pytorch 入门指南

两类深度学习框架的优缺点

动态图（PyTorch）
计算图的进行与代码的运行时同时进行的。
静态图（Tensorflow <2.0）

自建命名体系
自建时序控制
难以介入

使用深度学习框架的优点

GPU 加速  (cuda)
自动求导
常用网络层的API

PyTorch 的特点

支持 GPU
动态神经网络
Python 优先
命令式体验
轻松扩展

1.Pytorch简介
Pytorch是Facebook 的 AI 研究团队发布了一个基于 Python的科学计算包，旨在服务两类场合：

替代numpy发挥GPU潜能(在线环境暂时不支持GPU)
一个提供了高度灵活性和效率的深度学习实验性平台
2.Pytorch特点及优势
2.1 Pytorch特点
PyTorch 提供了运行在 GPU/CPU 之上、基础的张量操作库;
可以内置的神经网络库；
提供模型训练功能；
支持共享内存的多进程并发（multiprocessing ）库等；
2.2 Pytorch特点
处于机器学习第一大语言 Python 的生态圈之中，使得开发者能使用广大的 Python 库和软件；如 NumPy、SciPy 和 Cython（为了速度把 Python 编译成 C 语言）；
（最大优势）改进现有的神经网络，提供了更快速的方法——不需要从头重新构建整个网络，这是由于 PyTorch 采用了动态计算图（dynamic computational graph）结构，而不是大多数开源框架（TensorFlow、Caffe、CNTK、Theano 等）采用的静态计算图；
提供工具包，如torch 、torch.nn、torch.optim等；
3.Pytorch常用工具包
torch ：类似 NumPy 的张量库，强 GPU 支持 ；
torch.autograd ：基于 tape 的自动区别库，支持 torch 之中的所有可区分张量运行；
torch.nn ：为最大化灵活性未涉及、与 autograd 深度整合的神经网络库；
torch.optim：与 torch.nn 一起使用的优化包，包含 SGD、RMSProp、LBFGS、Adam 等标准优化方式；
torch.multiprocessing： python 多进程并发，进程之间 torch Tensors 的内存共享；
torch.utils：数据载入器。具有训练器和其他便利功能；
torch.legacy(.nn/.optim) ：处于向后兼容性考虑，从 Torch 移植来的 legacy 代码；

pytorch 入门指南

1. pytorch 概述

pytorch是facebook 开发的torch（Lua语言）的python版本，于2017年引爆学术界

官方宣传pytorch侧重两类用户：numpy的gpu版、深度学习研究平台

pytorch使用动态图机制，相比于tensorflow最开始的静态图，更为灵活

当前pytorch支持的系统包括：win，linux，macos

2. pytorch基本库

常用的pytorch基本库主要包括：

torch： 内含一些常用方法，与numpy比较像

torch.Tensor：内含一些操作tensor的方法，可通过tensor.xx()进行调用

torch.nn：内含一些常用模型，如rnn，cnn等

torch.nn.functional：内含一些常用方法，如sigmoid，softmax等

torch.optim：内含一些优化算法，如sgd，adam等

torch.utils.data：内含一些数据迭代方法

3. 基本操作

a. tensor操作

# 初始化空向量

torch.empty(3,4)

# 随机初始化数组

torch.rand(4,3)

# 初始化零向量

torch.zeros(4,3, dtype=torch.int)

# 从数据构建数组

x = torch.tensor([3,4],dtype=torch.float)

x = torch.IntTensor([3,4])

# 获取tensor的尺寸，元组

x.shape

x.size()

# _在方法中的意义：表示对自身的改变

x = torch.ones(3,4)

# 以下三个式子 含义相同

x = x + x

x = torch.add(x, x)

x.add_(x)

# 索引,像操作numpy一样

x[:,1]

# 改变形状

x.view(-1)

x.view(4,3)

# 如果只包含一个元素值，获取

x = torch.randn(1)

x.item()

# 增加一维

input = torch.randn(32, 32)

input = input.unsqueeze(0)

input.size()

# tensor的data还是tensor，但是requires_grad=False

x.data.requires_grad

# 改变类型

x.type(torch.LongTensor)123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445

b. numpy 与 tensor的转换

# 转换, 共享内存

a= numpy.array([1,2,3])

a = torch.from_numpy(a)

a.numpy()1234

c. 调用gpu

# gpu是否可用

torch.cuda.is_available()

# 调用设备

device = torch.device('cpu') # cuda or cpu

a = torch.tensor([1,2,3], device='cuda') # 直接在gpu上创建

a = a.to(device) # 上传

a = a.to('cpu') # 上传, cpu or cuda

a = a.cuda() # 上传cuda12345678

d. 梯度

.requires_grad ，决定是否可微（梯度）

.backward(), 计算梯度；如果单独一个值则不需指定参数，否则需传入权重（尺寸与tensor的size同）

.grad, 用于存储梯度累计值。 只有tensor有梯度值，计算节点没有

.detach(), 相当于新建了一个变量，历史的计算图无效

with torch.no_grad():, 评估模型时可用到，不计算梯度

.grad_fn, 节点是如何产生的；用户创造的tensor([1,2,3]).grad_fn 为None

.data(), tensor值，requires_grad=False

# 创建可微的tensor

x = torch.ones(2,3,requires_grad=True)

# 改变可微性

x.requires_grad_(False)

# 获得梯度值

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)

y = x +2

z = y * y *3

out = torch.sum(z)

out.backward()

x.grad

# 无梯度， 报错

with torch.no_grad():

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)

y = x +2

z = y * y *3

out = torch.sum(z)

out.backward()

x.grad12345678910111213141516171819202122

e. 定义模型

两种定义方式

class定义

Sequential定义

# 通过class定义

class Net(nn.Module):

def __init__(self):

super(Net, self).__init__()

# 下面通过实例变量的形式声明模型内需要学习的参数

self.fc1 = nn.Linear(5, 10)

self.fc2 = nn.Linear(10,20)

def forward(self, x):

# 下面定义计算图

x = self.fc1(x)

x = nn.functional.relu(x)

x = self.fc2(x)

return x

net = Net()

# 通过Sequential定义

net = Sequential(

nn.Linear(5, 10),

nn.Relu(),

nn.Linear(10, 20)

)12345678910111213141516171819202122

f. 模型参数操作

# 获取模型参数

net.parameters() #可用for 迭代

# 模型内参数梯度清零

net.zero_grad()12345

g. 定义损失函数

loss = nn.CrossEntropyLoss()1

h. 定义优化算子

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)1

i. 训练

optimizer.zero_grad() # zero the gradient buffers

output = net(input)

loss = criterion(output, target)

loss.backward()

optimizer.step() 12345

j. 测试

# 测试

with torch.no_grad():

output = net(input)123

k. 保存与载入

# 模型

torch.save(net, file)

net = torch.load(file)

# 参数

torch.save(model.state_dict(), file)

net = Model()

net.load_state_dict(file)12345678

4. 一个完整的机器学习流程

数据

载入数据

数据处理

构建迭代器

模型

loss

optimizer

新建/载入模型

新建

载入

直接载入模型

载入参数

新建模型

载入模型参数（对于adam等优化器，其参数也需载入)

训练

batch训练

for i, batch in enumerate(dataloader):

x_batch, y_batch = batch

outputs = net(x_batch)

loss = criterion(output, target)

optimizer.zero_grad()

loss.backward()

optimizer.step()1234567

每隔一段时间，打印验证集loss

每隔一段时间，存储模型

测试

载入测试数据

数据处理

构建迭代器（可选）

放入模型，输出结果

计算accuracy