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7.2 分布式计算的API
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本节介绍了在训练脚本中使用的分布式计算API。DGL提供了三种分布式数据结构和多种API，用于初始化、分布式采样和数据分割。
对于分布式训练/推断，DGL提供了三种分布式数据结构：用于分布式图的 :class:`~dgl.distributed.DistGraph`、
用于分布式张量的 :class:`~dgl.distributed.DistTensor` 和用于分布式可学习嵌入的
:class:`~dgl.distributed.DistEmbedding`。

DGL分布式模块的初始化
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

:func:`~dgl.distributed.initialize` 可以用于初始化分布式模块。当训练脚本在训练器模式下运行时，
这个API会与DGL服务器建立连接并创建采样器进程。当脚本在服务器模式下运行时，这个API将运行服务器代码，
直到训练任务结束。必须在DGL的任何其他分布式API之前，调用此API。在使用PyTorch时，必须在
``torch.distributed.init_process_group`` 之前调用 :func:`~dgl.distributed.initialize`。
通常，初始化API应按以下顺序调用：

.. code:: python

    dgl.distributed.initialize('ip_config.txt', num_workers=4)
    th.distributed.init_process_group(backend='gloo')

**Note**: 如果训练脚本里包含需要在服务器(细节内容可以在下面的DistTensor和DistEmbedding章节里查看)上调用的用户自定义函数(UDF)，
这些UDF必须在 :func:`~dgl.distributed.initialize` 之前被声明。

分布式图
~~~~~~~~~~~~~~~~~

:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 是一个Python类，用于访问计算机集群中的图结构和节点/边特征。每台计算机负责一个且只负责一个分区。
它加载分区数据(包括分区中的图结构、节点数据和边数据)，并使集群中的所有训练器均可访问它们。
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 提供了一小部分 :class:`~dgl.DGLGraph` 的API以方便数据访问。

**Note**: :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 当前仅支持一种节点类型和一种边类型的图。

分布式模式与独立模式
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:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 可以在两种模式下运行：分布式模式和独立模式。
当用户在Python命令行或Jupyter Notebook中执行训练脚本时，它将以独立模式运行。也就是说，它在单个进程中运行所有计算，
并且不与任何其他进程通信。因此，独立模式要求输入图仅具有一个分区。此模式主要用于开发和测试
(例如，在Jupyter Notebook中开发和运行代码)。当用户使用启动脚本执行训练脚本时(请参见启动脚本部分)，
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 将以分布式模式运行。启动脚本在后台启动服务器(包括访问节点/边特征和图采样)，
并将分区数据自动加载到每台计算机中。:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 与集群中的服务器连接并通过网络访问它们。

创建DistGraph
^^^^^^^^^^^^^^^^^^

在分布式模式下，:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 的创建需要(定义)在图划分期间的图名称。
图名称标识了集群中所需加载的图。

.. code:: python

    import dgl
    g = dgl.distributed.DistGraph('graph_name')

在独立模式下运行时，DistGraph将图数据加载到本地计算机中。因此，用户需要提供分区配置文件，其中包含有关输入图的所有信息。

.. code:: python

    import dgl
    g = dgl.distributed.DistGraph('graph_name', part_config='data/graph_name.json')

**Note**: 在当前实现中，DGL仅允许创建单个DistGraph对象。销毁DistGraph并创建一个新DistGraph的行为没有被定义。

访问图结构
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:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 提供了几个API来访问图结构。当前，它们主要被用来提供图信息，例如节点和边的数量。
主要应用场景是运行采样API以支持小批量训练(请参阅下文里分布式图采样部分)。

.. code:: python

    print(g.number_of_nodes())

访问节点/边数据
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

与 :class:`~dgl.DGLGraph` 一样， :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 也提供了
``ndata`` 和 ``edata`` 来访问节点和边中的数据。它们的区别在于
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 中的 ``ndata`` / ``edata`` 返回的是 :class:`~dgl.distributed.DistTensor`，
而不是底层框架里的张量。用户还可以将新的 :class:`~dgl.distributed.DistTensor` 分配给
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 作为节点数据或边数据。

.. code:: python

    g.ndata['train_mask']
    <dgl.distributed.dist_graph.DistTensor at 0x7fec820937b8>
    g.ndata['train_mask'][0]
    tensor([1], dtype=torch.uint8)

分布式张量
~~~~~~~~~~~~~~~~~

如前所述，在分布式模式下，DGL会划分节点和边特征，并将它们存储在计算机集群中。
DGL为分布式张量提供了类似于单机普通张量的接口，以访问群集中的分区节点和边特征。
在分布式设置中，DGL仅支持密集节点和边特征，暂不支持稀疏节点和边特征。

:class:`~dgl.distributed.DistTensor` 管理在多个计算机中被划分和存储的密集张量。
目前，分布式张量必须与图的节点或边相关联。换句话说，DistTensor中的行数必须与图中的节点数或边数相同。
以下代码创建一个分布式张量。 除了张量的形状和数据类型之外，用户还可以提供唯一的张量名称。
如果用户要引用一个固定的分布式张量(即使 :class:`~dgl.distributed.DistTensor` 对象消失，该名称仍存在于群集中)，
则(使用这样的)名称就很有用。

.. code:: python

    tensor = dgl.distributed.DistTensor((g.number_of_nodes(), 10), th.float32, name='test')

**Note**: :class:`~dgl.distributed.DistTensor` 的创建是一个同步操作。所有训练器都必须调用创建，
并且只有当所有训练器都调用它时，此创建过程才能成功。

用户可以将 :class:`~dgl.distributed.DistTensor` 作为节点数据或边数据之一添加到
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 对象。

.. code:: python

    g.ndata['feat'] = tensor

**Note**: 节点数据名称和张量名称不必相同。前者在 :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 中标识节点数据(在训练器进程中)，
而后者则标识DGL服务器中的分布式张量。

:class:`~dgl.distributed.DistTensor` 提供了一些功能。它具有与常规张量相同的API，用于访问其元数据，
例如形状和数据类型。:class:`~dgl.distributed.DistTensor` 支持索引读取和写入，
但不支持一些计算运算符，例如求和以及求均值。

.. code:: python

    data = g.ndata['feat'][[1, 2, 3]]
    print(data)
    g.ndata['feat'][[3, 4, 5]] = data

**Note**: 当前，当一台机器运行多个服务器时，DGL不提供对来自多个训练器的并发写入的保护。
这可能会导致数据损坏。

分布式嵌入
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

DGL提供 :class:`~dgl.distributed.DistEmbedding` 以支持需要节点嵌入的直推(transductive)模型。
分布式嵌入的创建与分布式张量的创建非常相似。

.. code:: python

    def initializer(shape, dtype):
        arr = th.zeros(shape, dtype=dtype)
        arr.uniform_(-1, 1)
        return arr
    emb = dgl.distributed.DistEmbedding(g.number_of_nodes(), 10, init_func=initializer)

在内部，分布式嵌入建立在分布式张量之上，因此，其行为与分布式张量非常相似。
例如，创建嵌入时，DGL会将它们分片并存储在集群中的所有计算机上。(分布式嵌入)可以通过名称唯一标识。

**Note**: 服务器进程负责调用初始化函数。因此，必须在初始化( :class:`~dgl.distributed.initialize` )之前声明分布式嵌入。

因为嵌入是模型的一部分，所以用户必须将其附加到优化器上以进行小批量训练。当前，
DGL提供了一个稀疏的Adagrad优化器 :class:`~dgl.distributed.SparseAdagrad` (DGL以后将为稀疏嵌入添加更多的优化器)。
用户需要从模型中收集所有分布式嵌入，并将它们传递给稀疏优化器。如果模型同时具有节点嵌入和规则的密集模型参数，
并且用户希望对嵌入执行稀疏更新，则需要创建两个优化器，一个用于节点嵌入，另一个用于密集模型参数，如以下代码所示：

.. code:: python

    sparse_optimizer = dgl.distributed.SparseAdagrad([emb], lr=lr1)
    optimizer = th.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr2)
    feats = emb(nids)
    loss = model(feats)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    sparse_optimizer.step()

**Note**: :class:`~dgl.distributed.DistEmbedding` 不是PyTorch的nn模块，因此用户无法从nn模块的参数访问它。

分布式采样
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

DGL提供了两个级别的API，用于对节点和边进行采样以生成小批次训练数据(请参阅小批次训练的章节)。
底层API要求用户编写代码以明确定义如何对节点层进行采样(例如，使用 :func:`dgl.sampling.sample_neighbors` )。
高层采样API为节点分类和链接预测任务实现了一些流行的采样算法（例如
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.NodeDataloader`
和
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.EdgeDataloader` )。

分布式采样模块遵循相同的设计，也提供两个级别的采样API。对于底层的采样API，它为
:class:`~dgl.distributed.DistGraph` 上的分布式邻居采样提供了
:func:`~dgl.distributed.sample_neighbors`。另外，DGL提供了用于分布式采样的分布式数据加载器(
:class:`~dgl.distributed.DistDataLoader`)。除了用户在创建数据加载器时无法指定工作进程的数量，
分布式数据加载器具有与PyTorch DataLoader相同的接口。其中的工作进程(worker)在 :func:`dgl.distributed.initialize` 中创建。

**Note**: 在 :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 上运行 :func:`dgl.distributed.sample_neighbors` 时，
采样器无法在具有多个工作进程的PyTorch Dataloader中运行。主要原因是PyTorch Dataloader在每个训练周期都会创建新的采样工作进程，
从而导致多次创建和删除 :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 对象。

使用底层API时，采样代码类似于单进程采样。唯一的区别是用户需要使用
:func:`dgl.distributed.sample_neighbors`
和
:class:`~dgl.distributed.DistDataLoader`。

.. code:: python

    def sample_blocks(seeds):
        seeds = th.LongTensor(np.asarray(seeds))
        blocks = []
        for fanout in [10, 25]:
            frontier = dgl.distributed.sample_neighbors(g, seeds, fanout, replace=True)
            block = dgl.to_block(frontier, seeds)
            seeds = block.srcdata[dgl.NID]
            blocks.insert(0, block)
            return blocks
        dataloader = dgl.distributed.DistDataLoader(dataset=train_nid,
                                                    batch_size=batch_size,
                                                    collate_fn=sample_blocks,
                                                    shuffle=True)
        for batch in dataloader:
            ...

:class:`~dgl.DGLGraph` 和 :class:`~dgl.distributed.DistGraph` 都可以使用相同的高级采样API(
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.NodeDataloader`
和
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.EdgeDataloader`)。使用
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.NodeDataloader`
和
:class:`~dgl.dataloading.pytorch.EdgeDataloader` 时，分布式采样代码与单进程采样完全相同。

.. code:: python

    sampler = dgl.sampling.MultiLayerNeighborSampler([10, 25])
    dataloader = dgl.sampling.NodeDataLoader(g, train_nid, sampler,
                                             batch_size=batch_size, shuffle=True)
    for batch in dataloader:
        ... 


分割数据集
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用户需要分割训练集，以便每个训练器都可以使用自己的训练集子集。同样，用户还需要以相同的方式分割验证和测试集。

对于分布式训练和评估，推荐的方法是使用布尔数组表示训练、验证和测试集。对于节点分类任务，
这些布尔数组的长度是图中节点的数量，并且它们的每个元素都表示训练/验证/测试集中是否存在对应节点。
链接预测任务也应使用类似的布尔数组。

DGL提供了 :func:`~dgl.distributed.node_split` 和 :func:`~dgl.distributed.edge_split`
函数来在运行时拆分训练、验证和测试集，以进行分布式训练。这两个函数将布尔数组作为输入，对其进行拆分，并向本地训练器返回一部分。
默认情况下，它们确保所有部分都具有相同数量的节点和边。这对于同步SGD非常重要，
因为同步SGD会假定每个训练器具有相同数量的小批次。

下面的示例演示了训练集拆分，并向本地进程返回节点的子集。

.. code:: python

    train_nids = dgl.distributed.node_split(g.ndata['train_mask'])

