Tensorflow多GPU使用详解

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翻译 | fendouai

编辑 | 磐石

【磐创AI导读】：本文编译自tensorflow官方网站，详细介绍了Tensorflow中多GPU的使用。欢迎大家点击上方蓝字关注我们的公众号：磐创AI。

目录：

介绍

记录设备状态

手动分配状态

允许GPU内存增长

在多GPU系统是使用单个GPU

使用多个 GPU

一．介绍

在一个典型的系统中，有多个计算设备。在 TensorFlow 中支持的设备类型包括 CPU 和 GPU。他们用字符串来表达，例如：

•”/cpu:0″: 机器的 CPU

•”/device:GPU:0″: 机器的 GPU 如果你只有一个

•”/device:GPU:1″: 机器的第二个 GPU

如果 TensorFlow 操作同时有 CPU 和 GPU 的实现，操作将会优先分配给 GPU 设备。例如，matmul 同时有 CPU 和 GPU 核心，在一个系统中同时有设备 cpu:0 和 gpu:0，gpu:0 将会被选择来执行 matmul。

二． 记录设备状态

为了确定你的操作和张量分配给了哪一个设备，创建一个把 log_device_placement 的配置选项设置为 True 的会话即可。

# 创建一个计算图
a = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[2, 3], name='a')
b = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[3, 2], name='b')
c = tf.matmul(a, b)
# 创建一个 session，它的 log_device_placement 被设置为 True.
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(log_device_placement=True))
# 运行这个操作
print(sess.run(c))

你将会看到一下输出:

Device mapping:
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0 -> device: 0, name: Tesla K40c, pci bus
id: 0000:05:00.0
b: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0
a: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0
MatMul: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0
[[ 22.  28.]
 [ 49.  64.]]

三．手动分配设备

如果你希望一个特定的操作运行在一个你选择的设备上，而不是自动选择的设备，你可以使用 tf.device 来创建一个设备环境，这样所有在这个环境的操作会有相同的设备分配选项。

# 创建一个会话
with tf.device('/cpu:0'):
  a = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[2, 3], name='a')
  b = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[3, 2], name='b')
c = tf.matmul(a, b)
# 创建一个 session，它的 log_device_placement 被设置为 True
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(log_device_placement=True))
# 运行这个操作
print(sess.run(c))

你将会看到 a 和 b 被分配给了 cpu:0。因为没有指定特定的设备来执行 matmul 操作，TensorFlow 将会根据操作和已有的设备来选择(在这个例子中是 gpu:0)，并且如果有需要会自动在设备之间复制张量。

Device mapping:
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0 -> device: 0, name: Tesla K40c, pci bus
id: 0000:05:00.0
b: /job:localhost/replica:0/task:0/cpu:0
a: /job:localhost/replica:0/task:0/cpu:0
MatMul: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0
[[ 22.  28.]
 [ 49.  64.]]

四．允许 GPU 内存增长

默认情况下，TensorFlow 将几乎所有的 GPU的显存（受 CUDA_VISIBLE_DEVICES 影响）映射到进程。通过减少内存碎片，可以更有效地使用设备上宝贵的GPU内存资源。

在某些情况下，只需要分配可用内存的一个子集给进程，或者仅根据进程需要增加内存使用量。 TensorFlow 在 Session 上提供了两个 Config 选项来控制这个选项。

第一个是 allow_growth 选项，它根据运行时的需要分配 GPU 内存：它开始分配很少的内存，并且随着 Sessions 运行并需要更多的 GPU 内存，我们根据 TensorFlow 进程需要继续扩展了GPU所需的内存区域。请注意，我们不释放内存，因为这会导致内存碎片变得更糟。要打开此选项，请通过以下方式在 ConfigProto 中设置选项：

config = tf.ConfigProto()
config.gpu_options.allow_growth = True
session = tf.Session(config=config, ...)

第二种方法是 per_process_gpu_memory_fraction 选项，它决定了每个可见GPU应该分配的总内存量的一部分。例如，可以通过以下方式告诉 TensorFlow 仅分配每个GPU的总内存的40％：

config = tf.ConfigProto()
config.gpu_options.per_process_gpu_memory_fraction = 0.4
session = tf.Session(config=config, ...)

如果要真正限制 TensorFlow 进程可用的GPU内存量，这非常有用。

五．在多GPU系统上使用单个GPU

如果您的系统中有多个GPU，则默认情况下将选择具有最低ID的GPU。如果您想在不同的GPU上运行，则需要明确指定首选项：

# 创建一个计算图
with tf.device('/device:GPU:2'):
  a = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[2, 3], name='a')
  b = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[3, 2], name='b')
  c = tf.matmul(a, b)
# 创建一个 log_device_placement 设置为True 的会话
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(log_device_placement=True))
# 运行这个操作
print(sess.run(c))

你会看到现在 a 和 b 被分配给 cpu:0。由于未明确指定设备用于 MatMul 操作，因此 TensorFlow 运行时将根据操作和可用设备（本例中为 gpu:0）选择一个设备，并根据需要自动复制设备之间的张量。

如果指定的设备不存在，将得到 InvalidArgumentError：

InvalidArgumentError: Invalid argument: Cannot assign a device to node 'b':
Could not satisfy explicit device specification '/device:GPU:2'
   [[Node: b = Const[dtype=DT_FLOAT, value=Tensor<type: float shape: [3,2]
   values: 1 2 3...>, _device="/device:GPU:2"]()]]

如果希望 TensorFlow 在指定的设备不存在的情况下自动选择现有的受支持设备来运行操

作，则可以在创建会话时在配置选项中将 allow_soft_placement 设置为 True。

# 创建计算图
with tf.device('/device:GPU:2'):
  a = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[2, 3], name='a')
  b = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[3, 2], name='b')
  c = tf.matmul(a, b)
# 创建一个 allow_soft_placement 和 log_device_placement 设置为 True 的会话
 
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(
      allow_soft_placement=True, log_device_placement=True))
# 运行这个操作
print(sess.run(c))

六． 使用多个 GPU

如果您想要在多个 GPU 上运行 TensorFlow ，则可以采用多塔式方式构建模型，其中每个塔都分配有不同的 GPU。例如：

# 创建计算图
c = []
for d in ['/device:GPU:2', '/device:GPU:3']:
  with tf.device(d):
    a = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[2, 3])
    b = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0], shape=[3, 2])
    c.append(tf.matmul(a, b))
with tf.device('/cpu:0'):
  sum = tf.add_n(c)
# 创建一个 log_device_placement 设置为 True 的会话
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(log_device_placement=True))
# 运行这个操作
print(sess.run(sum))

你将会看到以下的输出：

Device mapping:
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0 -> device: 0, name: Tesla K20m, pci bus
id: 0000:02:00.0
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:1 -> device: 1, name: Tesla K20m, pci bus
id: 0000:03:00.0
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:2 -> device: 2, name: Tesla K20m, pci bus
id: 0000:83:00.0
/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:3 -> device: 3, name: Tesla K20m, pci bus
id: 0000:84:00.0
Const_3: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:3
Const_2: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:3
MatMul_1: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:3
Const_1: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:2
Const: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:2
MatMul: /job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:2
AddN: /job:localhost/replica:0/task:0/cpu:0
[[  44.   56.]
 [  98.  128.]]