PyTorch中的CUDA的操作方法

目录

• 前言
• 一.常见CPU和GPU操作命令
• 二.CPU和GPU设备上的Tensor
• 1.Tensor从CPU拷贝到GPU上
• 2.直接在GPU上创建Tensor
• 3.CUDA Streams
• 三.固定缓冲区
• 四.自动设备感知
• 1.适配CPU和GPU设备
• 2.模型迁移到GPU设备

前言

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。

到此这篇关于PyTorch中的CUDA的操作方法的文章就介绍到这了,更多相关PyTorch CUDA操作内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！