作者介绍:崔鹏,计算机学博士,专注 AI 与大数据管理领域研究,拥有十五年数据库、操作系统及存储领域实战经验,兼具 ORACLE OCM、MySQL OCP 等国际权威认证,PostgreSQL ACE,运营技术公众号 "CP 的 PostgreSQL 厨房",持续输出数据库技术洞察与实践经验。作为全球领先专网通信公司核心技术专家,深耕数据库高可用、高性能架构设计,创新探索 AI 在数据库领域的应用落地,其技术方案有效提升企业级数据库系统稳定性与智能化水平。学术层面,已在AI方向发表2篇SCI论文,将理论研究与工程实践深度结合,形成独特的技术研发视角。
系列文章介绍
第五阶段 : 高性能 AI 工程实践
主要内容
主题:分布式训练架构:PostgreSQL 如何支持多 GPU 协同?
核心内容:Horovod 框架数据分片策略 / 分布式锁(pg_lockman)在参数服务器中的应用
实践案例:在 K8s 集群中部署分布式训练任务(数据存储层用 PostgreSQL)
正文
在人工智能蓬勃发展的今天,机器学习模型的规模和复杂度不断攀升,单 GPU 训练已经难以满足需求,分布式训练架构应运而生。多 GPU 协同训练能够显著提升训练速度,加速模型迭代。而在分布式训练中,数据存储与高效协同是关键挑战之一。PostgreSQL 作为一款强大的关系型数据库,凭借其丰富的功能和扩展性,为多 GPU 协同训练提供了有力支持。本文将深入探讨基于 PostgreSQL 的分布式训练架构,重点分析 Horovod 框架的数据分片策略以及分布式锁(pg_lockman)在参数服务器中的应用,并通过在 K8s 集群中部署分布式训练任务的实践案例,带您领略 PostgreSQL 在多 GPU 协同训练中的独特魅力。
一、Horovod 框架数据分片策略:让数据高效分配
(一)Horovod 框架简介
Horovod 是 Uber 开源的一个分布式训练框架,支持 TensorFlow、PyTorch、MXNet 等主流深度学习框架,能够轻松实现多 GPU、多节点的分布式训练。它通过优化通信机制和数据分片策略,提高了分布式训练的效率和 scalability。
(二)数据分片的重要性
在分布式训练中,数据量通常非常庞大,无法在单个节点上处理。数据分片就是将整个数据集划分为多个子集,每个子集分配给不同的 GPU 或节点进行训练。合理的数据分片策略可以确保每个 GPU 上的数据量均衡,避免出现数据倾斜,从而充分发挥多 GPU 的并行计算能力。
(三)常见数据分片策略
按样本分片(Sample Sharding)
这是最常见的数据分片策略,将数据集按照样本数量平均分配给各个 GPU。例如,如果有 N 个样本和 K 个 GPU,每个 GPU 将处理 N/K 个样本。这种策略简单直观,适用于大多数场景。在 PostgreSQL 中,可以通过查询语句轻松实现按样本分片,例如使用LIMIT和OFFSET子句来获取每个 GPU 所需的样本数据。
按特征分片(Feature Sharding)
当数据集的特征维度很高时,按特征分片可能更为有效。将不同的特征分配给不同的 GPU,每个 GPU 处理一部分特征的计算。这种策略需要在模型设计和通信机制上进行更多的调整,但可以减少单个 GPU 的内存占用。在 PostgreSQL 中,可以通过将特征存储在不同的表或列中,然后根据 GPU 的分工进行数据读取。
(四)结合 PostgreSQL 实现数据分片
PostgreSQL 提供了强大的数据查询和处理能力,可以方便地与 Horovod 框架结合实现数据分片。首先,将训练数据存储在 PostgreSQL 数据库中,确保数据的完整性和一致性。然后,在 Horovod 的训练脚本中,根据当前 GPU 的编号和总 GPU 数量,计算出该 GPU 需要处理的数据范围,并通过 SQL 查询从 PostgreSQL 中获取相应的数据。
以下是一个简单的示例代码,展示如何在 PyTorch 和 Horovod 中结合 PostgreSQL 进行按样本分片:
import horovod.torch as hvd
import psycopg2
# 初始化Horovod
hvd.init()
rank = hvd.rank()
world_size = hvd.size()
# 连接PostgreSQL数据库
conn = psycopg2.connect(
dbname="training_data",
user="user",
password="password",
host="postgresql-host"
)
cur = conn.cursor()
# 计算每个GPU的数据范围
total_samples = cur.execute("SELECT COUNT(*) FROM samples").fetchone()[0]
samples_per_gpu = total_samples // world_size
offset = rank * samples_per_gpu
# 获取当前GPU的数据
cur.execute(f"SELECT data, label FROM samples LIMIT {samples_per_gpu} OFFSET {offset}")
data, labels = cur.fetchall()
# 转换为PyTorch张量
data = torch.tensor(data)
labels = torch.tensor(labels)
# 后续的训练过程...
二、分布式锁(pg_lockman)在参数服务器中的应用:保证参数一致性
(一)参数服务器的作用
在分布式训练中,参数服务器(Parameter Server)负责存储和更新模型的参数,各个 GPU 或节点在训练过程中从参数服务器获取最新的参数,并将计算得到的梯度上传到参数服务器。参数服务器是分布式训练的核心组件之一,其性能和可靠性直接影响训练效果。
(二)分布式锁的必要性
由于多个 GPU 或节点同时更新参数服务器中的参数,可能会出现并发冲突,导致参数不一致。例如,两个节点同时读取同一个参数并进行更新,如果没有适当的同步机制,最后写入的参数可能会覆盖之前的更新,造成数据丢失或错误。分布式锁可以确保在同一时间只有一个节点能够访问和更新特定的参数,从而保证参数的一致性。
(三)pg_lockman 简介
pg_lockman 是 PostgreSQL 的一个扩展,提供了分布式锁管理功能。它基于 PostgreSQL 的事务和表锁机制,实现了跨节点的分布式锁,支持公平锁、非公平锁、可重入锁等多种锁类型。使用 pg_lockman 可以方便地在参数服务器中实现锁机制,确保参数更新的原子性和一致性。
(四)pg_lockman 在参数服务器中的应用步骤
安装 pg_lockman 扩展
在 PostgreSQL 中安装 pg_lockman 扩展非常简单,只需在数据库中执行以下命令:
CREATE EXTENSION pg_lockman;
定义参数表和锁表
创建参数表用于存储模型参数,锁表用于管理分布式锁:
CREATE TABLE parameters (
param_id SERIAL PRIMARY KEY,
name VARCHAR(50) UNIQUE,
value JSONB
);
CREATE TABLE locks (
lock_name VARCHAR(50) PRIMARY KEY,
owner VARCHAR(50),
acquired_at TIMESTAMP
);
获取和释放锁
在参数服务器中,当需要更新某个参数时,首先通过 pg_lockman 获取对应的锁:
import psycopg2
from pg_lockman import LockManager
lock_manager = LockManager(conn)
# 获取锁
lock_manager.acquire_lock("param_lock")
# 更新参数
cur.execute("UPDATE parameters SET value = %s WHERE name = %s", (new_value, param_name))
conn.commit()
# 释放锁
lock_manager.release_lock("param_lock")
通过使用 pg_lockman,参数服务器能够有效地管理多个 GPU 或节点对参数的访问和更新,确保参数的一致性和正确性。
三、实践案例:在 K8s 集群中部署分布式训练任务(数据存储层用 PostgreSQL)
(一)环境准备
K8s 集群:确保已经搭建好 K8s 集群,并具备基本的集群管理能力。
PostgreSQL 数据库:在 K8s 集群中部署 PostgreSQL 数据库,可以使用 Helm chart 或手动创建 Deployment 和 Service。
Docker 镜像:将训练代码和相关依赖打包成 Docker 镜像,推送到 Docker 仓库。
(二)K8s 配置文件
PostgreSQL Deployment 和 Service
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: postgresql
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: postgresql
template:
metadata:
labels:
app: postgresql
spec:
containers:
- name: postgresql
image: postgres:13
env:
- name: POSTGRES_USER
value: "user"
- name: POSTGRES_PASSWORD
value: "password"
- name: POSTGRES_DB
value: "training_data"
ports:
- containerPort: 5432
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: postgresql-service
spec:
selector:
app: postgresql
ports:
- protocol: TCP
port: 5432
targetPort: 5432
训练任务 Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: training-job
spec:
replicas: 4 # 4个GPU节点
selector:
matchLabels:
app: training
template:
metadata:
labels:
app: training
spec:
containers:
- name: training-container
image: your-docker-image:latest
env:
- name: HOROVOD_RANK
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: metadata.labels['horovod/worker']
- name: HOROVOD_SIZE
value: "4"
- name: POSTGRES_HOST
value: "postgresql-service"
- name: POSTGRES_USER
value: "user"
- name: POSTGRES_PASSWORD
value: "password"
- name: POSTGRES_DB
value: "training_data"
resources:
limits:
nvidia.com/gpu: 1 # 每个容器分配1个GPU
(三)实验代码
数据加载模块
import psycopg2
import torch
def load_data_from_postgresql(rank, world_size):
conn = psycopg2.connect(
dbname="training_data",
user="user",
password="password",
host="postgresql-service"
)
cur = conn.cursor()
total_samples = cur.execute("SELECT COUNT(*) FROM samples").fetchone()[0]
samples_per_gpu = total_samples // world_size
offset = rank * samples_per_gpu
cur.execute(f"SELECT data, label FROM samples LIMIT {samples_per_gpu} OFFSET {offset}")
data, labels = cur.fetchall()
return torch.tensor(data), torch.tensor(labels)
模型定义
import torch
import torch.nn as nn
class SimpleModel(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleModel, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(100, 50)
self.fc2 = nn.Linear(50, 10)
def forward(self, x):
x = self.fc1(x)
x = torch.relu(x)
x = self.fc2(x)
return x
训练模块
import horovod.torch as hvd
from model import SimpleModel
from data_loader import load_data_from_postgresql
hvd.init()
torch.cuda.set_device(hvd.local_rank())
model = SimpleModel().to(hvd.local_rank())
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
# 广播模型参数到所有GPU
hvd.broadcast_parameters(model.state_dict(), root_rank=0)
hvd.broadcast_optimizer_state(optimizer, root_rank=0)
data, labels = load_data_from_postgresql(hvd.rank(), hvd.size())
data = data.to(hvd.local_rank())
labels = labels.to(hvd.local_rank())
for epoch in range(10):
optimizer.zero_grad()
outputs = model(data)
loss = nn.CrossEntropyLoss()(outputs, labels)
loss.backward()
hvd.allreduce_gradients(model.parameters(), op=hvd.AverageOp)
optimizer.step()
if hvd.rank() == 0:
print(f"Epoch {epoch}, Loss: {loss.item()}")
参数服务器模块(使用 pg_lockman)
from pg_lockman import LockManager
import psycopg2
class ParameterServer:
def __init__(self):
self.conn = psycopg2.connect(
dbname="training_data",
user="user",
password="password",
host="postgresql-service"
)
self.lock_manager = LockManager(self.conn)
def get_parameter(self, name):
cur = self.conn.cursor()
cur.execute("SELECT value FROM parameters WHERE name = %s", (name,))
return cur.fetchone()[0]
def update_parameter(self, name, new_value):
self.lock_manager.acquire_lock(f"param_{name}_lock")
cur = self.conn.cursor()
cur.execute("UPDATE parameters SET value = %s WHERE name = %s", (new_value, name))
self.conn.commit()
self.lock_manager.release_lock(f"param_{name}_lock")
(四)部署步骤
构建 Docker 镜像:将训练代码、依赖和配置文件打包成 Docker 镜像,并推送到 Docker 仓库。
创建 PostgreSQL 资源:在 K8s 集群中应用 PostgreSQL 的 Deployment 和 Service 配置文件,启动数据库服务。
初始化数据库:创建样本表和参数表,插入训练数据。
部署训练任务:应用训练任务的 Deployment 配置文件,K8s 会自动创建多个 Pod,每个 Pod 对应一个 GPU 节点,开始分布式训练。
四、总结与展望
通过结合 Horovod 框架的数据分片策略和 PostgreSQL 的分布式锁机制(pg_lockman),我们成功实现了基于 PostgreSQL 的多 GPU 协同分布式训练架构。在 K8s 集群中的实践案例表明,这种架构能够高效地处理大规模数据,保证参数的一致性,充分发挥多 GPU 的并行计算能力。
未来,随着机器学习模型的不断复杂化和数据量的持续增长,对分布式训练架构的要求也会越来越高。PostgreSQL 作为一款灵活且强大的数据库,有望在更多的分布式训练场景中发挥重要作用。我们可以进一步探索 PostgreSQL 与其他分布式训练框架的结合,优化数据分片策略和锁机制,提高训练效率和系统的可扩展性。同时,结合云原生技术,实现更便捷的分布式训练任务部署和管理,为人工智能的发展提供更强大的支持。
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