tensorflow使用多个gpu训练

关于多gpu训练,tf并没有给太多的学习资料，比较官方的只有：tensorflow-models/tutorials/image/cifar10/cifar10_multi_gpu_train.py

但代码比较简单，只是针对cifar做了数据并行的多gpu训练，利用到的layer、activation类型不多，针对更复杂网络的情况，并没有给出指导。自己摸了不少坑之后，算是基本走通了，在此记录下

一、思路

单GPU时，思路很简单，前向、后向都在一个GPU上进行，模型参数更新时只涉及一个GPU。多GPU时，有模型并行和数据并行两种情况。模型并行指模型的不同部分在不同GPU上运行。数据并行指不同GPU上训练数据不同，但模型是同一个（相当于是同一个模型的副本）。在此只考虑数据并行，这个在tf的实现思路如下：

模型参数保存在一个指定gpu/cpu上，模型参数的副本在不同gpu上，每次训练，提供batch_size*gpu_num数据，并等量拆分成多个batch，分别送入不同GPU。前向在不同gpu上进行，模型参数更新时，将多个GPU后向计算得到的梯度数据进行平均，并在指定GPU/CPU上利用梯度数据更新模型参数。

假设有两个GPU（gpu0,gpu1），模型参数实际存放在cpu0上，实际一次训练过程如下图所示：

二、tf代码实现

大部分需要修改的部分集中在构建计算图上，假设在构建计算图时，数据部分基于tensorflow1.4版本的dataset类，那么代码要按照如下方式编写：

 next_img, next_label = iterator.get_next()
 image_splits = tf.split(next_img, num_gpus)
 label_splits = tf.split(next_label, num_gpus)
 tower_grads = []
 tower_loss = []
 counter = 0
 for d in self.gpu_id:
     with tf.device('/gpu:%s' % d):
         with tf.name_scope('%s_%s' % ('tower', d)):
             cross_entropy = build_train_model(image_splits[counter], label_splits[counter], for_training=True)
             counter += 1
             with tf.variable_scope("loss"):
                 grads = opt.compute_gradients(cross_entropy)
                 tower_grads.append(grads)
                 tower_loss.append(cross_entropy)
                 tf.get_variable_scope().reuse_variables()

 mean_loss = tf.stack(axis=0, values=tower_loss)
 mean_loss = tf.reduce_mean(mean_loss, 0)
 mean_grads = util.average_gradients(tower_grads)
 update_ops = tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)
 with tf.control_dependencies(update_ops):
     train_op = opt.apply_gradients(mean_grads, global_step=global_step)

第1行得到image和对应label

第2-3行对image和label根据使用的gpu数量做平均拆分（默认两个gpu运算能力相同，如果gpu运算能力不同，可以自己设定拆分策略）

第 4-5行，保存来自不同GPU计算出的梯度、loss列表

第7-16行，开始在每个GPU上创建计算图，最重要的是14-16三行，14，15把当前GPU计算出的梯度、loss值append到列表后，以便后续计算平均值。16行表示同名变量将会复用，这个是什么意思呢？假设现在gpu0上创建了两个变量var0，var1，那么在gpu1上创建计算图的时候，如果还有var0和var1，则默认复用之前gpu0上的创建的那两个值。

第18-20行计算不同GPU获取的grad、loss的平均值，其中第20行使用了cifar10_multi_gpu_train.py中的函数。

第23行利用梯度平均值更新参数。

注意：上述代码中，所有变量(vars)都放在了第一个GPU上，运行时会发现第一个GPU占用的显存比其他GPU多一些。如果想把变量放在CPU上，则需要在创建计算图时，针对每层使用到的变量进行设备指定，很麻烦，所以建议把变量放在GPU上。