PyTorch+GPUをDockerで実装

# はじめに
最近やっとDockerを使い始めました。
Dockerを使えば、いろんなPCでお手軽に深層学習できます。

# 環境（ホスト）
OS：Ubuntu 20.04
GPU：NVIDIA GeForce GTX 1080

# GPUドライバをインストール
まず、ホストでGPUが使える環境にします。
$ nvidia-smi ですでにドライバがインストールされていれば、ここはスルーでいいです。
インストールの一例なので、参考までに

```
$ sudo add-apt-repository ppa:graphics-drivers/ppa
$ sudo apt update
$ sudo apt install ubuntu-drivers-common
$ sudo apt dist-upgrade
$ sudo reboot （再起動）
$ sudo ubuntu-drivers autoinstall
$ sudo reboot （再起動）
```
$ nvidia-smiで Driverのバージョンやメモリの使用状況などが出ればOK！

# Dockerをインストール
これは公式ホームページ (https://docs.docker.com/engine/install/ubuntu/) をそのまま実行

```
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install \
    apt-transport-https \
    ca-certificates \
    curl \
    gnupg-agent \
    software-properties-common
$ curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
$ sudo add-apt-repository \
   "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu \
   $(lsb_release -cs) \
   stable"
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io
```

$ sudo docker run hello-world で動作確認

# Nvidia Container Toolkitをインストール
DockerでCUDAを使うために必要（だと思われます。）
https://docs.nvidia.com/datacenter/cloud-native/container-toolkit/install-guide.html#
https://github.com/NVIDIA/nvidia-docker/issues/1186

```
$ distribution=$(. /etc/os-release;echo $ID$VERSION_ID)
$ curl -s -L https://nvidia.github.io/nvidia-docker/gpgkey | sudo apt-key add -
$ curl -s -L https://nvidia.github.io/nvidia-docker/$distribution/nvidia-docker.list | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/nvidia-docker.list

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install -y nvidia-container-toolkit
$ sudo systemctl restart docker
```

# Dockerfile
Dockerfileには仮想環境をどのようにするかを記述します。
1行目の FROM の部分でベースの環境を変更できます。（Ubuntu や CUDA のバージョンや cudnn の有無など）
nvidia/cuda の DockerHub を調べるといろいろ出てきます。(https://hub.docker.com/r/nvidia/cuda/tags)
また RUN の3行目で Python のライブラリを選択できます。


```Dockerfile:Dockerfile

FROM nvidia/cuda:11.0-devel-ubuntu20.04

RUN apt-get update
RUN apt-get install -y python3 python3-pip
RUN pip3 install torch torchvision

WORKDIR /work

COPY train.py /work/

ENV LIBRARY_PATH /usr/local/cuda/lib64/stubs
```

#深層学習のスクリプト
先ほど作成した Dockerfile と同じディレクトリに train.py を実装します。
train.py は深層学習の Hello World! といえる MNIST というデータで学習します。
（引用：https://github.com/pytorch/examples/blob/master/mnist/main.py）

```python:train.py
from __future__ import print_function
import argparse
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR


class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        self.dropout1 = nn.Dropout2d(0.25)
        self.dropout2 = nn.Dropout2d(0.5)
        self.fc1 = nn.Linear(9216, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.conv2(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = self.dropout1(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.fc1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.dropout2(x)
        x = self.fc2(x)
        output = F.log_softmax(x, dim=1)
        return output


def train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if batch_idx % args.log_interval == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))
            if args.dry_run:
                break


def test(model, device, test_loader):
    model.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    with torch.no_grad():
        for data, target in test_loader:
            data, target = data.to(device), target.to(device)
            output = model(data)
            test_loss += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item()  # sum up batch loss
            pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True)  # get the index of the max log-probability
            correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()

    test_loss /= len(test_loader.dataset)

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


def main():
    # Training settings
    parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch MNIST Example')
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=64, metavar='N',
                        help='input batch size for training (default: 64)')
    parser.add_argument('--test-batch-size', type=int, default=1000, metavar='N',
                        help='input batch size for testing (default: 1000)')
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=14, metavar='N',
                        help='number of epochs to train (default: 14)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=1.0, metavar='LR',
                        help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.7, metavar='M',
                        help='Learning rate step gamma (default: 0.7)')
    parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                        help='disables CUDA training')
    parser.add_argument('--dry-run', action='store_true', default=False,
                        help='quickly check a single pass')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=1, metavar='S',
                        help='random seed (default: 1)')
    parser.add_argument('--log-interval', type=int, default=10, metavar='N',
                        help='how many batches to wait before logging training status')
    parser.add_argument('--save-model', action='store_true', default=False,
                        help='For Saving the current Model')
    args = parser.parse_args()
    use_cuda = not args.no_cuda and torch.cuda.is_available()

    torch.manual_seed(args.seed)

    device = torch.device("cuda" if use_cuda else "cpu")

    kwargs = {'batch_size': args.batch_size}
    if use_cuda:
        kwargs.update({'num_workers': 1,
                       'pin_memory': True,
                       'shuffle': True},
                     )

    transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
        ])
    dataset1 = datasets.MNIST('../data', train=True, download=True,
                       transform=transform)
    dataset2 = datasets.MNIST('../data', train=False,
                       transform=transform)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset1,**kwargs)
    test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset2, **kwargs)

    model = Net().to(device)
    optimizer = optim.Adadelta(model.parameters(), lr=args.lr)

    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=args.gamma)
    for epoch in range(1, args.epochs + 1):
        train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch)
        test(model, device, test_loader)
        scheduler.step()

    if args.save_model:
        torch.save(model.state_dict(), "mnist_cnn.pt")


if __name__ == '__main__':
    main()
```



# とりあえず実行して、動作確認
Dockerfile をビルドして、仮想環境を作り、動かします。
train.py を実行中に $ nvidia-smi でGPUが使われてるか確認できます。

```
$ sudo docker build -t [コンテナ名] .
$ sudo docker run -it --gpus all [コンテナ名] /bin/bash
----以下コンテナ内で-----
$ python3 train.py
```

#最後に
今回は PyTorch で仮想環境を作成しましたが、Dockerfile の中身を変更することで、
その他の深層学習ライブラリも使えると思います。
また、学習データが膨大な場合などは、docker のコマンドで学習データを仮想環境にマウントすることもできます。
それにしても、Dockerって便利ですね（笑）