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PaddlePaddle 基本使用概念 PaddlePaddle 基本使用概念
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PaddlePaddle是一个深度学习框架,同时支持单机和多机模式的系统。命令 ``paddle train`` 可启动单机模式的进程,我们称之为 ``trainer`` 进程。单机所有设备使用均在单机进程内调度完成。多机模式除了需要启动trainer进程外,还需要通过命令 ``paddle pserver`` 启动多机参数服务器进程, 我们称之为   ``pserver`` 进程。该进程负责多个单机进程间的通信,进而充分利用集群的计算资源。 PaddlePaddle同时以 ``swig api`` 的形式,提供训练结果模型预测的方法和自定义训练流程 PaddlePaddle是一个深度学习框架,支持单机模式和多机模式
下面我们会介绍trainer进程中的一些概念,这些概念会对如何使用PaddlePaddle有一定的帮助。 了解这些概念的前提是,读者已经了解 `基本的神经网络/机器学习原理和概念 <nn.html>`_ 。同时,如果想要了解PaddlePaddle实现中的一些概念,请参考 `PaddlePaddle 编程中的基本概念 <program_concepts.html>`_ 。 单节模式用命令 ``paddle train`` 可以启动一个trainer进程,一个单机训练作业只包括一个trainer进程,单机的所有设备使用,均在单机进程内调度完成。
如果数据规模比较大,希望加速训练,可以启动分布式作业。一个分布式作业里包括若干trainer进程和若干Parameter Server(或称pserver)进程。用命令 ``paddle pserver`` 可以启动 pserver 进程,pserver进程用于协调多个trainer进程之间的通信。
本文首先介绍trainer进程中的一些使用概念,然后介绍pserver进程中概念。
.. contents:: .. contents::
系统模块 系统框图
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``trainer`` 进程内嵌了一个 ``python`` 解释器, 这个 ``python`` 解释器负责解析用户定义的神经网络配置;解析输入数据流,并将数据传入给 ``trainer`` 系统 下图描述了用户使用框图,PaddlePaddle里链接了Python解释器,trainer进程可以利用这个解释器执行Python脚本,Python脚本里定义了模型配置、训练算法、以及数据读取函数。其中,数据读取程序往往定义在一个单独Python脚本文件里,被称为DataProvider,通常是一个Python函数。模型配置、训练算法通常定义在另一单独Python文件中。下面将分别介绍这两部分
.. graphviz:: .. graphviz::
...@@ -30,132 +34,105 @@ PaddlePaddle是一个深度学习框架,同时支持单机和多机模式的 ...@@ -30,132 +34,105 @@ PaddlePaddle是一个深度学习框架,同时支持单机和多机模式的
py -> data_provider [dir="back"]; py -> data_provider [dir="back"];
} }
所以,单机训练 ``trainer`` 进程对用户的主要接口语言为Python。用户需要配置文件主要有两个:数据流提供器 ``DataProvider`` 和模型配置 ``TrainerConfig`` 。
DataProvider DataProvider
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DataProvider是 ``trainer`` 进程的数据提供器。主要负责将用户的原始数据转换成 ``trainer`` 系统可以识别的数据类型。当系统需要新的数据训练时,会调用DataProvider获取数据接口。当所有数据读取完一轮后,DataProvider返回空数据通知系统一轮数据读取结束。 ``trainer`` 在每一轮训练开始时会重置DataProvider 在不同的应用里,训练数据的格式往往各不相同。因此,为了用户能够灵活的处理数据,我们提供了Python处理数据的接口,称为 `PyDataProvider`_
需要注意的是,DataProvider是被 ``trainer`` 系统调用,而不是新数据驱动系统;数据 ``shuffle`` 和一些随机化噪声添加都应该在DataProvider中完成。 trainer进程会调用DataProvider函数,将用户的原始数据转换成系统可以识别的数据类型。当所有数据读取完一轮后,DataProvider返回空数据,通知系统一轮数据读取结束,系统每一轮训练开始时会重置DataProvider。需要注意的是,DataProvider是被系统调用,而不是新数据驱动系统,一些随机化噪声添加都应该在DataProvider中完成。
为了用户能够灵活的处理数据,PaddlePaddle提供了处理数据的Python接口(称为 `PyDataProvider`_ )。 在 ``PyDataProvider`` 中,系统C++模块接管了shuffle、处理batch、GPU和CPU通信、双缓冲、异步读取等问题,需要说明的是,一些情况下需要Python接口里处理shuffle,可以参考 `PyDataProvider`_ 的相关文档继续深入了解。 在 ``PyDataProvider`` 中,系统C++模块接管了shuffle、处理batch、GPU和CPU通信、双缓冲、异步读取等问题,一些情况下(如:``min_pool_size=0``)需要Python接口里处理shuffle,可以参考 `PyDataProvider`_ 的相关文档继续深入了解。
TrainerConfig 模型配置文件
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模型配置是一个Python文件,主要包括神经网络结构、优化算法、数据传入方式,使用命令行参数 ``--config`` 传给``trainer``主程序。 例如\:
.. code-block:: bash
paddle train --config=trainer_config.py 模型配置主要包括数据传入接口定义(DataConfig)、优化算法(OptimizationConfig)、网络结构(ModelConfig)。 其中数据传入接口定义与DataProvider的关系是:DataProvider里定义数据读取函数,配置文件的DataConfig里指定DataProvider文件名字、生成数据函数接口,请不要混淆。
一个简单的模型配置文件为: 一个简单的模型配置文件为:
.. literalinclude:: trainer_config.py .. literalinclude:: trainer_config.py
:linenos: :linenos:
下面我们详细的介绍一下模型配置中各个模块的概念。 文件开头 ``from paddle.trainer_config_helpers import *`` ,是因为PaddlePaddle配置文件与C++模块通信的最基础协议是protobuf。为了避免用户直接写复杂的protobuf string,我们为用户定以Python接口来配置网络,该Python代码可以生成protobuf包,这就是的作用`trainer_config_helpers`_的作用。因此,在文件的开始,需要import这些函数。 这个包里面包含了模型配置需要的各个模块。
trainer_config_helpers 下面分别介绍DataConfig、OptimizationConfig、ModelConfig这三部分该概念。
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PaddlePaddle配置文件与C++模块通信的最基础协议是 ``protobuf`` 。为了避免用户直接写比较难写的protobuf string,我们通过Python代码来生成protobuf包,这就是helpers的作用。所以在文件的开始,需要import这些helpers函数。 DataConfig
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需要注意的是,这个 ``paddle.trainer_config_helpers`` 包是标准的python包,这意味着用户可以选择自己喜欢的 ``IDE`` 或者编辑器来编写Paddle的配置文件,这个Python包注释文档比较完善,并提供了IDE的代码提示与类型注释 使用函数 ``define_py_data_sources2`` 配置数据源,后缀 2 是Paddle历史遗留问题,因为Paddle之前使用的PyDataProvider性能问题,重构了一个新的 `PyDataProvider`_
data_sources ``define_py_data_sources2`` 里通过train_list和test_list指定是训练文件列表和测试文件列表。 如果传入字符串的话,是指一个数据列表文件。这个数据列表文件中包含的是每一个训练或者测试文件的路径。如果传入一个list的话,则会默认生成一个list文件,再传入给train.list或者test.list。
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data_sources配置神经网络的数据源,使用的函数是 ``define_py_data_sources2`` ,这个函数是定义了使用 `PyDataProvider`_ 提供数据源。后缀 ``2`` 是Paddle历史遗留问题,因为Paddle之前使用的PyDataProvider性能问题,重构了一个新的 `PyDataProvider`_ 。 ``module`` 和 ``obj`` 指定了DataProvider的文件名和返回数据的函数名。更详细的使用,请参考 `PyDataProvider`_ 。
data_sources里通过train_list和test_list指定是训练文件列表和测试文件列表。 如果传入字符串的话,是指一个数据列表文件。这个数据列表文件中包含的是每一个训练或者测试文件的路径。如果传入一个list的话,则会默认生成一个list文件,再传入给train.list或者test.list。 OptimizationConfig
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其中``module`` 和``obj``指定了DataProvider的文件名和返回数据的函数名。更详细的使用,请参考 `PyDataProvider`_ 通过`settings`_ 接口设置神经网络所使用的训练参数和优化算法,包括学习率、batch_size、优化算法、正则方法等,具体的使用方法请参考 `settings`_ 文档
settings ModelConfig
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`settings`_ 设置训练神经网络所使用的算法。包括学习率、batch_size、优化算法、正则方法等,具体的使用方法请参考 `settings`_ 文档 神经网络配置主要包括网络连接、激活函数、损失函数、评估器
网络配置 - 网络连接: 主要由Layer组成,每个Layer返回的都是一个 ``LayerOutput`` 对象,Layer里面可以定义参数属性、激活类型等。
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上述配置中余下的部分是神经网络配置,主要包括网络连接、 ``cost`` 层、评估器。 为了更灵活的配置,PaddlePaddle提供了基于 Projection 或者 Operator 的配置,这两个需要与 ``mixed_layer`` 配合使用。这里简单介绍Layer、Projection、Operator的概念:
- 首先,定义了一个名字叫"pixel"的 ``data_layer`` ,每个layer返回的都是一个 ``LayerOutput`` 对象,比如第一层的输出对象称作 ``img`` 。 - Layer: 神经网络的某一层,可以有可学习的参数,一般是封装了许多复杂操作的集合。
- 然后,这个对象作为另一个layer( ``simple_img_conv_pool`` )的输入, ``simple_img_conv_pool`` 是一个组合层,包括了图像的卷积 (convolution) 和池化(pooling), - Projection:需要与 ``mixed_layer`` 配合使用,含可学习参数。
- 其次,连接到全连接层(``fc_layer``),再连接到一个含Softmax激活的全连接层。 - Operator: 需要与 ``mixed_layer`` 配合使用,不含可学习参数,输入全是其他Layer的输出。
- 最终,连接到cost层( ``classification_cost`` ), ``classification_cost`` 默认使用多类交叉熵损失函数和分类错误率统计评估器。标记网络输出的函数为 ``outputs`` ,网络的输出是神经网络的优化目标,神经网络训练的时候,实际上就是要最小化这个输出。
用该模型配置进行预测时,网络的输出也是通过 ``outputs`` 标记。
这个配置文件网络由 ``data_layer`` 、 ``simple_img_conv_pool`` 、 ``fc_layer`` 组成。
- `data_layer`_ : 通常每个配置文件都会包括 ``data_layer`` ,定义输入数据大小。
- `simple_img_conv_pool`_ :是一个组合层,包括了图像的卷积 (convolution)和池化(pooling)。
- `fc_layer`_ :全连接层,激活函数为Softmax,这里也可叫分类层。
Layer、Projection、Operator
=========================== - 损失函数和评估器:损失函数即为网络的优化目标,评估器可以评价模型结果。
PaddlePaddle的网络是基于Layer来配置的。所谓的Layer即是神经网络的某一层,一般是封装了许多复杂操作的操作集合。比如最简单的 ``fc_layer`` ,包括矩阵乘法、多输入的求和、加Bias操作、激活( ``activation`` )函数操作 PaddlePaddle包括很多损失函数和评估起,详细可以参考 `损失函数层`_ 和 `评估器`_ 。这里 ``classification_cost`` 默认使用多类交叉熵损失函数和分类错误率统计评估器
.. code-block:: python - ``outputs``: 标记网络输出的函数为 ``outputs`` 。
data = data_layer(name='data', size=200) 训练阶段,网络的输出为神经网络的优化目标;预测阶段,网络的输出也可通过 ``outputs`` 标记。
out = fc_layer(input=data, size=200, act=TanhActivation())
对于更灵活配置需求,PaddlePaddle提供了基于 ``Projection`` 或者 ``Operator`` 的配置,这些需要与 ``mixed_layer`` 配合使用。 ``mixed_layer`` 是将多个输入累加求和,然后加Bias和 ``activation`` 操作。 ``mixed_layer`` 具体计算是通过内部的Projection和Operator完成。Projection含有可学习参数;而Operator不含可学习的参数,输入全是其他Layer的输出。
这里对 ``mixed_layer`` 稍做详细说明, 该Layer将多个输入(Projection 或 Operator)累加求和,具体计算是通过内部的 Projection 和 Operator 完成,然后加 Bias 和 activation 操作,
例如,和 ``fc_layer`` 同样功能的 ``mixed_layer`` 是: 例如,和 ``fc_layer`` 同样功能的 ``mixed_layer`` 是:
.. code-block:: python .. code-block:: python
data = data_layer(name='data', size=200)
with mixed_layer(size=200) as out:
out += full_matrix_projection(input=data)
data = data_layer(name='data', size=200) PaddlePaddle 可以使用 ``mixed layer`` 配置出非常复杂的网络,甚至可以直接配置一个完整的LSTM。用户可以参考 `mixed_layer`_ 的相关文档进行配置。
with mixed_layer(size=200) as out:
out += full_matrix_projection(input=data)
PaddlePaddle可以使用 ``mixed layer`` 配置出非常复杂的网络,甚至可以直接配置一个完整的LSTM。用户可以参考 `mixed_layer`_ 的相关文档进行配置。
如何利用单机的所有GPU或所有CPU核心
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PaddlePaddle的单机 ``trainer`` 进程可以充分利用一台计算机上所有的GPU资源或者CPU。
如果要使用机器上多块GPU,使用如下命令即可\:
.. code-block:: bash 分布式训练
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paddle train --use_gpu=true --trainer_count=4 # use 4 gpu card, 0, 1, 2, 3
如果要使用机器上多块CPU, 使用如下命令即可\:
.. code-block:: bash
paddle train --trainer_count=4 # use 4 cpu cores.
如果要指定GPU编号,例如选择第0、2号GPU,则可以设置 ``CUDA_VISIBLE_DEVICES`` 环境变量来指定特定的GPU。具体可以参考连接`masking-gpu`_ ,命令为:
.. code-block:: bash PaddlePaddle多机采用经典的 Parameter Server 架构对多个节点的 trainer 进行同步。多机训练的经典拓扑结构如下\:
env CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,2 paddle train --use_gpu=true --trainer_count=2
如何利用多台机器的计算资源训练神经网络
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PaddlePaddle多机采用经典的 ``Parameter Server`` 架构对多个节点的 ``trainer`` 进行同步。多机训练神经网络,要讲数据切分到不同的机器上,切分数据相对简单,所以在PaddlePaddle的开源实现中并没有提供相关工具包。
多机训练的经典拓扑结构如下\:
.. graphviz:: pserver_topology.dot .. graphviz:: pserver_topology.dot
图中每个灰色方块是一台机器,在每个机器中,先启动一个 ``paddle pserver`` 进程,并指定端口号,可能的参数是\: 图中每个灰色方块是一台机器,在每个机器中,先使用命令 ``paddle pserver`` 启动一个pserver进程,并指定端口号,可能的参数是\:
.. code-block:: bash .. code-block:: bash
paddle pserver --port=5000 --num_gradient_servers=4 --nics='eth0' paddle pserver --port=5000 --num_gradient_servers=4 --nics='eth0'
这里说明系统的 ``pserver`` 进程端口是 ``5000`` ,有四个训练进程(即 ``--gradient_servers=4`` ,PaddlePaddle同时将 ``trainer`` 称作 ``GradientServer`` 。因为其为负责提供Gradient)。 启动之后 ``pserver`` 进程之后,需要 ``trainer`` 训练进程,再在各个机器上运行如下命令\: * 指定 pserver 进程端口是 5000 。
* 有四个训练进程(即 ``--gradient_servers=4`` ,PaddlePaddle同时将 trainer 称作 GradientServer 。因为其为负责提供Gradient) 。
* 指定以太网类型为TCP网络。
启动之后 pserver 进程之后,需要启动 trainer 训练进程,在各个机器上运行如下命令\:
.. code-block:: bash .. code-block:: bash
...@@ -163,16 +140,23 @@ PaddlePaddle多机采用经典的 ``Parameter Server`` 架构对多个节点的 ...@@ -163,16 +140,23 @@ PaddlePaddle多机采用经典的 ``Parameter Server`` 架构对多个节点的
对于简单的多机协同训练使用上述方式即可。另外,pserver/train 通常在高级情况下,还需要设置下面两个参数\: 对于简单的多机协同训练使用上述方式即可。另外,pserver/train 通常在高级情况下,还需要设置下面两个参数\:
* --ports_num\: 一个 pserver进程共绑定多少个端口用来做稠密更新。默认是1 * --ports_num\: 一个 pserver 进程共绑定多少个端口用来做稠密更新。默认是1
* --ports_num_for_sparse\: 一个pserver进程共绑定多少端口用来做稀疏更新,默认是0 * --ports_num_for_sparse\: 一个pserver进程共绑定多少端口用来做稀疏更新,默认是0
使用手工指定端口数量,是因为Paddle的网络通信中,使用了 ``int32`` 作为消息长度,比较容易在大模型下溢出。所以,在 ``pserver`` 进程中可以启动多个子线程去接受trainer的数据,这样单个子线程的长度就不会溢出了。但是这个值不可以调的过大,因为增加这个值,对性能尤其是内存占用有一定的开销,另外稀疏更新的端口如果太大的话,很容易导致某一个参数服务器没有分配到任何参数。 使用手工指定端口数量,是因为Paddle的网络通信中,使用了 int32 作为消息长度,比较容易在大模型下溢出。所以,在 pserver 进程中可以启动多个子线程去接受 trainer 的数据,这样单个子线程的长度就不会溢出了。但是这个值不可以调的过大,因为增加这个值,对性能尤其是内存占用有一定的开销,另外稀疏更新的端口如果太大的话,很容易导致某一个参数服务器没有分配到任何参数。
详细的说明可以参考,使用 `集群训练Paddle`_ 。 详细的说明可以参考,使用 `集群训练Paddle`_ 。
.. _PyDataProvider: ../ui/data_provider/pydataprovider2.html .. _PyDataProvider: ../ui/data_provider/pydataprovider2.html
.. _settings: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/optimizers.html#settings .. _settings: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/optimizers.html#settings
.. _mixed_layer: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/layers.html#mixed-layer .. _trainer_config_helper: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/index.html
.. _masking-gpu: http://www.acceleware.com/blog/cudavisibledevices-masking-gpus .. _data_layer: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/layers.html#data-layer
.. _simple_img_conv_pool: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/networks.html#simple-img-conv-pool
.. _fc_layer: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/layers.html#fc-layer
.. _损失函数层: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/layers.html#cost-layers
.. _评估器: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/evaluators.html
.. _mixed_layer: ../../doc/ui/api/trainer_config_helpers/layers.html#mixed-layer
.. _masking-gpu: http://www.acceleware.com/blog/cudavisibledevices-masking-gpus
.. _集群训练Paddle: ../cluster/index.html .. _集群训练Paddle: ../cluster/index.html
...@@ -213,4 +213,21 @@ PaddlePaddle的参数使用名字 :code:`name` 作为参数的ID,相同名字 ...@@ -213,4 +213,21 @@ PaddlePaddle的参数使用名字 :code:`name` 作为参数的ID,相同名字
原因是:单元测试使用了一个旧版本的python包,而没有测试到代码中实际修改的python包。即单元测试需要一个干净的环境: 原因是:单元测试使用了一个旧版本的python包,而没有测试到代码中实际修改的python包。即单元测试需要一个干净的环境:
* 如果paddle包已经在python的site-packages里面了,那么单元测试时使用的paddle包,就是site-packages里面的python包,而不是源码目录里 :code:`/python` 目录下的python包。 * 如果paddle包已经在python的site-packages里面了,那么单元测试时使用的paddle包,就是site-packages里面的python包,而不是源码目录里 :code:`/python` 目录下的python包。
* 即便设置了 :code:`PYTHONPATH` 到 :code:`/python` 也没用,因为python的搜索路径是优先已经安装的python包。 * 即便设置了 :code:`PYTHONPATH` 到 :code:`/python` 也没用,因为python的搜索路径是优先已经安装的python包。
\ No newline at end of file
9. 如何指定GPU设备
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例如机器上有4块GPU,编号从0开始,指定使用2、3号GPU:
* 方式1:通过 ``CUDA_VISIBLE_DEVICES`` 环境变量来指定特定的GPU。
.. code-block:: bash
env CUDA_VISIBLE_DEVICES=2,3 paddle train --use_gpu=true --trainer_count=2
* 方式2:通过命令行参数 ``--gpu_id`` 指定。
.. code-block:: bash
paddle train --use_gpu=true --trainer_count=2 --gpu_id=2
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