OneFlow的大模型分片保存和加载策略

撰文 | 李响

1、大规模模型分片存储简介

在模型比较小时（如 100G 以下），还有可能采用单机存储。当模型参数量比较大时，要求的样本数也更大，训练后做 dump 出来的模型也会很大，单机肯定放不下。

比如，由 DeepSpeed 和 Megatron 驱动的 Megatron 图灵自然语言生成模型（MT-NLG）具有 5300 亿个参数，是迄今为止训练过的最大和最强大的单片 Transformer 语言模型，支持这样的大规模语言模型需要分片保存和加载，不会使用单机内存。此外，在其他 CV、搜索、推荐和广告类等场景下，读取样本量增多和模型复杂度增加都会带来模型存储上的难题。

本文将介绍 OneFlow 的大模型分片保存、加载策略以及使用方法。

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OneFlow 模型分片保存和加载

OneFlow 的大模型分片保存和加载的实现基于全局视角（Global View，https://docs.oneflow.org/master/cookies/global_tensor.html）的概念，既利用 Placement 与 SBP 完成模型文件（下文都用 state dict 表示）在各个物理设备上的切分，适用于当模型大到无法在单个设备的内存或显存上容纳下的场景。

flow.utils.global_view.to_global() 接口介绍

为了更好理解下文保存模型和加载模型两个部分的内容，首先对 flow.utils.global_view.to_global() 接口和其实现思路进行分析。

区别于现有的 Tensor.to_global() 模式（可以处理普通的 Tensor，https://oneflow.readthedocs.io/en/master/generated/oneflow.Tensor.to_global.html?highlight=to_global%28%29），提供了多种类型的输入支持，包括 None、Tensor、List、Tuple、nn.Module 的 state dict 、nn.Graph 的 state dict 和几种类型的任意组合，既将 List/Tuple/Dict 中的输入 Tensor 转换为 Global Tensor。值得注意的是，其传入参数中的 SBP 支持用户自定义一个 (x, tensor) -> sbp 的函数来解决不同 Tensor 对应不同 SBP 的需求。

并且，与 to_global() 对应的还有 flow.utils.global_view.to_local() 接口。可以参考 API 文档中关于 to_global() 和 to_local() 更详细的介绍（https://oneflow.readthedocs.io/en/master/utils.global_view.html）。在 flow.utils.global_view.to_global() 的实现（https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow/blob/master/python/oneflow/utils/global_view/to_global.py）中，支持了多种输入类型适用于现有的 Tensor.to_global() 接口。实现的整体思路大致为检查输入、广播（空）结构，遍历节点、调用回调函数和返回 to_global() 后的结果。

再回到我们关注的地方，这个接口如何做到模型分片保存和加载？

比如对于模型并行/流水并行，模型的参数分散在多个 Rank 上，在保存模型前通过 flow.utils.global_view.to_global() 将 state dict 里的每个 Tensor 在指定 Placement 上转为 Global Tensor，SBP 的类型为 flow.sbp.split，可以设置在特定维度上的切分。同样的，模型也可以按 Split 被加载。当然，SBP 也可以为 Broadcast，支持不同的 SBP 和 Placement 组合。这样，超大规模模型分片存储的问题就被非常好地解决了。

保存模型

大致了解 flow.utils.global_view.to_global() 接口后，在这一部分演示了如何分片保存模型，代码如下：

# 自定义 get_sbp 函数。
def get_sbp(state_dict, tensor):
    if tensor is state_dict["System-Train-TrainStep"]:
        return flow.sbp.broadcast
    if tensor is state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.weight"]:
        return flow.sbp.split(1)
    if tensor is state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.bias"]:
        return flow.sbp.broadcast
    return flow.sbp.split(0)


model_file_state_dict = flow.utils.global_view.to_global(
    state_dict, placement=model_file_placement, sbp=get_sbp, 
    ) # 使用 sbp=get_sbp 处理特殊的键，也支持指定普通的 SBP。


rank_id = flow.env.get_rank()
# 保存模型分片的路径，一个 rank 对应一个路径。
state_dict_dir = "./graph_save_load_global_" + str(rank_id)


if flow.env.get_rank() in model_file_placement.ranks:
    flow.save(
        flow.utils.global_view.to_local(model_file_state_dict),
        state_dict_dir,
    )

首先，将原模型（state_dict）转化到模型文件的 Placement 和 SBP 上，model_file_placement 为要分片保存模型的设备阵列，也就是将 state dict 按 split(0) 分片到 model_file_placement 上。

这里之所以自定义 get_sbp 函数，是因为用户可以传进来一个 (x, tensor) -> sbp 的函数来解决特殊 Tensor 对应不同 SBP 的需求。

举个例子(当前例子基于 Graph 模式)，对于 state_dict["System-Train-TrainStep"] 这种 shape 为 [1] 的 Tensor，我们就不能按 split(0) 分片了，SBP 可以选用 broadcast。而 state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.weight"] 只能在第 1 维度切分，对于 state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.bias"] 这种不可切分的小 Tensor(s)，SBP 可以选用 broadcast。这样支持用户 DIY SBP 的处理，更加灵活。

在后面的处理中，使用 flow.utils.global_view.to_local() 接口得到 model_file_state_dict 的本地分量，并调用 save() 保存模型。其中，state_dict_dir 是带有设备 id 的目录，需要区分不同设备，推荐一个 rank 对应一个路径，路径名用 rank id 的方式。

加载模型

在指定设备上分片保存模型后，加载模型的代码如下：

if cur_rank in model_file_placement.ranks:
    local_state_dict = flow.load(state_dict_dir)
else:
    local_state_dict = None


global_state_dict = flow.utils.global_view.to_global(
     local_state_dict, placement=model_file_placement, sbp=get_sbp,
)
graph_model.load_state_dict(global_state_dict)

首先，用 load() 方法在每个保存切片的设备上加载 state dict。对应的，需要把 local rank 上的 state dict 转换到模型文件的 placement 和 sbp 上，得到了 global_state_dict。这一步和保存模型应该是对应的，SBP 和 Placement 也是一致的。

最后，global_state_dict 可以成功加载到 graph_model（nn.Graph） 中。当然，nn.Module 和 nn.Graph 处理方法是一致的。

将 state dict 加载到 nn.Module 中

除了以上两个特征外，在将 state dict 加载到 nn.Module 时，OneFlow 提供了 SBP 和 Placement 的自动转换。

在下面的例子中，首先构造一个 m（nn.Module）对象，再将 global_state_dict 的 SBP 设置为 split(0)，而 m 的 SBP 为 broadcast。同时 placement 也放生了变化，从 placement("cpu", ranks=[0, 1]) 到 flow.placement("cpu", ranks=[0])。这时用户不需要其他操作，OneFlow 会自动做 SBP 和 placement 的转换过程。

import oneflow as flow


m = flow.nn.Linear(2,6)
model_file_placement = flow.placement("cpu", ranks=[0, 1])


state_dict = {"weight":flow.ones(3,2), "bias":flow.zeros(3)}
global_state_dict = flow.utils.global_view.to_global(
    state_dict, placement=model_file_placement, sbp=flow.sbp.split(0),
)


m.to_global(placement=flow.placement("cpu", ranks=[0]), sbp=flow.sbp.broadcast)
m.load_state_dict(global_state_dict)
print(m.state_dict())

使用 2 卡运行上面的代码，可以看到，我们自己构造的字典中的全局张量，已经被加载到 m Module 中。此外，输出 OrderedDict 的 tensor 的 SBP 已经从 split(0) 自动转换为 broadcast，'weight' 对应 tensor 的形状也是我们期待的 [6, 2]，'bias' 形状为 [6]。

OrderedDict([('weight', tensor([[1., 1.],
        [1., 1.],
        [1., 1.],
        [1., 1.],
        [1., 1.],
        [1., 1.]], placement=oneflow.placement(type="cpu", ranks=[0]), sbp=(oneflow.sbp.broadcast,), dtype=oneflow.float32,
       requires_grad=True)), ('bias', tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.], placement=oneflow.placement(type="cpu", ranks=[0]), sbp=(oneflow.sbp.broadcast,),
       dtype=oneflow.float32, requires_grad=True))])

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一个完整示例

上面演示了如何分片保存和加载模型。在这一部分，提供一份完整的代码参考，下面的例子为 4 个 ranks 上的流水并行，模拟了模型分片保存和加载的过程。

import os
import numpy as np


import oneflow as flow


model_tensor_placement = flow.placement("cuda", ranks=[0, 1, 2, 3])
# model_file_placement 为存储模型分片的设备的 placement，表示在 Rank 2 和 Rank 3 上可为 None。
model_file_placement = flow.placement("cpu", ranks=[0, 1])
P0 = flow.placement(model_tensor_placement.type, ranks=[0])
P1 = flow.placement(model_tensor_placement.type, ranks=[1])
P2 = flow.placement(model_tensor_placement.type, ranks=[2])
P3 = flow.placement(model_tensor_placement.type, ranks=[3])


def get_sbp(state_dict, tensor):
    if tensor is state_dict["System-Train-TrainStep"]:
        return flow.sbp.broadcast
    if tensor is state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.weight"]:
        return flow.sbp.split(1)
    if tensor is state_dict["module_pipeline"]["m_stage3.linear.bias"]:
        return flow.sbp.broadcast
    return flow.sbp.split(0)


class Stage0Module(flow.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = flow.nn.Linear(16, 8)
        self.relu = flow.nn.ReLU()


    def forward(self, x):
        return self.relu(self.linear(x))


class Stage1Module(flow.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = flow.nn.Linear(8, 4)
        self.relu = flow.nn.ReLU()


    def forward(self, x):
        return self.relu(self.linear(x))


class Stage2Module(flow.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = flow.nn.Linear(4, 2)
        self.relu = flow.nn.ReLU()


    def forward(self, x):
        return self.relu(self.linear(x))


class Stage3Module(flow.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = flow.nn.Linear(2, 1)


    def forward(self, x):
        return self.linear(x)


# 模拟 4 个 ranks 上的流水并行
class PipelineModule(flow.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.m_stage0 = Stage0Module()
        self.m_stage1 = Stage1Module()
        self.m_stage2 = Stage2Module()
        self.m_stage3 = Stage3Module()


        self.m_stage0.to_global(placement=P0, sbp=flow.sbp.broadcast)
        self.m_stage1.to_global(placement=P1, sbp=flow.sbp.broadcast)
        self.m_stage2.to_global(placement=P2, sbp=flow.sbp.broadcast)
        self.m_stage3.to_global(placement=P3, sbp=flow.sbp.broadcast)


    def forward(self, x):
        out_stage0 = self.m_stage0(x)


        in_stage1 = out_stage0.to_global(placement=P1, sbp=flow.sbp.broadcast)
        out_stage1 = self.m_stage1(in_stage1)


        in_stage2 = out_stage1.to_global(placement=P2, sbp=flow.sbp.broadcast)
        out_stage2 = self.m_stage2(in_stage2)


        in_stage3 = out_stage2.to_global(placement=P3, sbp=flow.sbp.broadcast)
        out_stage3 = self.m_stage3(in_stage3)


        return out_stage3


class PipelineGraph(flow.nn.Graph):
    def __init__(self, module_pipeline):
        super().__init__()
        self.module_pipeline = module_pipeline
        self.module_pipeline.m_stage0.config.set_stage(0, P0)
        self.module_pipeline.m_stage1.config.set_stage(1, P1)
        self.module_pipeline.m_stage2.config.set_stage(2, P2)
        self.module_pipeline.m_stage3.config.set_stage(3, P3)
        self.config.set_gradient_accumulation_steps(2)
        self.add_optimizer(
            flow.optim.SGD(self.module_pipeline.parameters(), lr=0.001)
        )


    def build(self, x):
        out = self.module_pipeline(x)
        out = out.sum()
        out.backward()
        return out


def train_with_graph(call_cnt=0, state_dict_dir=None, last_state_dict=None):
    # 形状为 [2, 16] 的固定输入张量
    x = flow.tensor(
        [
            [
                0.4286,
                0.7402,
                0.4161,
                0.6103,
                0.7394,
                1.1330,
                -0.2311,
                -0.1013,
                0.8537,
                0.9757,
                -0.9842,
                0.3839,
                -0.5551,
                -0.8832,
                0.7820,
                0.7421,
            ],
            [
                -0.1581,
                -1.0319,
                1.8430,
                0.3576,
                0.7288,
                -0.6912,
                0.9966,
                1.0840,
                -1.1760,
                1.5683,
                -0.2098,
                -1.6439,
                -2.7049,
                0.1949,
                1.6377,
                0.0745,
            ],
        ],
        dtype=flow.float32,
        placement=P0,
        sbp=flow.sbp.broadcast,
    )


    module_pipeline = PipelineModule()
    graph_model = PipelineGraph(module_pipeline)
    cur_rank = flow.env.get_rank()


    if call_cnt == 1:
        if cur_rank in model_file_placement.ranks:
            local_state_dict = flow.load(state_dict_dir)
        else:
            local_state_dict = None


        # 使用 sbp=get_sbp 处理特殊的键
        global_state_dict = flow.utils.global_view.to_global(
            local_state_dict, placement=model_file_placement, sbp=get_sbp,
        )
        graph_model.load_state_dict(global_state_dict)


    graph_model(x)
    state_dict = graph_model.state_dict()


    if call_cnt == 0:
        model_file_state_dict = flow.utils.global_view.to_global(
            state_dict, placement=model_file_placement, sbp=get_sbp,
        )
        if flow.env.get_rank() in model_file_placement.ranks:
            flow.save(
                flow.utils.global_view.to_local(model_file_state_dict),
                state_dict_dir,
            )


if __name__=="__main__":
    rank_id = flow.env.get_rank()
    # 保存路径，一个 rank 对应一个路径。
    state_dict_dir = "./graph_save_load_global_" + str(rank_id)
    # 保存模型
    train_with_graph(0, state_dict_dir)
    # 加载模型
    train_with_graph(1, state_dict_dir)

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结语

本文从简单介绍大规模模型分片存储开始，最终演示了 OneFlow 的如何做模型分片保存和加载的过程，后续 OneFlow 的大模型分片存储的接口还会不断完善。

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