python Kmeans聚类 - CPU or GPU?

引言

k均值聚类算法¹，一种经典的聚类算法，被广泛应用于机器学习领域。
本文主要对比了python库中CPU和GPU的Kmeans效率：
cpu: from sklearn.cluster import KMeans
gpu: from kmeans_pytorch import kmeans (pip install kmeans-pytorch²)
GPU版本源码：PyTorch implementation of kmeans for utilizing GPU

一、时间对比

结论: 直接使用CPU版本sklearn中的KMeans or 使用以下推荐方法的GPU加速方法
推荐方法：CUDA编程方法³:从配置环境到实现KMeans算法的CUDA优化

设备：4GB GEFORECE GTX GPU and an 8-core 8GB CPU
表1：不同条目数 (特征维度:32) 在不同设备聚16类所需时间 - 单位秒

每次运行结果不一样，有一定的随机性，随便取了一次结果如上表
这个结果上下两行数据换一下还好理解，很奇怪GPU一开始速度还可以越到后面越慢了 … 和其源码cpu_vs_gpu.ipynb相反

需要注明：我使用sklearn的KMeans和它的算法进行对比，而它的图使用自己的算法在CPU和GPU设备上进行对比
最后猜测：

• python实现的GPU加速，相比c++慢了些
• 可能由于本身CPU内存略小，数量大的时候CPU和GPU交互时间也越长，所以在GPU上跑也很慢
• 参数设置差异

其它可能的原因⁴:GPU vs CPU

二、代码

import numpy as np
import random
import torch
import time
from sklearn.cluster import KMeans
from kmeans_pytorch import kmeans

# 1.固定随机数
seed = 0
random.seed(seed)
np.random.seed(seed)
torch.manual_seed(seed)
torch.cuda.manual_seed(seed)
torch.cuda.manual_seed_all(seed)

# 2.对比实验  类别：16  特征维度：32
cpu_t = []
gpu_t = []
for i in [512, 1024, 2048, 16384, 100000, 1000000]:
    print(i)
    feature = np.random.random([i, 32])   # 随机数
    # cpu
    t_s = time.time()
    _ = KMeans(n_clusters=16, random_state=0).fit(feature)
    cpu_t.append(time.time() - t_s)
    # gpu
    t_s = time.time()
    _, _ = kmeans(torch.from_numpy(feature), num_clusters=16, device=torch.device('cuda:0'))
    gpu_t.append(time.time() - t_s)

print(cpu_t)
print(gpu_t)

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三、推荐博文

GPU优化K-Means算法方案⁵:基于GPU的K-Means聚类算法
k-medoids算法⁶:聚类算法——k-medoids算法

---

1. 百度百科 ↩︎

2. 机器学习：Kmeans聚类算法总结及GPU配置加速demo ↩︎

3. CUDAC编程—从配置环境到实现KMeans算法的CUDA优化 ↩︎

4. GPU vs CPU ↩︎

5. 基于GPU的K-Means聚类算法 ↩︎

6. 聚类算法——k-medoids算法 ↩︎