PyTorch常用代码段合集

Posted 2022-04-28 Wang_AI

作者丨Jack Stark@知乎

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/104019160

导读

 

本文是PyTorch常用代码段合集，涵盖基本配置、张量处理、模型定义与操作、数据处理、模型训练与测试等5个方面，还给出了多个值得注意的Tips，内容非常全面。

PyTorch最好的资料是官方文档。本文是PyTorch常用代码段，在参考资料[1](张皓：PyTorch Cookbook)的基础上做了一些修补，方便使用时查阅。

1. 基本配置

导入包和版本查询

可复现性

在硬件设备（CPU、GPU）不同时，完全的可复现性无法保证，即使随机种子相同。但是，在同一个设备上，应该保证可复现性。具体做法是，在程序开始的时候固定torch的随机种子，同时也把numpy的随机种子固定。

显卡设置

2. 张量(Tensor)处理

张量的数据类型

PyTorch有9种CPU张量类型和9种GPU张量类型。

张量基本信息

命名张量

张量命名是一个非常有用的方法，这样可以方便地使用维度的名字来做索引或其他操作，大大提高了可读性、易用性，防止出错。

数据类型转换

torch.Tensor与np.ndarray转换

除了CharTensor，其他所有CPU上的张量都支持转换为numpy格式然后再转换回来。

Torch.tensor与PIL.Image转换

np.ndarray与PIL.Image的转换

从只包含一个元素的张量中提取值

张量形变

打乱顺序

水平翻转

复制张量

张量拼接

将整数标签转为one-hot编码

得到非零元素

判断两个张量相等

张量扩展

矩阵乘法

计算两组数据之间的两两欧式距离

利用broadcast机制

3. 模型定义和操作

一个简单两层卷积网络的示例

卷积层的计算和展示可以用这个网站辅助。

双线性汇合（bilinear pooling）

多卡同步 BN（Batch normalization）

当使用 torch.nn.DataParallel 将代码运行在多张 GPU 卡上时，PyTorch 的 BN 层默认操作是各卡上数据独立地计算均值和标准差，同步 BN 使用所有卡上的数据一起计算 BN 层的均值和标准差，缓解了当批量大小（batch size）比较小时对均值和标准差估计不准的情况，是在目标检测等任务中一个有效的提升性能的技巧。

将已有网络的所有BN层改为同步BN层

类似 BN 滑动平均

如果要实现类似 BN 滑动平均的操作，在 forward 函数中要使用原地（inplace）操作给滑动平均赋值。

计算模型整体参数量

查看网络中的参数

可以通过model.state_dict()或者model.named_parameters()函数查看现在的全部可训练参数（包括通过继承得到的父类中的参数）

模型可视化（使用pytorchviz）

szagoruyko/pytorchvizgithub.com

类似 Keras 的 model.summary() 输出模型信息，使用pytorch-summary

sksq96/pytorch-summarygithub.com

模型权重初始化

注意 model.modules() 和 model.children() 的区别：model.modules() 会迭代地遍历模型的所有子层，而 model.children() 只会遍历模型下的一层。

提取模型中的某一层

modules()会返回模型中所有模块的迭代器，它能够访问到最内层，比如self.layer1.conv1这个模块，还有一个与它们相对应的是name_children()属性以及named_modules(),这两个不仅会返回模块的迭代器，还会返回网络层的名字。

部分层使用预训练模型

注意如果保存的模型是 torch.nn.DataParallel，则当前的模型也需要是

将在 GPU 保存的模型加载到 CPU

导入另一个模型的相同部分到新的模型

模型导入参数时，如果两个模型结构不一致，则直接导入参数会报错。用下面方法可以把另一个模型的相同的部分导入到新的模型中。

4. 数据处理

计算数据集的均值和标准差

得到视频数据基本信息

TSN 每段（segment）采样一帧视频

常用训练和验证数据预处理

其中 ToTensor 操作会将 PIL.Image 或形状为 H×W×D，数值范围为 [0, 255] 的 np.ndarray 转换为形状为 D×H×W，数值范围为 [0.0, 1.0] 的 torch.Tensor。

5. 模型训练和测试

分类模型训练代码

分类模型测试代码

自定义loss

继承torch.nn.Module类写自己的loss。

标签平滑（label smoothing）

写一个label_smoothing.py的文件，然后在训练代码里引用，用LSR代替交叉熵损失即可。label_smoothing.py内容如下：

或者直接在训练文件里做label smoothing

Mixup训练

L1 正则化

不对偏置项进行权重衰减（weight decay）

pytorch里的weight decay相当于l2正则

梯度裁剪（gradient clipping）

得到当前学习率

另一种方法，在一个batch训练代码里，当前的lr是optimizer.param_groups[0]['lr']

学习率衰减

优化器链式更新

从1.4版本开始，torch.optim.lr_scheduler 支持链式更新（chaining），即用户可以定义两个 schedulers，并交替在训练中使用。

模型训练可视化

PyTorch可以使用tensorboard来可视化训练过程。

安装和运行TensorBoard。

pip install tensorboard
tensorboard --logdir=runs

使用SummaryWriter类来收集和可视化相应的数据，放了方便查看，可以使用不同的文件夹，比如'Loss/train'和'Loss/test'。

保存与加载断点

注意为了能够恢复训练，我们需要同时保存模型和优化器的状态，以及当前的训练轮数。

提取 ImageNet 预训练模型某层的卷积特征

提取 ImageNet 预训练模型多层的卷积特征

微调全连接层

以较大学习率微调全连接层，较小学习率微调卷积层

6. 其他注意事项

不要使用太大的线性层。因为nn.Linear(m,n)使用的是的内存，线性层太大很容易超出现有显存。

不要在太长的序列上使用RNN。因为RNN反向传播使用的是BPTT算法，其需要的内存和输入序列的长度呈线性关系。

model(x) 前用 model.train() 和 model.eval() 切换网络状态。

不需要计算梯度的代码块用 with torch.no_grad() 包含起来。

model.eval() 和 torch.no_grad() 的区别在于，model.eval() 是将网络切换为测试状态，例如 BN 和dropout在训练和测试阶段使用不同的计算方法。torch.no_grad() 是关闭 PyTorch 张量的自动求导机制，以减少存储使用和加速计算，得到的结果无法进行 loss.backward()。

model.zero_grad()会把整个模型的参数的梯度都归零, 而optimizer.zero_grad()只会把传入其中的参数的梯度归零.

torch.nn.CrossEntropyLoss 的输入不需要经过 Softmax。torch.nn.CrossEntropyLoss 等价于 torch.nn.functional.log_softmax + torch.nn.NLLLoss。

loss.backward() 前用 optimizer.zero_grad() 清除累积梯度。

torch.utils.data.DataLoader 中尽量设置 pin_memory=True，对特别小的数据集如 MNIST 设置 pin_memory=False 反而更快一些。num_workers 的设置需要在实验中找到最快的取值。

用 del 及时删除不用的中间变量，节约 GPU 存储。

使用 inplace 操作可节约 GPU 存储，如

减少 CPU 和 GPU 之间的数据传输。例如如果你想知道一个 epoch 中每个 mini-batch 的 loss 和准确率，先将它们累积在 GPU 中等一个 epoch 结束之后一起传输回 CPU 会比每个 mini-batch 都进行一次 GPU 到 CPU 的传输更快。

使用半精度浮点数 half() 会有一定的速度提升，具体效率依赖于 GPU 型号。需要小心数值精度过低带来的稳定性问题。

时常使用 assert tensor.size() == (N, D, H, W) 作为调试手段，确保张量维度和你设想中一致。

除了标记 y 外，尽量少使用一维张量，使用 n*1 的二维张量代替，可以避免一些意想不到的一维张量计算结果。

统计代码各部分耗时

使用TorchSnooper来调试PyTorch代码，程序在执行的时候，就会自动 print 出来每一行的执行结果的 tensor 的形状、数据类型、设备、是否需要梯度的信息。

https://github.com/zasdfgbnm/TorchSnoopergithub.com

模型可解释性，使用captum库：https://captum.ai/captum.ai

参考资料

1. 张皓：PyTorch Cookbook（常用代码段整理合集），https://zhuanlan.zhihu.com/p/59205847?

2. PyTorch官方文档和示例

3. https://pytorch.org/docs/stable/notes/faq.html

4. https://github.com/szagoruyko/pytorchviz

5. https://github.com/sksq96/pytorch-summary

6. 其他

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