深入剖析深度学习中Batch Size大小对训练过程的影响

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来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/83626029

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之前面试过程中被问到过两个问题：

（1）深度学习中batch size的大小对训练过程的影响是什么样的？

（2）有些时候不可避免地要用超大batch，比如人脸识别，可能每个batch要有几万甚至几十万张人脸图像，训练过程中超大batch有什么优缺点，如何尽可能地避免超大batch带来的负面影响？

-------------------------------面试版回答-------------------------------

在不考虑Batch Normalization的情况下（这种情况我们之后会在bn的文章里专门探讨），先给个自己当时回答的答案吧（相对来说学究一点）：

(1) 不考虑bn的情况下，batch size的大小决定了深度学习训练过程中的完成每个epoch所需的时间和每次迭代(iteration)之间梯度的平滑程度。（感谢评论区的韩飞同学提醒，batchsize只能说影响完成每个epoch所需要的时间，决定也算不上吧。根本原因还是CPU，GPU算力吧。瓶颈如果在CPU，例如随机数据增强，batch size越大有时候计算的越慢。）

对于一个大小为N的训练集，如果每个epoch中mini-batch的采样方法采用最常规的N个样本每个都采样一次，设mini-batch大小为b，那么每个epoch所需的迭代次数(正向+反向)为 n/b , 因此完成每个epoch所需的时间大致也随着迭代次数的增加而增加。

由于目前主流深度学习框架处理mini-batch的反向传播时，默认都是先将每个mini-batch中每个instance得到的loss平均化之后再反求梯度，也就是说每次反向传播的梯度是对mini-batch中每个instance的梯度平均之后的结果，所以b的大小决定了相邻迭代之间的梯度平滑程度，b太小，相邻mini-batch间的差异相对过大，那么相邻两次迭代的梯度震荡情况会比较严重，不利于收敛；b越大，相邻mini-batch间的差异相对越小，虽然梯度震荡情况会比较小，一定程度上利于模型收敛，但如果b极端大，相邻mini-batch间的差异过小，相邻两个mini-batch的梯度没有区别了，整个训练过程就是沿着一个方向蹭蹭蹭往下走，很容易陷入到局部最小值出不来。

总结下来：batch size过小，花费时间多，同时梯度震荡严重，不利于收敛；batch size过大，不同batch的梯度方向没有任何变化，容易陷入局部极小值。

（2）（存疑，只是突发奇想）如果硬件资源允许，想要追求训练速度使用超大batch，可以采用一次正向+多次反向的方法，避免模型陷入局部最小值。即使用超大epoch做正向传播，在反向传播的时候，分批次做多次反向转播，比如将一个batch size为64的batch，一次正向传播得到结果，instance级别求loss（先不平均），得到64个loss结果；反向传播的过程中，分四次进行反向传播，每次取16个instance的loss求平均，然后进行反向传播，这样可以做到在节约一定的训练时间，利用起硬件资源的优势的情况下，避免模型训练陷入局部最小值。

-------------------------------通俗版回答-------------------------------

那么我们可以把第一个问题简化为一个小时候经常玩的游戏：

深度学习训练过程：贴鼻子

训练样本：负责指挥的小朋友们（观察角度各不一样）

模型：负责贴的小朋友

模型衡量指标：最终贴的位置和真实位置之间的距离大小

由于每个小朋友站的位置各不一样，所以他们对鼻子位置的观察也各不一样。（训练样本的差异性），这时候假设小明是负责贴鼻子的小朋友，小朋友A、B、C、D、E是负责指挥的同学（A, B站在图的右边，C，D， E站在左边），这时候小明如果采用：

1. 每次随机询问一个同学，那么很容易出现，先询问到了A，A说向左2cm，再问C，C说向右5cm，然后B，B说向左4cm，D说向右3cm，这样每次指挥的差异都比较大，结果调过来调过去，没什么进步。

2. 每次随机询问两个同学，每次取询问的意见的平均，比如先问到了(A, C)，A说向左2cm，C说向右5cm，那就取个均值，向右1.5cm。然后再问（B, D），这样的话减少了极端情况（前后两次迭代差异巨大）这种情况的发生，能更好更快的完成游戏。

3. 每次全问一遍，然后取均值，这样每次移动的方向都是所有人决定的均值，这样的话，最后就是哪边的小朋友多最终结果就被很快的拉向哪边了。（梯度方向不变，限于极小值）

-------------------------------科学版回答-------------------------------

就用MINST做一下实验吧（代码主要转自cnblogs.com/jiangnanyan）：

实验环境：

1080ti * 1

Pytorch 0.4.1

超参数：SGD(lr = 0.02, momentum=0.5) 偷懒没有根据batch size细调

我们先创建一个简单的模型：

from torch.nn import *
import torch.nn.functional as F
class SimpleModel(Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.conv1 = Conv2d(in_channels=1, out_channels=10, kernel_size=5)
        self.conv2 = Conv2d(10, 20, 5)
        self.conv3 = Conv2d(20, 40, 3)
        self.mp = MaxPool2d(2)
        self.fc = Linear(40, 10)

    def forward(self, x):
        in_size = x.size(0)
        x = F.relu(self.mp(self.conv1(x)))
        x = F.relu(self.mp(self.conv2(x)))
        x = F.relu(self.mp(self.conv3(x)))

        x = x.view(in_size, -1)
        x = self.fc(x)
        print(x.size())
        return F.log_softmax(x, dim=1)
 

然后把MINST加载出来训练一下：

import time
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
import os
from torchvision import datasets, transforms
from simple_model import SimpleModel

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = "0"
use_cuda = torch.cuda.is_available()
batch_size = 6
lr = 1e-2
# MNIST Dataset

train_dataset = datasets.MNIST(root='./data/',
                               train=True,
                               transform=transforms.ToTensor(),
                               download=True)

test_dataset = datasets.MNIST(root='./data/',
                              train=False,
                              transform=transforms.ToTensor())

# Data Loader (Input Pipeline)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset,
                                           batch_size=batch_size,
                                           shuffle=True)

test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset,
                                          batch_size=batch_size,
                                          shuffle=False)

model = SimpleModel()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=0.5)

if use_cuda:
    model = nn.DataParallel(model).cuda()
iter_losses = []
def train(epoch):
    model.train()

    total_loss = 0
    compution_time = 0
    e_sp = time.time()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):

        if use_cuda:
            data = data.cuda()
            target = target.cuda()

        b_sp = time.time()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)

        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        compution_time += time.time() - b_sp

        # optimizer.step()
    epoch_time = time.time() - e_sp
    print('Train Epoch: {} \t Loss: {:.6f}\t epoch time: {:.6f} s\t epoch compution time: {:.6f} s'.format(
        epoch, total_loss / len(train_loader), epoch_time, compution_time))
    return total_loss / len(train_loader)
def test():
    model.eval()
    with torch.no_grad():
        test_loss = 0
        correct = 0
        for data, target in test_loader:
            if use_cuda:
                data = data.cuda()
                target = target.cuda()
            output = model(data)
            # sum up batch loss
            test_loss += F.nll_loss(output, target).item()
            # get the index of the max log-probability
            pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1]
            correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).cpu().sum()

        test_loss /= len(test_loader)
        print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(
            test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
            100. * correct / len(test_loader.dataset)))
    return test_loss, 100. * correct.item() / len(test_loader.dataset)

if __name__ == "__main__":
    for epoch in range(1, 10000):
        train_l = train(epoch)
        val_l, val_a = test()

我们从以下指标来看一下不同batch size之间的区别：

迭代速度

感觉之前做的实验有点不太科学，重新捋了一下思路，把时间计算的代码也放到了前面的代码之中，有兴趣的同学也可以自己做一下看看。

（表中 Epoch Time是在此batch size下完成一个epoch所需的所有时间，包括加载数据和计算的时间，Epoch Computation Time抛去了加载数据所需的时间。）

（时间确实是有偏量，上面的数据可以大体做个参考，要做科学考究的话，还是要多做几次实验求均值减少偏差。）

其实纯粹cuda计算的角度来看，完成每个iter的时间大batch和小batch区别并不大，这可能是因为本次实验中，反向传播的时间消耗要比正向传播大得多，所以batch size的大小对每个iter所需的时间影响不明显，未来将在大一点的数据库和更复杂的模型上做一下实验。（因为反向的过程取决于模型的复杂度，与batchsize的大小关系不大，而正向则同时取决于模型的复杂度和batch size的大小。而本次实验中反向的过程要比正向的过程时间消耗大得多，所以batch size的大小对完成每个iter所需的耗时影响不大。）

完成每个epoch运算的所需的全部时间主要卡在：1. load数据的时间，2. 每个epoch的iter数量。因此对于每个epoch，不管是纯计算时间还是全部时间，大体上还是大batch能够更节约时间一点，但随着batch增大，iter次数减小，完成每个epoch的时间更取决于加载数据所需的时间，此时也不见得大batch能带来多少的速度增益了。

梯度平滑程度

我们再来看一下不同batch size下的梯度的平滑程度，我们选取了每个batch size下前1000个iter的loss，来看一下loss的震荡情况，结果如下图所示：

如果感觉这张图不太好看，可以看一下这张图：

由于现在绝大多数的框架在进行mini-batch的反向传播的时候，默认都是将batch中每个instance的loss平均化之后在进行反向传播，所以相对大一点的batch size能够防止loss震荡的情况发生。从这两张图中可以看出batch size越小，相邻iter之间的loss震荡就越厉害，相应的，反传回去的梯度的变化也就越大，也就越不利于收敛。同时很有意思的一个现象，batch size为1的时候，loss到后期会发生爆炸，这主要是lr=0.02设置太大，所以某个异常值的出现会严重扰动到训练过程。这也是为什么对于较小的batchsize，要设置小lr的原因之一，避免异常值对结果造成的扰巨大扰动。而对于较大的batchsize，要设置大一点的lr的原因则是大batch每次迭代的梯度方向相对固定，大lr可以加速其收敛过程。

收敛速度

在衡量不同batch size的优劣这一点上，我选用衡量不同batch size在同样参数下的收敛速度快慢的方法。

下表中可以看出，在minst数据集上，从整体时间消耗上来看（考虑了加载数据所需的时间），同样的参数策略下 (lr = 0.02, momentum=0.5 ），要模型收敛到accuracy在98左右，batchsize在 6 - 60 这个量级能够花费最少的时间，而batchsize为1的时候，收敛不到98；batchsize过大的时候，因为模型收敛快慢取决于梯度方向和更新次数，所以大batch尽管梯度方向更为稳定，但要达到98的accuracy所需的更新次数并没有量级上的减少，所以也就需要花费更多的时间，当然这种情况下可以配合一些调参策略比如warmup LR，衰减LR等等之类的在一定程度上进行解决（这个先暂且按下不表），但也不会有本质上的改善。

不过单纯从计算时间上来看，大batch还是可以很明显地节约所需的计算时间的，原因前面讲过了，主要因为本次实验中纯计算时间中，反向占的时间比重远大于正向。

（我一直觉得直接比较不同batch size下的绝对收敛精度来衡量batch size的好坏是没有太大意义的，因为不同的batch size要配合不同的调参策略用才能达到其最佳效果，而要想在每个batch size下都找到合适的调参策略那可太难了，所以用这种方法来决定batch size未免有点武断。)

-------------------------------一次正向，多次反向-------------------------------

这部分在pytorch上进行了实验，但发现pytorch在backward中加入retain_graph进行多次反向传播的时候，时间消耗特别大，所以尽管采用一次正向，多次反向的方法，减少了超大batch size收敛到98的accuracy所需的iteration，但由于每个iteration时间消耗增加，所以并没有带来时间节省，我后续还要探究一下原因，再重新做一下实验，然后再贴结果，给结论。

做了几次实验，基本失败，一个大batch分成10份反向传播，基本等同于lr放大10倍。大batch还是要配合着更复杂的lr策略来做，比如warmup，循环lr，lr衰减等等。

-------------------------------------实验的漏洞---------------------------------------

为了保证独立变量，我在实验中不同batch设置了同样的lr，然后比较收敛速度，这样是不公平的，毕竟大batch还是要配合更大的初始lr，所以后续还要做一下实验，固定每个batch size， 看lr的变化对不同batch size收敛素的的影响。

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