问题

为什么我用相同的模型,数据,超参,随机种子,在两台服务器会得到不同的结果?

回答
这个问题很有意思,也确实是个让人头疼的难题!明明理论上应该是完全一样的流程,怎么两台服务器跑出来的结果就不是那么回事儿了呢?别急,咱们一点点捋清楚。

你提到的“相同的模型、数据、超参、随机种子”,这四个是保证实验可复现的基石,按理说应该万无一失。但“现实”往往比“理论”复杂那么一丢丢,这里面隐藏着很多我们容易忽略但又至关重要的细节。

咱们就从最底层,也就是硬件层面开始,一点点往上扒。

1. 硬件的“悄悄话”:浮点数运算的微妙差异

你想啊,计算机进行计算,尤其是深度学习里海量的矩阵乘法、激活函数等,本质上都是在处理“浮点数”。浮点数在计算机里用二进制表示,而且是有精度限制的。

CPU/GPU 的浮点数处理单元(FPU)差异: 不同的CPU或GPU型号,甚至是同一型号不同批次的FPU,在处理浮点数时的具体实现和优化策略都可能略有不同。比如,某些操作的指令集、内部的流水线设计,都可能导致微小的、以指数级累积的精度差异。
累加误差: 深度学习训练过程中,这些微小的浮点数差异会像滚雪球一样,在每一次运算、每一次梯度更新中不断累加。当你在两台服务器上进行成千上万次的运算后,即使初始的误差非常小,最终累积下来的结果也可能出现可以观测到的偏差。
指令集的优化: 现代CPU和GPU都有各种指令集(如AVX、SSE等)来加速数学运算。这些指令集在不同硬件上的支持程度和具体实现可能不同。如果你的深度学习框架(比如TensorFlow, PyTorch)或者底层的库(如cuDNN, MKL)针对某个硬件做了特别的优化,但另一台服务器的硬件不完全支持或者支持程度略有差异,那么在执行特定运算时就会产生不同的结果。

想象一下: 两个人在记账,一个用算盘,一个用计算器。算盘打得飞快,但万一哪里拨错了珠子,影响到后面;计算器虽然精确,但输入小数点的时候,你稍微点得不一样,后面算出来的钱就差了。虽然你们都想算对,但工具(硬件)的微小差异,会让最终结果有点点不一样。

2. 软件栈的“潜规则”:版本号的魔力

你可能觉得“相同的模型、数据、超参、随机种子”就够了,但软件的世界可不止这些。

深度学习框架的版本: PyTorch 1.8 和 PyTorch 1.9,或者 TensorFlow 2.5 和 TensorFlow 2.6,它们在内部的实现、算子(operation)的具体实现、甚至是bug修复上都可能存在差异。即使是很小的改动,也可能影响到梯度计算、参数更新等细节。
底层数学库的版本: 像cuDNN(用于NVIDIA GPU上的深度学习加速库)、MKL(Intel的数学核心库)等,它们直接影响着大量的数学运算。不同版本的cuDNN/MKL,在处理卷积、矩阵乘法时,可能会采用不同的算法、并行策略,从而引入细微的结果差异。
CUDA/cuDNN 版本匹配: 如果你用的是GPU,那么你安装的CUDA Toolkit版本、cuDNN版本,以及你使用的深度学习框架对这些版本的兼容性,都会非常关键。比如,某个版本的cuDNN在特定GPU架构上表现更好,或者有更稳定的浮点数处理方式。如果两台服务器的这个“组合拳”版本号不完全一致,结果就很容易跑偏。
操作系统和驱动: 即使是相同版本的深度学习框架,在不同的操作系统(Ubuntu、CentOS、Windows)或不同版本的GPU驱动下,也可能因为底层调用方式、内存管理等方面的差异,导致运行结果不一致。

打个比方: 你给了两个厨师一模一样的食谱、食材和烹饪时间。但一个用的是最新的燃气灶,另一个用的是老式的电磁炉。即使他们都按照食谱来,炉子火力控制的细微差异,也会让最终菜品的口感、颜色有一点点不一样。

3. 随机数生成的“猫腻”:即使是种子,也可能不一样!

你提到了“随机种子”,这是保证模型初始化、数据打乱、Dropout等随机过程可复现的关键。但即便如此,也可能藏着坑。

不同库的随机数生成器(RNG)实现: 即使你设置了相同的随机种子,不同的库(比如Python的`random`模块、NumPy的`random`模块、PyTorch/TensorFlow内部的RNG)在内部生成随机数的算法和实现上可能存在差异。
多线程/多进程下的随机数: 如果你的训练过程涉及到多线程或多进程(比如数据加载时并行处理),这些线程/进程在初始化随机数生成器时,如果方式不完全一致,即使主线程的种子相同,也可能导致它们各自生成的随机序列不同。
GPU 上的随机数: 深度学习框架在GPU上执行很多操作,GPU也有自己的随机数生成机制。在PyTorch/TensorFlow中,你设置的随机种子不仅影响CPU上的操作,也影响GPU上的操作。但如果在GPU上的随机数生成器初始化方式或算法与CPU存在差异,或者在并行执行时没有得到完美的同步,就可能出现问题。
cuDNN 的确定性设置: cuDNN 库在执行某些操作时,为了追求性能,可能会使用非确定性的算法。即使你设置了随机种子,如果 cuDNN 默认或者被配置为使用非确定性算法,那么即使在相同的硬件和软件环境下,不同次的运行也可能得到略微不同的结果。你可以通过设置 `torch.backends.cudnn.deterministic = True` 和 `torch.backends.cudnn.benchmark = False` 来强制 cuDNN 使用确定性算法,但这可能会牺牲一部分训练速度。

这就像是: 你给两个人同样的数字,让他们按顺序写下。但一个人写字更快,写下一个数字就立刻接着写下一个;另一个人写一个,就停顿一下,看看周围环境再写。即使起点一样,他们写出来的“速度”和“节奏”可能就不一样。

4. 环境配置的“隐形变量”:你没注意到的地方

除了上面这些,还有一些更隐蔽的环境因素。

内存(RAM)和显存(VRAM)的使用情况: 两台服务器的内存大小、频率、甚至具体颗粒可能不同。虽然理论上只要内存足够就不会影响结果,但在极端情况下,如果系统在两台服务器上调度内存的方式略有不同,或者接近内存上限时,可能会影响到数据的存储和读取。GPU显存也是同理。
CPU 缓存和调度: CPU 的缓存(L1, L2, L3)和任务调度策略,即使是同一型号的CPU,在不同的工作负载下,其行为也可能略有差异。这可能会影响到浮点运算的执行速度和顺序,间接影响累积误差。
文件系统和 I/O: 数据加载的速度和方式,虽然不直接影响计算,但如果数据在服务器 A 和服务器 B 上的存储方式、访问速度有差异,甚至是通过网络访问时,也可能引入细微的延迟或错误。
其他后台进程: 任何在服务器上运行的后台进程(即使是系统自带的更新服务、监控工具等),它们对CPU、内存、I/O的占用,都可能影响到你深度学习任务的稳定性和精确性。

这么说吧: 你让两个人同时搬砖,给他们一样的砖头和路线。但一个人走的路,旁边有空调吹着,比较凉快;另一个人走的,太阳晒着,可能会有点热。虽然搬的都是砖头,但“环境”不一样,他们的“体力消耗”和“砖头摆放”的细微过程可能就有差别。

那么,我该怎么办?

1. 严格检查软件版本: 确保你使用的深度学习框架、CUDA、cuDNN、NVIDIA驱动、Python版本、NumPy、SciPy等所有关键库的版本在两台服务器上都是完全一致的。可以写一个脚本来检查和报告这些版本信息。
2. 配置 cuDNN 的确定性: 在代码中加入 `torch.backends.cudnn.deterministic = True` 和 `torch.backends.cudnn.benchmark = False`(如果你用PyTorch的话,TensorFlow也有类似选项)。这会强制cuDNN使用确定性算法,牺牲一点性能换取可复现性。
3. 检查多线程/多进程的随机数: 如果你使用了多线程或多进程数据加载,确保它们在初始化时也正确设置了随机种子。
4. 隔离测试环境: 尽量确保在测试可复现性的时候,两台服务器上没有其他非必要的后台进程在运行。
5. 小规模验证: 先在非常小的数据集和模型上进行测试,看看是否能复现。这样可以更快地定位问题。
6. 日志记录: 在训练过程中,详细记录每次迭代的损失、准确率等指标,以及模型参数的统计信息(如均值、方差),对比两台服务器的日志,看偏差是从哪个阶段开始出现的。
7. 硬件信息对比: 如果以上方法都试了,还是不行,就得仔细对比两台服务器的CPU型号、GPU型号、内存型号等硬件信息,看是否存在明显的差异。

总而言之,深度学习的可复现性是个系统工程,很多时候问题的根源藏在那些我们以为“不重要”的细节里。希望这些详细的分析能帮助你找到问题的症结所在!

网友意见

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在科研中最怕的事之一:就是自己的模型结果无法复现,有时哪怕设置了随机种子也无法复现结果。这篇文档介绍一些常用的方法。

设置随机种子

下面是一个设置随机数的函数,对于 pytorch 下面的函数就够用了。

       def set_seed(seed):     try:         import tensorflow as tf         tf.random.set_random_seed(seed)     except Exception as e:         print("Set seed failed,details are ", e)     try:         import torch         torch.manual_seed(seed)         if torch.cuda.is_available():             torch.cuda.manual_seed_all(seed)             torch.backends.cudnn.deterministic = True             torch.backends.cudnn.benchmark = False     except Exception as e:         print("Set seed failed,details are ", e)         pass     import numpy as np     np.random.seed(seed)     import random as python_random     python_random.seed(seed)     # cuda env     import os     os.environ["CUDA_LAUNCH_BLOCKING"] = "1"     os.environ["CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG"] = ":16:8"      

后面分别对 pytorch 和tensorflow 介绍特殊的情况。

Pytorch

官方的文档提到,对于 RNN 类模型会因为 cuDNN 和 CUDA 的原因导致结果无法复现,可以通过设置环境变量来解决。(之前的代码已经设置)

  • CUDA 10.1:设置环境变量 CUDA_LAUNCH_BLOCKING=1
  • CUDA 10.2 或者更高版本:设置环境变量 (注意两个冒号)CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG=:16:8 或者 CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG=:4096:2.

原文如下:

There are known non-determinism issues for RNN functions on some versions of cuDNN and CUDA. You can enforce deterministic behavior by setting the following environment variables:
On CUDA 10.1, set environment variable CUDA_LAUNCH_BLOCKING=1. This may affect performance.
On CUDA 10.2 or later, set environment variable (note the leading colon symbol)CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG=:16:8 or CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG=:4096:2.
See the cuDNN 8 Release Notes for more information.

Tensorflow

除了之前的 set_seed(seed) 外还需要设置 PYTHONHASHSEED 环境变量为 0 ,即PYTHONHASHSEED=0。但注意 (不要在代码里设置),应该在外部执行时加上,例如:

       CUDA_VISIBLE_DEVICES="" PYTHONHASHSEED=0 python your_program.py      

以上就是 Pytorch/Tensorflow 确保结果可复现结果的方法,有问题可以评论,看到会立即回复。

参考

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