使用异步执行实现批量 RPC 处理
原文：https://pytorch.org/tutorials/intermediate/rpc_async_execution.html
作者：Shen Li
先决条件：
本教程演示了如何使用@rpc.functions.async_execution装饰器来构建批量 RPC 应用，该装饰器通过减少阻止的 RPC 线程数和合并被调用方上的 CUDA 操作来帮助加快训练速度。 这使用 TorchServer 的相同想法进行批量推断。
注意
本教程需要 PyTorch v1.6.0 或更高版本。
基础知识
先前的教程显示了使用torch.distributed.rpc构建分布式训练应用的步骤，但并未详细说明在处理 RPC 请求时被调用方发生的情况。 从 PyTorch v1.5 开始，每个 RPC 请求都会在被调用方上阻塞一个线程，以在该请求中执行该函数，直到该函数返回为止。 这适用于许多用例，但有一个警告。 如果用户函数例如通过嵌套 RPC 调用在 IO 上阻塞，或者例如在等待其他 RPC 请求解除阻塞的信号时阻塞，则被调用方上的 RPC 线程将必须空闲，直到 IO 完成或发生信令事件为止。 结果，RPC 被调用者可能使用了不必要的更多线程。 造成此问题的原因是 RPC 将用户函数视为黑盒，并且几乎不了解该函数会发生什么。 为了允许用户函数产生和释放 RPC 线程，需要向 RPC 系统提供更多提示。
从 v1.6.0 开始，PyTorch 通过引入两个新概念来解决此问题：
torch.futures.Future类型封装了异步执行，还支持安装回调函数。- 一个
@rpc.functions.async_execution装饰器，允许应用告诉被调用方目标函数将返回将来的函数，并且在执行期间可以暂停并产生多次。
使用这两个工具，应用代码可以将用户函数分解为多个较小的函数，将它们作为Future对象上的回调链接在一起，然后返回包含最终结果的Future。 在被调用方，当获取Future对象时，它还将安装后续的 RPC 响应准备和通讯作为回调，这将在最终结果准备好时触发。 这样，被调用者不再需要阻塞一个线程并等待直到最终返回值准备就绪。 有关简单示例，请参考@rpc.functions.async_execution 的 API 文档。
除了减少被调用方上的空闲线程数之外，这些工具还有助于使批量 RPC 处理更容易，更快捷。 本教程的以下两节演示了如何使用@rpc.functions.async_execution装饰器来构建分布式批更新参数服务器和批量强化学习应用。
批量更新参数服务器
考虑具有一个参数服务器（PS）和多个训练器的同步参数服务器训练应用。 在此应用中，PS 保留参数并等待所有训练器报告坡度。 在每次迭代中，它都会等到收到所有训练者的梯度后，再一次更新所有参数。 下面的代码显示 PS 类的实现。 update_and_fetch_model方法是用@rpc.functions.async_execution装饰的，将由训练器调用。 每次调用都会返回一个Future对象，该对象将填充有更新的模型。 大多数训练器发起的调用仅将梯度累积到.grad字段，立即返回，并在 PS 上产生 RPC 线程。 最后到达的训练器将触发优化器步骤，并消耗所有先前报告的梯度。 然后，它使用更新的模型设置future_model，该模型又通过Future对象通知其他训练器的所有先前请求，并将更新后的模型发送给所有训练器。
import threading
import torchvision
import torch
import torch.distributed.rpc as rpc
from torch import optim
num_classes, batch_update_size = 30, 5
class BatchUpdateParameterServer(object):
def __init__(self, batch_update_size=batch_update_size):
self.model = torchvision.models.resnet50(num_classes=num_classes)
self.lock = threading.Lock()
self.future_model = torch.futures.Future()
self.batch_update_size = batch_update_size
self.curr_update_size = 0
self.optimizer = optim.SGD(self.model.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
for p in self.model.parameters():
p.grad = torch.zeros_like(p)
def get_model(self):
return self.model
@staticmethod
@rpc.functions.async_execution
def update_and_fetch_model(ps_rref, grads):
# Using the RRef to retrieve the local PS instance
self = ps_rref.local_value()
with self.lock:
self.curr_update_size += 1
# accumulate gradients into .grad field
for p, g in zip(self.model.parameters(), grads):
p.grad += g
# Save the current future_model and return it to make sure the
# returned Future object holds the correct model even if another
# thread modifies future_model before this thread returns.
fut = self.future_model
if self.curr_update_size >= self.batch_update_size:
# update the model
for p in self.model.parameters():
p.grad /= self.batch_update_size
self.curr_update_size = 0
self.optimizer.step()
self.optimizer.zero_grad()
# by settiing the result on the Future object, all previous
# requests expecting this updated model will be notified and
# the their responses will be sent accordingly.
fut.set_result(self.model)
self.future_model = torch.futures.Future()
return fut
对于训练器，它们都使用来自 PS 的相同参数集进行初始化。 在每次迭代中，每位训练器首先进行前进和后退操作，以局部生成梯度。 然后，每个训练器都使用 RPC 向 PS 报告其梯度，并通过同一 RPC 请求的返回值取回更新的参数。 在训练器的实现中，目标函数是否标记有@rpc.functions.async_execution都没有关系。 训练器只需使用rpc_sync调用update_and_fetch_model，这会阻塞训练器，直到返回更新的模型。
batch_size, image_w, image_h = 20, 64, 64
class Trainer(object):
def __init__(self, ps_rref):
self.ps_rref, self.loss_fn = ps_rref, torch.nn.MSELoss()
self.one_hot_indices = torch.LongTensor(batch_size) \
.random_(0, num_classes) \
.view(batch_size, 1)
def get_next_batch(self):
for _ in range(6):
inputs = torch.randn(batch_size, 3, image_w, image_h)
labels = torch.zeros(batch_size, num_classes) \
.scatter_(1, self.one_hot_indices, 1)
yield inputs.cuda(), labels.cuda()
def train(self):
name = rpc.get_worker_info().name
# get initial model parameters
m = self.ps_rref.rpc_sync().get_model().cuda()
# start training
for inputs, labels in self.get_next_batch():
self.loss_fn(m(inputs), labels).backward()
m = rpc.rpc_sync(
self.ps_rref.owner(),
BatchUpdateParameterServer.update_and_fetch_model,
args=(self.ps_rref, [p.grad for p in m.cpu().parameters()]),
).cuda()
在本教程中，我们将跳过启动多个进程的代码，有关完整实现，请参考示例回购。 请注意，可以在没有@rpc.functions.async_execution装饰器的情况下实现批量。 但是，这将需要在 PS 上阻塞更多的 RPC 线程，或者使用另一轮 RPC 来获取更新的模型，后者将增加代码的复杂性和通信开销。
本节使用一个简单的参数服务器训练示例来说明如何使用@rpc.functions.async_execution装饰器实现批量 RPC 应用。 在下一节中，我们将使用批量重新实现上一分布式 RPC 框架入门指南中的强化学习示例，并演示其对训练速度的影响。
批量 CartPole 求解器
本节以 OpenAI Gym 中的 CartPole-v1 为例，说明批量 RPC 的性能影响。 请注意，我们的目标是演示@rpc.functions.async_execution的用法，而不是构建最佳的 CartPole 求解器或解决大多数不同的 RL 问题，我们使用非常简单的策略和奖励计算策略，并将重点放在多观察者单智能体的批量 RPC 实现。 我们使用与前面的教程类似的Policy模型，如下所示。 与上一教程相比，不同之处在于其构造器使用了一个附加的batch参数来控制F.softmax的dim参数，因为进行批量时，forward函数中的x参数包含来自多个观察者的状态，因此尺寸需要适当更改。 其他所有内容保持不变。
import argparse
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch RPC Batch RL example')
parser.add_argument('--gamma', type=float, default=1.0, metavar='G',
help='discount factor (default: 1.0)')
parser.add_argument('--seed', type=int, default=543, metavar='N',
help='random seed (default: 543)')
parser.add_argument('--num-episode', type=int, default=10, metavar='E',
help='number of episodes (default: 10)')
args = parser.parse_args()
torch.manual_seed(args.seed)
class Policy(nn.Module):
def __init__(self, batch=True):
super(Policy, self).__init__()
self.affine1 = nn.Linear(4, 128)
self.dropout = nn.Dropout(p=0.6)
self.affine2 = nn.Linear(128, 2)
self.dim = 2 if batch else 1
def forward(self, x):
x = self.affine1(x)
x = self.dropout(x)
x = F.relu(x)
action_scores = self.affine2(x)
return F.softmax(action_scores, dim=self.dim)
Observer的构造器也会相应地进行调整。 它还带有batch参数，该参数控制用于选择动作的Agent函数。 在批量模式下，它将调用Agent上的select_action_batch函数，该函数将很快出现，并且该函数将以@rpc.functions.async_execution装饰。
import gym
import torch.distributed.rpc as rpc
class Observer:
def __init__(self, batch=True):
self.id = rpc.get_worker_info().id - 1
self.env = gym.make('CartPole-v1')
self.env.seed(args.seed)
self.select_action = Agent.select_action_batch if batch else Agent.select_action
与之前的教程分布式 RPC 框架入门相比，观察者的行为略有不同。 它不会在环境停止时退出，而是始终在每个剧集中运行n_steps迭代。 当环境返回时，观察者只需重置环境并重新开始。 通过这种设计，智能体将从每个观察者那里收到固定数量的状态，因此可以将它们打包成固定大小的张量。 在每个步骤中，Observer使用 RPC 将其状态发送到Agent，并通过返回值获取操作。 在每个剧集的结尾，它将所有步骤的奖励返还给Agent。 注意，Agent将使用 RPC 调用此run_episode函数。 因此，此函数中的rpc_sync调用将是嵌套的 RPC 调用。 我们也可以将此函数标记为@rpc.functions.async_execution，以避免阻塞Observer上的一个线程。 但是，由于瓶颈是Agent而不是Observer，因此可以在Observer进程中阻塞一个线程。
import torch
class Observer:
...
def run_episode(self, agent_rref, n_steps):
state, ep_reward = self.env.reset(), NUM_STEPS
rewards = torch.zeros(n_steps)
start_step = 0
for step in range(n_steps):
state = torch.from_numpy(state).float().unsqueeze(0)
# send the state to the agent to get an action
action = rpc.rpc_sync(
agent_rref.owner(),
self.select_action,
args=(agent_rref, self.id, state)
)
# apply the action to the environment, and get the reward
state, reward, done, _ = self.env.step(action)
rewards[step] = reward
if done or step + 1 >= n_steps:
curr_rewards = rewards[start_step:(step + 1)]
R = 0
for i in range(curr_rewards.numel() -1, -1, -1):
R = curr_rewards[i] + args.gamma * R
curr_rewards[i] = R
state = self.env.reset()
if start_step == 0:
ep_reward = min(ep_reward, step - start_step + 1)
start_step = step + 1
return [rewards, ep_reward]
Agent的构造器还采用batch参数，该参数控制如何对动作概率进行批量。 在批量模式下，saved_log_probs包含一张张量列表，其中每个张量包含一个步骤中所有观察者的动作抢夺。 如果不进行批量，则saved_log_probs是字典，其中的键是观察者 ID，值是该观察者的动作概率列表。
import threading
from torch.distributed.rpc import RRef
class Agent:
def __init__(self, world_size, batch=True):
self.ob_rrefs = []
self.agent_rref = RRef(self)
self.rewards = {}
self.policy = Policy(batch).cuda()
self.optimizer = optim.Adam(self.policy.parameters(), lr=1e-2)
self.running_reward = 0
for ob_rank in range(1, world_size):
ob_info = rpc.get_worker_info(OBSERVER_NAME.format(ob_rank))
self.ob_rrefs.append(rpc.remote(ob_info, Observer, args=(batch,)))
self.rewards[ob_info.id] = []
self.states = torch.zeros(len(self.ob_rrefs), 1, 4)
self.batch = batch
self.saved_log_probs = [] if batch else {k:[] for k in range(len(self.ob_rrefs))}
self.future_actions = torch.futures.Future()
self.lock = threading.Lock()
self.pending_states = len(self.ob_rrefs)
非批量select_acion只需运行状态抛出策略，保存动作概率，然后立即将动作返回给观察者。
from torch.distributions import Categorical
class Agent:
...
@staticmethod
def select_action(agent_rref, ob_id, state):
self = agent_rref.local_value()
probs = self.policy(state.cuda())
m = Categorical(probs)
action = m.sample()
self.saved_log_probs[ob_id].append(m.log_prob(action))
return action.item()
使用批量时，状态以观察者 id 为行 ID 存储在 2D 张量self.states中。 然后，它通过将回调函数安装到批量生成的self.future_actions Future对象上来链接Future，该对象将使用使用该观察者 ID 索引的特定行进行填充。 最后到达的观察者一口气通过策略运行所有批量状态，并相应地设置self.future_actions。 发生这种情况时，将触发安装在self.future_actions上的所有回调函数，并使用它们的返回值来填充链接的Future对象，该对象进而通知Agent为所有先前的 RPC 请求准备和传达来自其他观察者的响应。
class Agent:
...
@staticmethod
@rpc.functions.async_execution
def select_action_batch(agent_rref, ob_id, state):
self = agent_rref.local_value()
self.states[ob_id].copy_(state)
future_action = self.future_actions.then(
lambda future_actions: future_actions.wait()[ob_id].item()
)
with self.lock:
self.pending_states -= 1
if self.pending_states == 0:
self.pending_states = len(self.ob_rrefs)
probs = self.policy(self.states.cuda())
m = Categorical(probs)
actions = m.sample()
self.saved_log_probs.append(m.log_prob(actions).t()[0])
future_actions = self.future_actions
self.future_actions = torch.futures.Future()
future_actions.set_result(actions.cpu())
return future_action
现在，让我们定义如何将不同的 RPC 函数结合在一起。 Agent控制每个剧集的执行。 它首先使用rpc_async在所有观察者上开始该剧集，并阻止将由观察者奖励填充的返还期货。 请注意，以下代码使用 RRef 帮助器ob_rref.rpc_async()在具有提供的参数的ob_rref RRef 的所有者上启动run_episode函数。 然后将保存的动作概率和返回的观察者奖励转换为期望的数据格式，并开始训练步骤。 最后，它将重置所有状态并返回当前剧集的奖励。 此函数是运行一集的入口。
class Agent:
...
def run_episode(self, n_steps=0):
futs = []
for ob_rref in self.ob_rrefs:
# make async RPC to kick off an episode on all observers
futs.append(ob_rref.rpc_async().run_episode(self.agent_rref, n_steps))
# wait until all obervers have finished this episode
rets = torch.futures.wait_all(futs)
rewards = torch.stack([ret[0] for ret in rets]).cuda().t()
ep_rewards = sum([ret[1] for ret in rets]) / len(rets)
# stack saved probs into one tensor
if self.batch:
probs = torch.stack(self.saved_log_probs)
else:
probs = [torch.stack(self.saved_log_probs[i]) for i in range(len(rets))]
probs = torch.stack(probs)
policy_loss = -probs * rewards / len(rets)
policy_loss.sum().backward()
self.optimizer.step()
self.optimizer.zero_grad()
# reset variables
self.saved_log_probs = [] if self.batch else {k:[] for k in range(len(self.ob_rrefs))}
self.states = torch.zeros(len(self.ob_rrefs), 1, 4)
# calculate running rewards
self.running_reward = 0.5 * ep_rewards + 0.5 * self.running_reward
return ep_rewards, self.running_reward
其余代码是正常的进程启动和日志记录，与其他 RPC 教程类似。 在本教程中，所有观察者都被动地等待来自智能体的命令。 有关完整的实现，请参考示例回购。
def run_worker(rank, world_size, n_episode, batch, print_log=True):
os.environ['MASTER_ADDR'] = 'localhost'
os.environ['MASTER_PORT'] = '29500'
if rank == 0:
# rank0 is the agent
rpc.init_rpc(AGENT_NAME, rank=rank, world_size=world_size)
agent = Agent(world_size, batch)
for i_episode in range(n_episode):
last_reward, running_reward = agent.run_episode(n_steps=NUM_STEPS)
if print_log:
print('Episode {}\tLast reward: {:.2f}\tAverage reward: {:.2f}'.format(
i_episode, last_reward, running_reward))
else:
# other ranks are the observer
rpc.init_rpc(OBSERVER_NAME.format(rank), rank=rank, world_size=world_size)
# observers passively waiting for instructions from agents
rpc.shutdown()
def main():
for world_size in range(2, 12):
delays = []
for batch in [True, False]:
tik = time.time()
mp.spawn(
run_worker,
args=(world_size, args.num_episode, batch),
nprocs=world_size,
join=True
)
tok = time.time()
delays.append(tok - tik)
print(f"{world_size}, {delays[0]}, {delays[1]}")
if __name__ == '__main__':
main()
批量 RPC 有助于将操作推断合并为较少的 CUDA 操作，从而减少了摊销的开销。 上面的main函数使用不同数量的观察者（从 1 到 10）在批量和无批量模式下运行相同的代码。下图使用默认参数值绘制了不同世界大小的执行时间。 结果证实了我们的期望，即批量有助于加快训练速度。
