PyTorch中的CUDA操作

  CUDA(Compute Unified Device Architecture)是NVIDIA推出的异构计算平台，PyTorch中有专门的模块torch.cuda来设置和运行CUDA相关操作。本地安装环境为Windows10，Python3.7.8和CUDA 11.6，安装PyTorch最新稳定版本1.12.1如下：

pip3 install torch torchvision torchaudio --extra-index-url https://download.pytorch.org/whl/cu116

一.常见CPU和GPU操作命令

1.查看PyTorch版本

print(torch.__version__)
1.12.1+cu116

2.查看GPU设备是否可用

print(torch.cuda.is_available())
True

3.PyTorch默认使用设备是CPU

print("default device: {}".format(torch.Tensor([4,5,6]).device))
default device: cpu

4.查看所有可用的cpu设备的数量

print("available cpu devices: {}".format(torch.cuda.os.cpu_count()))
available cpu devices: 20

这里CPU设备数量指的是逻辑处理器的数量。
5.查看所有可用的gpu设备的数量

print("available gpu devices: {}".format(torch.cuda.device_count()))
available gpu devices: 1

6.获取gpu设备的名称

print("gpu device name: {}".format(torch.cuda.get_device_name(torch.device("cuda:0"))))
gpu device name: NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

7.通过device="cpu:0"指定cpu:0设备

device = torch.Tensor([1,2,3], device="cpu:0").device
print("device type: {}".format(device))
device type: cpu

8.通过torch.device指定cpu:0设备

cpu1 = torch.device("cpu:0")
print("cpu device: {}:{}".format(cpu1.type, cpu1.index))
cpu device: cpu:0

9.使用索引的方式，默认使用CUDA设备

gpu = torch.device(0)
print("gpu device: {}:{}".format(gpu.type, gpu.index))
gpu device: cuda:0

10.通过torch.device("cuda:0)指定cuda:0设备

gpu = torch.device("cuda:0")
print("gpu device: {}:{}".format(gpu.type, gpu.index))
gpu device: cuda:0

二.CPU和GPU设备上的Tensor

  默认情况下创建Tensor是在CPU设备上的，但是可以通过copy_、to、cuda等方法将CPU设备中的Tensor转移到GPU设备上。当然也是可以直接在GPU设备上创建Tensor的。torch.tensor和torch.Tensor的区别是，torch.tensor可以通过device指定gpu设备，而torch.Tensor只能在cpu上创建，否则报错。

1.Tensor从CPU拷贝到GPU上

# 默认创建的tensor是在cpu上创建的
cpu_tensor = torch.Tensor([[1,4,7],[3,6,9],[2,5,8]])
print(cpu_tensor.device)

# 通过to方法将cpu_tensor拷贝到gpu上
gpu_tensor1 = cpu_tensor.to(torch.device("cuda:0"))
print(gpu_tensor1.device)

# 通过cuda方法将cpu_tensor拷贝到gpu上
gpu_tensor2 = cpu_tensor.cuda(torch.device("cuda:0"))
print(gpu_tensor2.device)

# 将gpu_tensor2拷贝到cpu上
gpu_tensor3 = cpu_tensor.copy_(gpu_tensor2)
print(gpu_tensor3.device)
print(gpu_tensor3)

输出结果如下：

cpu
cuda:0
cuda:0
cpu
tensor([[1., 4., 7.],
        [3., 6., 9.],
        [2., 5., 8.]])

主要说明下这个copy_()方法，实现如下：

def copy_(self, src, non_blocking=False):
    ......
    return _te.Tensor(*(), **{})

  就是从src中拷贝元素到self的tensor中，然后返回self。以gpu_tensor3 = cpu_tensor.copy_(gpu_tensor2)为例，就是把gpu中的gpu_tensor2拷贝到cpu中的cpu_tensor中。

2.直接在GPU上创建Tensor

gpu_tensor1 = torch.tensor([[2,5,8],[1,4,7],[3,6,9]], device=torch.device("cuda:0"))
print(gpu_tensor1.device)

# 在gpu设备上创建随机数tensor
print(torch.rand((3,4), device=torch.device("cuda:0")))

# 在gpu设备上创建0值tensor
print(torch.zeros((2,5), device=torch.device("cuda:0")))

输出结果，如下：

cuda:0
tensor([[0.7061, 0.2161, 0.8219, 0.3354],
        [0.1697, 0.1730, 0.1400, 0.2825],
        [0.1771, 0.0473, 0.8411, 0.2318]], device='cuda:0')
tensor([[0., 0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0., 0.]], device='cuda:0')

3.CUDA Streams

  Steam是CUDA命令线性执行的抽象形式，分配给设备的CUDA命令按照入队序列的顺序执行。每个设备都有一个默认的Steam，也可以通过torch.cuda.Stream()创建新的Stream。如果不同Stream中的命令交互执行，那么就不能保证命令绝对按顺序执行。下面的这个例子不同的Stream就可能会产生错误。

cuda = torch.device("cuda")
# 创建默认的stream，A就是使用的默认stream
s = torch.cuda.Stream()
A = torch.randn((1,10), device=cuda)
for i in range(100):
    # 在新的stream上对默认的stream上创建的tensor进行求和
    with torch.cuda.stream(s):
        # 存在的问题是：torch.sum()可能会在torch.randn()之前执行
        B = torch.sum(A)
        print(B)

  这个例子存在的问题是torch.sum()可能会在torch.randn()之前就执行。为了保证Stream中的命令绝对按顺序执行，接下来使用Synchronize同步方法解决上面例子的问题：

cuda = torch.device("cuda")
s = torch.cuda.Stream()
A = torch.randn((1,10), device=cuda)
default_stream = torch.cuda.current_stream()
print("Default Stream: {}".format(default_stream))
# 等待创建A的stream执行完毕
torch.cuda.Stream.synchronize(default_stream)
for i in range(100):
    # 在新的stream上对默认的stream上创建的tensor进行求和
    with torch.cuda.stream(s):
        print("current stream: {}".format(torch.cuda.current_stream()))
        B = torch.sum(A)
        print(B)

  解决问题的思路就是通过torch.cuda.Stream.synchronize(default_stream)等待创建A的stream执行完毕，然后再执行新的Stream中的指令。
  除此之外，使用memory_cached方法获取缓存内存的大小，使用max_memory_cached方法获取最大缓存内存的大小，使用max_memory_allocated方法获取最大分配内存的大小。可以使用empty_cache方法释放无用的缓存内存。

三.固定缓冲区

  缓存就是当计算机内存不足的时候，就会把内存中的数据存储到硬盘上。固定缓冲区就是说常驻内存，不能把这部分数据缓存到硬盘上。可以直接使用pin_memory方法或在Tensor上直接调用pin_memory方法将Tensor复制到固定缓冲区。为什么要做固定缓冲区呢？目的只有一个，就是把CPU上的固定缓冲区拷贝到GPU上时速度快。Tensor上的is_pinned方法可以查看该Tensor是否加载到固定缓冲区中。

from torch.utils.data._utils.pin_memory import pin_memory
x = torch.Tensor([[1,2,4], [5, 7, 9], [3, 7, 10]])
# 通过pin_memory()方法将x复制到固定缓冲区
y = pin_memory(x)
# 在tensor上直接调用pin_memory()方法将tensor复制到固定缓冲区
z = x.pin_memory()
# id()方法返回tensor的内存地址，pin_memory()返回tensor对象的拷贝，因此内存地址是不同的
print("id: {}".format(id(x)))
print("id: {}".format(id(y)))
print("id: {}".format(id(z)))
# 当tensor放入固定缓冲区后，就可以异步将数据复制到gpu设备上了
a = z.cuda(non_blocking=True)
print(a)
print("is_pinned: {}/{}".format(x.is_pinned(), z.is_pinned()))

输出结果如下所示：

id: 1605289350472
id: 1605969660408
id: 1605969660248
tensor([[ 1.,  2.,  4.],
        [ 5.,  7.,  9.],
        [ 3.,  7., 10.]], device='cuda:0')
is_pinned: False/True

说明：通过id()查看对象的内存地址。

四.自动设备感知

1.适配CPU和GPU设备

  自动设备感知本质上就是有GPU时就使用GPU，没有GPU时就使用CPU，即一套代码适配CPU和GPU设备。GPU是否存在是通过torch.cuda.is_available()判断的。常见的写法如下：

device = torch.device("cpu")
if torch.cuda.is_available():
    device = torch.device("cuda")
a = torch.tensor([1,2,3], device=device)
print(a)

输出结果如下所示：

tensor([1, 2, 3], device='cuda:0')

2.模型迁移到GPU设备

在Module对象上调用to()方法可以把模型也迁移到GPU设备上，如下所示：

class LinearRegression(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LinearRegression, self).__init__()
        self.linear = torch.nn.Linear(1, 1)
    def forward(self, x):
        return self.linear(x)
regression = LinearRegression().to(device=device)
for param in regression.parameters():
    print(param)

  从上述输出参数中可以看到param都是device='cuda:0'上的tensor，所以可以说模型通过to()迁移到GPU设备上了。

参考文献：
[1]PyTorch官网：https://pytorch.org/
[2]PyTorch中文官方教程1.7：https://pytorch.apachecn.org/#/docs/1.7/README
[3]PyTorch GitHub：https://github.com/pytorch/pytorch
[4]TORCH.CUDA：https://pytorch.org/docs/stable/cuda.html
[5]CUDA SEMANTICS：https://pytorch.org/docs/stable/notes/cuda.html#cuda-semantics
[6]PyTorch深度学习实战