pytorch和mmdetection训练出现nan的解决方案

本文主要是收集了一些在使用pytorch自带的amp下loss nan的情况及对应处理方案。

Why?

如果要解决问题,首先就要明确原因:为什么全精度训练时不会nan,但是半精度就开始nan?这其实分了三种情况:

  1. 计算loss 时,出现了除以0的情况
  2. loss过大,被半精度判断为inf
  3. 网络参数中有nan,那么运算结果也会输出nan

1&2我想放到后面讨论,因为其实大部分报nan都是第三种情况。这里来先看看3。什么情况下会出现情况3?这个讨论给出了不错的解释:

Nan Loss with torch.cuda.amp and CrossEntropyLoss

给大家翻译翻译:在使用ce loss 或者 bceloss的时候,会有log的操作,在半精度情况下,一些非常小的数值会被直接舍入到0,log(0)等于啥?——等于nan啊!

于是逻辑就理通了:回传的梯度因为log而变为nan->网络参数nan-> 每轮输出都变成nan。(;´Д`)

How?

问题定义清楚,那解决方案就非常简单了,只需要在涉及到log计算时,把输入从half精度转回float32:

x = x.float()
x_sigmoid = torch.sigmoid(x)

一些思考&废话

这里我接着讨论下我第一次看到nan之后,企图直接copy别人的解决方案,但解决不掉时踩过的坑。比如:

  1. 修改优化器的eps

有些blog会建议你从默认的1e-8 改为 1e-3,比如这篇:pytorch1.1 半精度训练 Adam RMSprop 优化器 Nan 问题

经过上面的分析,我们就能知道为什么这种方法不行——这个方案是针对优化器的数值稳定性做的修改,而loss计算这一步在优化器之前,如果loss直接nan,优化器的eps是救不回来的(托腮)。

那么这个方案在哪些场景下有效?——在loss输出不是nan时(感觉说了一句废话)。optimizer的eps是保证在进行除法backwards时,分母不出现0时需要加上的微小量。在半精度情况下,分母加上1e-8就仿佛听君一席话,因此,需要把eps调大一点。

2. 聊聊amp的GradScaler

GradScaler是autocast的好伙伴,在官方教程上就和autocast配套使用:

from torch.cuda.amp import autocast, GradScaler
...
scaler = GradScaler()
for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()

        with autocast():
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)
        scaler.scale(loss).backward()

        scaler.step(optimizer)
        scaler.update()

具体原理不是我这篇文章讨论的范围,网上很多教程都说得很清楚了,比如这个就不错:

Gemfield:PyTorch的自动混合精度(AMP)

但是我这里想讨论另一点:scaler.step(optimizer)的运行原理。

在初始化GradScaler的时候,有一个参数enabled,值默认为True。如果为True,那么在调用scaler方法时会做梯度缩放来调整loss,以防半精度状况下,梯度值过大或者过小从而被nan或者inf。而且,它还会判断本轮loss是否是nan,如果是,那么本轮计算的梯度不会回传,同时,当前的scale系数乘上backoff_factor,缩减scale的大小

那么,为什么这一步已经判断了loss是不是nan,还是会出现网络损失持续nan的情况呢?

这时我们就得再往前思考一步了:为什么loss会变成nan?回到文章一开始说的:

(1)计算loss 时,出现了除以0的情况;

(2)loss过大,被半精度判断为inf;

(3)网络直接输出了nan。

(1)&(2),其实是可以通过scaler.step(optimizer)解决的,分别由optimizer和scaler帮我们捕捉到了nan的异常。但(3)不行,(3)意味着部分甚至全部的网络参数已经变成nan了。这可能是在更之前的梯度回传过程中除以0导致的——首先【回传的梯度不是nan】,所以scaler不会捕捉异常;其次,由于使用了半精度,optimizer接收到了【已经因为精度损失而变为nan的loss】,nan不管加上多大的eps,都还是nan,所以optimizer也无法处理异常,最终导致网络参数nan。

所以3,只能通过本文一开始提出的方案来解决。其实,大部分分类问题在使用半精度时出现nan的情况都是第3种情况,也只能通过把精度转回为float32,或者在计算log时加上微小量来避免(但这样会损失精度)。

参考

Nan Loss with torch.cuda.amp and CrossEntropyLoss

1. 问题描述

在使用mmdetection训练detectors_htc_r50模型时,出现了显存不够用的问题,于是考虑采用半精度训练,但是在训练时出现了这个问题:

图1. 问题截图

我的代码环境是:

  1. 系统:ubuntu20.04
  2. GPU:NVIDIA RTX 2080Ti,显存:11GB
  3. python:3.7
  4. CUDA:11.4
  5. pytorch:1.7.1
  6. mmcv-full:1.1.5

在网上查了很久,最终探索出了一个非常简单的解决方法。

在你的config.py文件里,要使用fp16训练需要有这样一句话,其中loss_scale默认为512.,它是loss的缩放因子,它越大,loss就越大,因此出现了loss过大变为nan的情况。

fp16 = dict(loss_scale=512.) # 解决方案:缩小loss_scale,在我的问题中,loss_scale=64.就可以正常运行了

解决方案:缩小loss_scale,在我的问题中,loss_scale=64.就可以正常运行了。

2. 解决过程

我分析了图1所示的输出,发现rpn_head的loss并没有出现问题,出现问题的部分在roi_head的bbox_head部分。于是开始从tools/train.py向上找出现问题的具体位置。

(1)根据网上[1,2,3]的经验,我猜测可能是由于在计算loss的时候,出现了送到log()函数里的值为0的情况。于是查看了mmdet/models/losses/cross_entropy_loss.py中的CrossEntropyLoss类,输出了其中送到log_softmax函数里的cls_score项,发现输出有很多nan。这说明并不是送到log()函数里的值为0的问题,而是模型输出的预测结果就已经是nan了;

(2)然后我又顺着train.py一点一点往上查,最终在mmdet/apis/train.py中发现fp16的设置部分:

# fp16 setting
    fp16_cfg = cfg.get('fp16', None)
    if fp16_cfg is not None:
        optimizer_config = Fp16OptimizerHook(
            **cfg.optimizer_config, **fp16_cfg, distributed=distributed)
    elif distributed and 'type' not in cfg.optimizer_config:
        optimizer_config = OptimizerHook(**cfg.optimizer_config)
    else:
        optimizer_config = cfg.optimizer_config

在Fp16OptimizerHook类的定义(mmdet/core/fp16/hooks.py)中发现了一句注释:

Args:
        loss_scale (float): Scale factor multiplied with loss.

说明loss_scale和loss是相乘的关系,于是就尝试了缩小loss_scale,果然解决了问题。

关于半精度训练的更多知识,可以参考[4]。

 

参考

[1]Detectors' loss is nan with FP16 · Issue #3605 · open-mmlab/mmdetection (github.com)

[2]解决pytorch半精度amp训练nan问题 - 知乎 (zhihu.com)

[3]Nan Loss with torch.cuda.amp and CrossEntropyLoss - mixed-precision - PyTorch Forums

[4]全网最全-混合精度训练原理 - 知乎 (zhihu.com)

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