PyTorch学习笔记：简介与基础知识

Posted 2022-03-18 GoAI

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1. PyTorch简介

• 概念：由Facebook人工智能研究小组开发的一种基于Lua编写的Torch库的Python实现的深度学习库
• 优势：简洁、上手快、具有良好的文档和社区支持、项目开源、支持代码调试、丰富的扩展库

2 PyTorch基础知识

2.1张量

• 分类：0维张量（标量）、1维张量（向量）、2维张量（矩阵）、3维张量（时间序列）、4维张量（图像）、5维张量（视频）
• 概念：一个数据容器，可以包含数据、字符串等

import torch
# 创建tensor
x = torch.rand(4, 3)
print(x)
# 构造数据类型为long，数据是0的矩阵
x = torch.zeros(4, 3, dtype=torch.long)
print(x)

tensor([[0.9515, 0.6332, 0.8228],
        [0.3508, 0.0493, 0.7606],
        [0.7326, 0.7003, 0.1925],
        [0.1172, 0.8946, 0.9501]])
tensor([[0, 0, 0],
        [0, 0, 0],
        [0, 0, 0],
        [0, 0, 0]])

• 常见的构造Tensor的函数：

  函数	功能
  Tensor(*sizes)	基础构造函数
  tensor(data)	类似于np.array
  ones(*sizes)	全1
  zeros(*sizes)	全0
  eye(*sizes)	对角为1，其余为0
  arange(s,e,step)	从s到e，步长为step
  linspace(s,e,steps)	从s到e，均匀分成step份
  rand/randn(*sizes)	rand是[0,1)均匀分布；randn是服从N（0，1）的正态分布
  normal(mean,std)	正态分布（均值为mean，标准差是std）
  randperm(m)	随机排列

• 操作：

  1. 使用索引表示的变量与原数据共享内存，即修改其中一个，另一个也会被修改
  2. 使用torch.view改变tensor的大小
  3. 广播机制：当对两个形状不同的Tensor按元素运算时，可能会触发广播(broadcasting)机制

# 使用view改变张量的大小
x = torch.randn(5, 4)
y = x.view(20)
z = x.view(-1, 5) # -1是指这一维的维数由其他维度决定
print(x.size(), y.size(), z.size())

torch.Size([5, 4]) torch.Size([20]) torch.Size([4, 5]) 

x = tensor([[1, 2]])
y = tensor([[1],
        [2],
        [3]])
x + y = tensor([[2, 3],
        [3, 4],
        [4, 5]])

2.2 自动求导

• autograd包：提供张量上的自动求导机制
• 原理：如果设置.requires_grad为True，那么将会追踪张量的所有操作。当完成计算后，可以通过调用.backward()自动计算所有的梯度。张量的所有梯度将会自动累加到.grad属性
• Function：Tensor和Function互相连接生成了一个无环图 (acyclic graph)，它编码了完整的计算历史。每个张量都有一个.grad_fn属性，该属性引用了创建Tensor自身的Function

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
print(x)
tensor([[1., 1.],
        [1., 1.]], requires_grad=True)
y = x ** 2
print(y)
tensor([[1., 1.],
        [1., 1.]], grad_fn=<PowBackward0>)
z = y * y * 3
out = z.mean()
print("z = ", z)
print("z mean = ", out)
z =  tensor([[3., 3.],
        [3., 3.]], grad_fn=<MulBackward0>)
z mean =  tensor(3., grad_fn=<MeanBackward0>)

 

 grad的反向传播：运行反向传播，梯度都会累加之前的梯度，所以一般在反向传播之前需把梯度清零

out.backward()
print(x.grad)
tensor([[3., 3.],
        [3., 3.]])
# 反向传播累加
out2 = x.sum()
out2.backward()
print(x.grad)
tensor([[4., 4.],
        [4., 4.]])

2.3并行计算

• 目的：通过使用多个GPU参与训练，加快训练速度，提高模型学习的效果

• CUDA：通过使用NVIDIA提供的GPU并行计算框架，采用cuda()方法，让模型或者数据迁移到GPU中进行计算

• 并行计算方法：

  1. Network partitioning：将一个模型网络的各部分拆分，分配到不同的GPU中,执行不同的计算任务
  2. Layer-wise partitioning：将同一层模型拆分，分配到不同的GPU中，训练同一层模型的部分任务
  3. Data parallelism（主流）：将不同的数据分配到不同的GPU中，执行相同的任务