msrun启动

概述

msrun是动态组网启动方式的封装，用户可使用msrun以单个命令行指令的方式在各节点拉起多进程分布式任务，并且无需手动设置动态组网环境变量。msrun同时支持Ascend，GPU和CPU后端。与动态组网启动方式一样，msrun无需依赖第三方库以及配置文件。

msrun在用户安装MindSpore后即可使用，可使用指令msrun --help查看支持参数。

msrun支持图模式以及PyNative模式。

命令行参数列表：

参数	功能	类型	取值	说明
--worker_num	参与分布式任务的Worker进程总数。	Integer	大于0的整数。默认值为8。	每个节点上启动的Worker总数应当等于此参数：若总数大于此参数，多余的Worker进程会注册失败；若总数小于此参数，集群会在等待一段超时时间后，提示任务拉起失败并退出，超时时间窗大小可通过参数`cluster_time_out`配置。
--local_worker_num	当前节点上拉起的Worker进程数。	Integer	大于0的整数。默认值为8。	当此参数与`worker_num`保持一致时，代表所有Worker进程在本地执行，此场景下`node_rank`值会被忽略。
--master_addr	指定Scheduler的IP地址。	String	合法的IP地址。默认为127.0.0.1。	msrun会自动检测在哪个节点拉起Scheduler进程，用户无需关心。若无法查找到对应的地址，训练任务会拉起失败。当前版本暂不支持IPv6地址。当前版本msrun使用`ip -j addr`指令查询当前节点地址，需要用户环境支持此指令。
--master_port	指定Scheduler绑定端口号。	Integer	1024～65535范围内的端口号。默认为8118。
--node_rank	当前节点的索引。	Integer	大于0的整数。默认值为-1。	单机多卡场景下，此参数会被忽略。多机多卡场景下，若不设置此参数，Worker进程的rank_id会被自动分配；若设置，则会按照索引为各节点上的Worker进程分配rank_id。若每个节点Worker进程数量不同，建议不配置此参数，以自动分配rank_id。
--log_dir	Worker以及Scheduler日志输出路径。	String	文件夹路径。默认为当前目录。	若路径不存在，msrun会递归创建文件夹。日志格式如下：对于Scheduler进程，日志名为`scheduler.log`；对于Worker进程，日志名为`worker_[rank].log`，其中`rank`后缀与分配给Worker的`rank_id`一致，但在未设置`node_rank`且多机多卡场景下，它们可能不一致。建议执行`grep -rn "Global rank id"`指令查看各Worker的`rank_id`。
--join	msrun是否等待Worker以及Scheduler退出。	Bool	True或者False。默认为False。	若设置为False，msrun在拉起进程后会立刻退出，查看日志确认分布式任务是否正常执行。若设置为True，msrun会等待所有进程退出后，收集异常日志并退出。
--cluster_time_out	集群组网超时时间，单位为秒。	Integer	默认为600秒。	此参数代表在集群组网的等待时间。若超出此时间窗口依然没有`worker_num`数量的Worker注册成功，则任务拉起失败。
--bind_core	开启进程绑核。	Bool	True或者False。默认为False。	若用户配置此参数，msrun会平均分配CPU核，将其绑定到拉起的分布式进程上。
--sim_level	设置单卡模拟编译等级。	Integer	默认为-1，即关闭单卡模拟编译功能。	若用户配置此参数，msrun只会拉起单进程模拟编译，不做算子执行。此功能通常用于调试大规模分布式训练并行策略，在编译阶段提前发现内存和策略问题。若设置为0，只做前端图编译；若设置为1，进一步执行后端图编译，在执行图阶段退出。
--sim_rank_id	单卡模拟编译的rank_id。	Integer	默认为0。	设置单卡模拟编译进程的rank_id。
--rank_table_file	rank_table配置文件，只在昇腾平台下有效。	String	rank_table配置文件路径，默认为空。	此参数代表昇腾平台下的rank_table配置文件，描述当前分布式集群。
task_script	用户Python脚本。	String	合法的脚本路径。	一般情况下，此参数为python脚本路径，msrun会默认以`python task_script task_script_args`方式拉起进程。 msrun还支持此参数为pytest，此场景下任务脚本及任务参数在参数`task_script_args`传递。
task_script_args	用户Python脚本的参数。		参数列表。	例如：`msrun --worker_num=8 --local_worker_num=8 train.py --device_target=Ascend --dataset_path=/path/to/dataset`

环境变量

下表是用户脚本中能够使用的环境变量，它们由msrun设置：

环境变量	功能	取值
MS_ROLE	本进程角色。	当前版本`msrun`导出下面两个值： MS_SCHED：代表Scheduler进程。 MS_WORKER：代表Worker进程。
MS_SCHED_HOST	用户指定的Scheduler的IP地址。	与参数`--master_addr`相同。
MS_SCHED_PORT	用户指定的Scheduler绑定端口号。	与参数`--master_port`相同。
MS_WORKER_NUM	用户指定的Worker进程总数。	与参数`--worker_num`相同。
MS_TOPO_TIMEOUT	集群组网超时时间。	与参数`--cluster_time_out`相同。
RANK_SIZE	用户指定的Worker进程总数。	与参数`--worker_num`相同。
RANK_ID	为Worker进程分配的rank_id。	多机多卡场景下，若没有设置`--node_rank`参数，`RANK_ID`只会在集群初始化后被导出。因此要使用此环境变量，建议正确设置`--node_rank`参数。

操作实践

启动脚本在各硬件平台下一致，下面以Ascend为例演示如何编写启动脚本：

您可以在这里下载完整的样例代码：startup_method。

目录结构如下：

└─ sample_code
    ├─ startup_method
       ├── msrun_1.sh
       ├── msrun_2.sh
       ├── msrun_single.sh
       ├── net.py
    ...

其中，net.py是定义网络结构和训练过程，msrun_single.sh是以msrun启动的单机多卡执行脚本；msrun_1.sh和msrun_2.sh是以msrun启动的多机多卡执行脚本，分别在不同节点上执行。

1. 准备Python训练脚本

这里以数据并行为例，训练一个MNIST数据集的识别网络。

首先指定运行模式、硬件设备等，与单卡脚本不同，并行脚本还需指定并行模式等配置项，并通过init()初始化HCCL、NCCL或MCCL通信域。此处不设置device_target会自动指定为MindSpore包对应的后端硬件设备。

import mindspore as ms
from mindspore.communication import init

ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE)
ms.set_auto_parallel_context(parallel_mode=ms.ParallelMode.DATA_PARALLEL, gradients_mean=True)
init()
ms.set_seed(1)

然后构建如下网络：

from mindspore import nn

class Network(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.fc = nn.Dense(28*28, 10, weight_init="normal", bias_init="zeros")
        self.relu = nn.ReLU()

    def construct(self, x):
        x = self.flatten(x)
        logits = self.relu(self.fc(x))
        return logits
net = Network()

最后是数据集处理和定义训练过程：

import os
from mindspore import nn
import mindspore as ms
import mindspore.dataset as ds
from mindspore.communication import get_rank, get_group_size

def create_dataset(batch_size):
    dataset_path = os.getenv("DATA_PATH")
    rank_id = get_rank()
    rank_size = get_group_size()
    dataset = ds.MnistDataset(dataset_path, num_shards=rank_size, shard_id=rank_id)
    image_transforms = [
        ds.vision.Rescale(1.0 / 255.0, 0),
        ds.vision.Normalize(mean=(0.1307,), std=(0.3081,)),
        ds.vision.HWC2CHW()
    ]
    label_transform = ds.transforms.TypeCast(ms.int32)
    dataset = dataset.map(image_transforms, 'image')
    dataset = dataset.map(label_transform, 'label')
    dataset = dataset.batch(batch_size)
    return dataset

data_set = create_dataset(32)
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = nn.SGD(net.trainable_params(), 1e-2)

def forward_fn(data, label):
    logits = net(data)
    loss = loss_fn(logits, label)
    return loss, logits

grad_fn = ms.value_and_grad(forward_fn, None, net.trainable_params(), has_aux=True)
grad_reducer = nn.DistributedGradReducer(optimizer.parameters)

for epoch in range(10):
    i = 0
    for data, label in data_set:
        (loss, _), grads = grad_fn(data, label)
        grads = grad_reducer(grads)
        optimizer(grads)
        if i % 10 == 0:
            print("epoch: %s, step: %s, loss is %s" % (epoch, i, loss))
        i += 1

2. 准备启动脚本

对于msrun来说单机多卡和多机多卡执行指令类似，单机多卡只需将参数worker_num和local_worker_num保持相同即可，且单机多卡场景下无需设置master_addr，默认为127.0.0.1。

单机多卡

下面以执行单机8卡训练为例：

脚本msrun_single.sh使用msrun指令在当前节点拉起1个Scheduler进程以及8个Worker进程（无需设置master_addr，默认为127.0.0.1；单机无需设置node_rank）：

EXEC_PATH=$(pwd)
if [ ! -d "${EXEC_PATH}/MNIST_Data" ]; then
    if [ ! -f "${EXEC_PATH}/MNIST_Data.zip" ]; then
        wget http://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/datasets/MNIST_Data.zip
    fi
    unzip MNIST_Data.zip
fi
export DATA_PATH=${EXEC_PATH}/MNIST_Data/train/

rm -rf msrun_log
mkdir msrun_log
echo "start training"

msrun --worker_num=8 --local_worker_num=8 --master_port=8118 --log_dir=msrun_log --join=True --cluster_time_out=300 net.py

执行指令：

bash msrun_single.sh

即可执行单机8卡分布式训练任务，日志文件会保存到./msrun_log目录下，结果保存在./msrun_log/worker_*.log中，Loss结果如下：

epoch: 0, step: 0, loss is 2.3499548
epoch: 0, step: 10, loss is 1.6682479
epoch: 0, step: 20, loss is 1.4237018
epoch: 0, step: 30, loss is 1.0437132
epoch: 0, step: 40, loss is 1.0643986
epoch: 0, step: 50, loss is 1.1021575
epoch: 0, step: 60, loss is 0.8510884
epoch: 0, step: 70, loss is 1.0581372
epoch: 0, step: 80, loss is 1.0076828
epoch: 0, step: 90, loss is 0.88950706
...

多机多卡

下面以执行2机8卡训练，每台机器执行启动4个Worker为例：

脚本msrun_1.sh在节点1上执行，使用msrun指令拉起1个Scheduler进程以及4个Worker进程，配置master_addr为节点1的IP地址（msrun会自动检测到当前节点IP与master_addr匹配而拉起Scheduler进程），通过node_rank设置当前节点为0号节点：

EXEC_PATH=$(pwd)
if [ ! -d "${EXEC_PATH}/MNIST_Data" ]; then
    if [ ! -f "${EXEC_PATH}/MNIST_Data.zip" ]; then
        wget http://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/datasets/MNIST_Data.zip
    fi
    unzip MNIST_Data.zip
fi
export DATA_PATH=${EXEC_PATH}/MNIST_Data/train/

rm -rf msrun_log
mkdir msrun_log
echo "start training"

msrun --worker_num=8 --local_worker_num=4 --master_addr=<node_1 ip address> --master_port=8118 --node_rank=0 --log_dir=msrun_log --join=True --cluster_time_out=300 net.py

脚本msrun_2.sh在节点2上执行，使用msrun指令拉起4个Worker进程，配置master_addr为节点1的IP地址，通过node_rank设置当前节点为1号节点：

EXEC_PATH=$(pwd)
if [ ! -d "${EXEC_PATH}/MNIST_Data" ]; then
    if [ ! -f "${EXEC_PATH}/MNIST_Data.zip" ]; then
        wget http://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/datasets/MNIST_Data.zip
    fi
    unzip MNIST_Data.zip
fi
export DATA_PATH=${EXEC_PATH}/MNIST_Data/train/

rm -rf msrun_log
mkdir msrun_log
echo "start training"

msrun --worker_num=8 --local_worker_num=4 --master_addr=<node_1 ip address> --master_port=8118 --node_rank=1 --log_dir=msrun_log --join=True --cluster_time_out=300 net.py

节点2和节点1的指令差别在于node_rank不同。

在节点1执行：

bash msrun_1.sh

在节点2执行：

bash msrun_2.sh

即可执行2机8卡分布式训练任务，日志文件会保存到./msrun_log目录下，结果保存在./msrun_log/worker_*.log中，Loss结果如下：

epoch: 0, step: 0, loss is 2.3499548
epoch: 0, step: 10, loss is 1.6682479
epoch: 0, step: 20, loss is 1.4237018
epoch: 0, step: 30, loss is 1.0437132
epoch: 0, step: 40, loss is 1.0643986
epoch: 0, step: 50, loss is 1.1021575
epoch: 0, step: 60, loss is 0.8510884
epoch: 0, step: 70, loss is 1.0581372
epoch: 0, step: 80, loss is 1.0076828
epoch: 0, step: 90, loss is 0.88950706
...