如下：https://zhuanlan.zhihu.com/p/105056158

3、模型保存相关

1）模型保存太频繁

说明：模型保存为 CPU 操作，太频繁容易导致 GPU 等待

优化：减少保存模型(checkpoint)的频率

4、指标相关

1）loss 计算太复杂

说明：含有 for 循环的复杂 loss 计算，导致 CPU 计算时间太长从而阻塞 GPU

优化：该用低复杂度的 loss 或者使用多进程或多线程进行加速

2）指标上报太频繁

说明：指标上报操作太频繁，CPU 和 GPU 频繁切换导致 GPU 利用率低

优化：改成抽样上报，例如每 100 个 step 上报一次

5、日志相关

1）日志打印太频繁

说明：日志打印操作太频繁，CPU 和 GPU 频繁切换导致 GPU 利用率低

优化：改成抽样打印，例如每 100 个 step 打印一次

四、常见数据加载方法说明

1、pytorch 的 torch.utils.data.DataLoader

DataLoader(dataset, batch_size=1, shuffle=False, sampler=None,
           batch_sampler=None, num_workers=0, collate_fn=None,
           pin_memory=False, drop_last=False, timeout=0,
           worker_init_fn=None, *, prefetch_factor=2,
           persistent_workers=False)

从参数定义中，我们可以看到 DataLoader 主要支持以下几个功能:

• 支持加载 map-style 和 iterable-style 的 dataset，主要涉及到的参数是 dataset
• 自定义数据加载顺序，主要涉及到的参数有 shuffle, sampler, batch_sampler, collate_fn
• 自动把数据整理成 batch 序列，主要涉及到的参数有 batch_size, batch_sampler, collate_fn, drop_last
• 单进程和多进程的数据加载，主要涉及到的参数有 num_workers, worker_init_fn
• 自动进行锁页内存读取 (memory pinning)，主要涉及到的参数 pin_memory
• 支持数据预加载，主要涉及的参数 prefetch_factor

参考文档：https://pytorch.org/docs/stable/data.html

2、tensorflow 的 tf.data.Dataset

ds_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x,y))\
    .shuffle(5000)\
    .batch(batchs)\
    .map(preprocess,num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE)\
    .prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE)

• Dataset.prefetch(): 可以让数据集对象 Dataset 在 å 训练时预取出若干个元素，使得在 GPU 训练的同时 CPU 可以准备数据，提升训练流程的效率
• Dataset.map(f): 转换函数 f 映射到数据集每一个元素; 可以利用多 CPU 资源,充分利用多核心的优势对数据进行并行化变换， num_parallel_calls 设置为 tf.data.experimental.AUTOTUNE 以让 TensorFlow 自动选择合适的数值，数据转换过程多进程执行，设置 num_parallel_calls 参数能发挥 cpu 多核心的优势
• Dataset.shuffle(buffer_size): 将数据集打乱，取出前 buffer_size 个元素放入，并从缓冲区中随机采样，采样后的数据用后续数据替换
• Dataset.batch(batch_size)：将数据集分成批次，即对每 batch_size 个元素，使用 tf.stack() 在第 0 维合并，成为一个元素

参考文档：https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/data/Dataset#methods_2

五、分布式任务常见的 GPU 利用率低问题

分布式任务相比单机任务多了一个机器间通信环节。如果在单机上面运行的好好的，扩展到多机后出现 GPU 利用率低，运行速度慢等问题，大概率是机器间通信时间太长导致的。请排查以下几点：

1、机器节点是否处在同一 modules？

答：机器节点处于不同 modules 时，多机间通信时间会长很多，deepspeed 组件已从平台层面增加调度到同一 modules 的策略，用户不需要操作；其他组件需联系我们开启。

2、多机时是否启用 GDRDMA？

答：能否启用 GDRDMA 和 NCCL 版本有关，经测试，使用 PyTorch1.7（自带 NCCL2.7.8）时，启动 GDRDMA 失败，和 Nvidia 的人沟通后确定是 NCCL 高版本的 bug，暂时使用的运行注入的方式来修复；使用 PyTorch1.6（自带 NCCL2.4.8）时，能够启用 GDRDMA。经测试，“NCCL2.4.8 + 启用 GDRDMA ” 比 “NCCL2.7.8 + 未启用 GDRDMA”提升 4%。通过设置 export NCCL_DEBUG=INFO，查看日志中是否出现[receive] via NET/IB/0/GDRDMA 和 [send] via NET/IB/0/GDRDMA，出现则说明启用 GDRDMA 成功，否则失败。

3、pytorch 数据并行是否采用 DistributedDataParallel ？

答：PyTorch 里的数据并行训练，涉及 nn.DataParallel (DP) 和nn.parallel.DistributedDataParallel (DDP) ，我们推荐使用 nn.parallel.DistributedDataParallel (DDP)。