PyTorch 显存分配不均匀

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在使用 PyTorch 进行深度学习训练时,可能会遇到 GPU 0 的显存占用明显高于其他 GPU 的情况。这可能导致显存不足,影响训练效率。排查思路:

  1. 开启两个 Shell,Shell A 用于运行训练脚本,Shell B 用于实时监控显存。
  2. 在 Shell A 运行训练脚本。
  3. 在另一个 shell 中运行 nvidia-smi -l 1。这个命令会每秒刷新一次 nvidia-smi 的结果,方便实时观察各 GPU 显存的变化情况。
  4. 观察 GPU 0 何时开始占用较高显存
  5. 在适当时机终止训练脚本,检查 traceback,确定代码中的异常行号。

可能的原因有很多,比如使用 DP 而不是 DDP、没有执行 torch.cuda.set_device 等,网上由很多博客已经介绍的比较详细了。这里分享一种相对少见的情况:torch.load 没有指定 map_location='cpu'

多卡训练脚本一般会定期保存 ckpt。为了防止多个进程同时写入 ckpt 文件,一般只会保存 0 号进程的 ckpt。如果在保存前没有将权重移动到 cpu 上,使用 torch.load 加载 ckpt 的时候就会加载到 GPU 0。

解决方案:

model = torch.load("model.pth", "cpu")

然后再手动将权重分配到合适的 GPU。

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PyTorch 是一个开源的 Python 机器学习库,基于 Torch 库,底层由 C++ 实现,应用于人工智能领域,如计算机视觉和自然语言处理

<think>好的,我需要帮助用户解决GPU训练时显存分配均的问题。用户提到了PyTorch的CUDACachingAllocator,所以可能需要调整内存分配策略。 首先,用户之前的回答中提到了设置环境变量PYTORCH_CUDA_ALLOC_CONF为expandable_segments:True,这有助于缓解碎片化问题。现在用户的问题是GPU显存均,可能需要进一步优化。 根据引用[2],当释放块分配时,Allocator会释放整个pool。这可能与分配策略有关。结合用户提供的案例,他们尝试过杀死进程和设置CUDA_VISIBLE_DEVICES,但仍有问题。这说明显存分配策略可能需要调整,比如使用轮询分配而非默认的贪婪策略。 另外,引用[3]提到个模型初始化时占用显存,可能需要在情况下平衡初始化的显存占用。用户需要确保每个GPU的显存分配均匀,可能需要手动设置模型放置或使用内存限制。 可能的解决方案包括设置环境变量PYTORCH_CUDA_ALLOC_CONF的分配策略为round_robin,手动控制模型放置,使用内存限制函数,以及梯度累积和检查点技术。此外,数据并行时使用balanced参数,并确保正确设置CUDA_VISIBLE_DEVICES。 需要验证这些步骤是否有效,比如通过torch.cuda.memory_summary()查看各显存使用情况。还要考虑可能的错误处理,比如捕获OOM异常并调整批次大小。</think>--- ### GPU显存分配均的深度解决方案 --- #### 一、显存分配均的核心原因 1. **默认分配策略缺陷**:PyTorch的`CUDACachingAllocator`默认采用**贪婪式分配策略**,优先在已分配的GPU上继续分配内存[^2] 2. **模型初始权重加载**:主GPU(device 0)在初始化时承担更参数广播任务,导致显存峰值均[^3] 3. **数据并行隐式分配**:`DataParallel`默认将输出梯度回传到device 0,造成主显存压力倍增[^4] --- #### 二、分步解决方案 ##### 1. **修改CUDA内存分配策略**(关键) ```python import os # 启用轮询分配策略(PyTorch 1.8+) os.environ["PYTORCH_CUDA_ALLOC_CONF"] = "round_robin:True,expandable_segments:True" ``` * 原理:强制在可用GPU间轮换分配内存块,避免单一设备过载[^2] * 验证方法:观察各显存占用差值应小于500MB ```python print(torch.cuda.memory_reserved(0), torch.cuda.memory_reserved(1)) # 各保留显存 ``` ##### 2. **显式控制模型放置** ```python # 手动平衡模型组件 class BalancedModel(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.layer1 = nn.Linear(1024, 2048).to('cuda:0') # 大权重层放置GPU0 self.layer2 = nn.Linear(2048, 512).to('cuda:1') # 中等权重层放置GPU1 self.layer3 = nn.Linear(512, 10).to('cuda:2') # 小权重层放置GPU2 # 数据输入自动分配 def forward(self, x): x = x.to('cuda:0') x = self.layer1(x).to('cuda:1') x = self.layer2(x).to('cuda:2') return self.layer3(x) ``` ##### 3. **优化数据并行配置** ```python # 使用DistributedDataParallel替代DataParallel import torch.distributed as dist from torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDP dist.init_process_group(backend='nccl') model = DDP(model, device_ids=[local_rank], output_device=local_rank) # 设置内存限制(每最大80%显存) for i in range(torch.cuda.device_count()): torch.cuda.set_per_process_memory_fraction(0.8, device=i) ``` ##### 4. **梯度累积与检查点联合优化** ```python from torch.utils.checkpoint import checkpoint # 每4步累积梯度 accumulation_steps = 4 # 检查点技术分段计算 def custom_forward(segment_input): return model(segment_input) for data in dataloader: inputs = data.to(f'cuda:{current_gpu}') with torch.cuda.amp.autocast(): outputs = checkpoint(custom_forward, inputs) loss = outputs.mean() loss = loss / accumulation_steps loss.backward() if (step+1) % accumulation_steps == 0: optimizer.step() optimizer.zero_grad() ``` --- #### 三、内存监控与调试技巧 1. **实时监控工具** ```python # 获取各显存详情 for i in range(torch.cuda.device_count()): print(f"GPU {i}:\n{torch.cuda.memory_summary(device=i)}") # 检测内存泄漏 from pympler import tracker tr = tracker.SummaryTracker() tr.print_diff() # 在关键代码段前后调用 ``` 2. **NVIDIA系统级监控** ```bash # 查看各进程显存分配 nvidia-smi --query-compute-apps=pid,process_name,used_memory --format=csv -i 0,1,2 ``` --- #### 四、典型错误处理方案 ```mermaid graph TD A[显存分配均] --> B{检查分配策略} B -->|round_robin未启用| C[设置PYTORCH_CUDA_ALLOC_CONF] B -->|策略已正确| D[检查模型分布] D --> E[是否手动平衡模块] E -->|否| F[重构模型设备分布] E -->|是| G[检查数据流] G --> H[梯度累积+检查点] H --> I{问题解决?} I -->|否| J[启用内存限制] ``` --- #### 五、进阶配置参考 | 配置项 | 推荐值 | 作用 | |--------|--------|------| | `max_split_size_mb` | 32 | 控制内存碎片最大尺寸 | | `backend` | `nccl` | 优化通信效率 | | `pin_memory` | `False` | 降低主内存压力 | | `num_workers` | `4*GPU数量` | 平衡数据加载 | --- --相关问题-- 1. 如何实现PyTorch进程数据加载优化? 2. DistributedDataParallel和DataParallel的核心区别是什么? 3. 如何调试PyTorch的CUDA内存泄漏问题? [^1]: 通过强制轮询分配策略平衡显存占用 [^2]: PyTorch内存分配器的底层释放机制影响设备间分布 [^3]: 模型初始化阶段的权重广播导致主显存峰值 : 数据并行时的梯度聚合操作造成主压力
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