深度神经网络模型训练时GPU显存不足怎么办？

前言

最近跑的模型都比较大，尤其是Bert， 这真的是难为我 1080ti 了， 在Bert的Example中，官方提供了一些 Trick 来帮助我们加速训练，很良心， 但感觉还不够，于是花费一些时间整理出一个 Trick 集合，来帮助我们在显存不足的时候来嘿嘿嘿。

本文分为两大部分，第一部分引入一个主题：如何估计模型所需显存， 第二个主题：GPU显存不足时的各种 Trick 。

监控 GPU

监控GPU最常用的当然是 nvidia-smi ，但有一个工具能够更好的展示信息：gpustat 。

nvidia-smi
watch --color -n1 gpustat -cpu   # 动态事实监控GPU

推荐在配置文件中配置别名，反正我每次 gpu 一下，信息就全出来了，很方便。

下面有同学推荐nvtop， 我简单试了试，的确挺好的，展现出现的信息很丰富 ， 推荐试一试。

如何估计模型显存 [1] 首先，思考一个问题： 模型中的哪些东西占据了我的显存，咋就动不动就 out of memory？

其实一个模型所占用的显存主要包含两部分： 模型自身的参数， 优化器参数， 模型每层的输入输出。

模型自身参数

模型自身的参数指的就是各个网络层的 Weight 和Bias，这部分显存在模型加载完成之后就会被占用， 注意到的是，有些层是有参数的，如CNN， RNN； 而有些层是无参数的， 如激活层， 池化层等。

从Pytorch 的角度来说，当你执行 model.to(device) 是， 你的模型就加载完毕，此时你的模型就已经加载完成了。

对于Pytorch来说，模型参数存储在 model.parameters() 中，因此，我们不需要自己计算，完全可以通过Pytorh来直接打印：

print('Model {} : params: {:4f}M'.format(model._get_name()， para * type_size / 1000 / 1000))

优化器参数

优化器参数指的是模型在优化过程即反向传播中所产生的参数， 这部分参数主要指的就是 dw， 即梯度，在SGD中， 其大小与参数一样， 因此在优化期间， 模型的参数所占用的显存会翻倍。

值得注意的是，不同的优化器其所需保存的优化参数不同， 对于 Adam， 由于其还需要保存其余参数， 模型的参数量会在优化区间翻 4 倍。

模型每层的输入输出

首先 ，第一点是输入数据所占用的显存， 这部分所占用的显存其实并不大，这是因为我们往往采用迭代器的方式读取数据，这意味着我们其实并不是一次性的将所有数据读入显存，而这保证每次输入所占用的显存与整个网络参数来比是微不足道的。

然后 ，在模型进行前向传播与反向传播时， 一个很重要的事情就是计算并保存每一层的输出以及其对应的梯度， 这意味着，这也占据了很大一部分显存。

最后 ， 模型输出的显存占用可以总结为：

• 每一层的输出(多维数组)， 其对应的梯度， 值得注意的是，模型输出不需要存储相应的动量信息（即此处如果使用Adam， 模型输出的参数量依旧是2倍而不是4倍， 我也不知道为啥？？求大佬指教）
• 输出的显存占用与 batch size 成正比

那么有没有办法通过Pytorch来计算这部分参数量呢？ 答案是有的，我们可以假设一个batch的样本，然后通过 model.modules() 来对每一层进行遍历，获得每一层的输出shape， 然后就能够获得一个batch的数据的输出参数量。[2]

所有的显存占用计算

显存占用 = 模型自身参数 × n + batch size × 输出参数量 × 2 + 一个batch的输入数据（往往忽略）

其中，n是根据优化算法来定的，如果选用SGD， 则 n = 2， 如果选择Adam， 则 n = 4.

一个很棒的实现如下， 我懒得再重新写了，你可以根据这个改一改，问题不大。

# 模型显存占用监测函数
# model：输入的模型
# input：实际中需要输入的Tensor变量
# type_size 默认为 4 默认类型为 float32 
def modelsize(model, input, type_size=4):
    para = sum([np.prod(list(p.size())) for p in model.parameters()])
    print('Model {} : params: {:4f}M'.format(model._get_name(), para * type_size / 1000 / 1000))
    input_ = input.clone()
    input_.requires_grad_(requires_grad=False)
    mods = list(model.modules())
    out_sizes = []
    for i in range(1, len(mods)):
        m = mods[i]
        if isinstance(m, nn.ReLU):
            if m.inplace:
                continue
        out = m(input_)
        out_sizes.append(np.array(out.size()))
        input_ = out
    total_nums = 0
    for i in range(len(out_sizes)):
        s = out_sizes[i]
        nums = np.prod(np.array(s))
        total_nums += nums
    print('Model {} : intermedite variables: {:3f} M (without backward)'
          .format(model._get_name(), total_nums * type_size / 1000 / 1000))
    print('Model {} : intermedite variables: {:3f} M (with backward)'
          .format(model._get_name(), total_nums * type_size*2 / 1000 / 1000))

GPU 显存不足时的Trick [2]

此处不讨论多GPU， 分布式计算等情况，只讨论一些常规的 Trick， 会不定时进行更新。

降低batch size

这应该很好理解，适当降低batch size， 则模型每层的输入输出就会成线性减少， 效果相当明显。这里需要注意的一点是, dev batch size 的调整也有助于降低显存, 同时,不要将 dev 或 test 的batch size 设置为样本集长度, 我最近就干了这个傻事，害的我调试了一天才调出来是这个问题。

选择更小的数据类型

一般默认情况下， 整个网络中采用的是32位的浮点数，如果切换到 16位的浮点数，其显存占用量将接近呈倍数递减。

精简模型

在设计模型时，适当的精简模型，如原来两层的LSTM转为一层； 原来使用LSTM， 现在使用GRU； 减少卷积核数量； 尽量少的使用 Linear 等。

数据角度

对于文本数据来说，长序列所带来的参数量是呈线性增加的， 适当的缩小序列长度可以极大的降低参数量。

total_loss

考虑到 loss 本身是一个包含梯度信息的 tensor， 因此，正确的求损失和的方式为：

total_loss += loss.item()

释放不需要的张量和变量

采用del释放你不再需要的张量和变量，这也要求我们在写模型的时候注意变量的使用，不要随心所欲，漫天飞舞。

Relu 的 inplace 参数

激活函数 Relu() 有一个默认参数 inplace ，默认为Flase， 当设置为True的时候，我们在通过relu() 计算得到的新值不会占用新的空间而是直接覆盖原来的值，这表示设为True， 可以节省一部分显存。

梯度累积

首先， 要了解一些Pytorch的基本知识：

• 在Pytorch 中，当我们执行 loss.backward() 时， 会为每个参数计算梯度，并将其存储在 paramter.grad 中， 注意到， paramter.grad 是一个张量， 其会累加每次计算得到的梯度。
• 在 Pytorch 中， 只有调用 optimizer.step()时才会进行梯度下降更新网络参数。

我们知道， batch size 与占用显存息息相关，但有时候我们的batch size 又不能设置的太小，这咋办呢？ 答案就是 梯度累加 。

我们先来看看传统训练：

for i,(feature,target) in enumerate(train_loader):
    outputs = model(feature)  # 前向传播
    loss = criterion(outputs,target)  # 计算损失
    optimizer.zero_grad()   # 清空梯度
    loss.backward()  # 计算梯度
    optimizer.step()  # 反向传播， 更新网络参数

而加入梯度累加之后，代码是这样的：

for i,(features,target) in enumerate(train_loader):
    outputs = model(images)  # 前向传播
    loss = criterion(outputs,target)  # 计算损失