batch size设置技巧

Posted 2022-07-09 汀、

1、什么是BatchSize

Batch一般被翻译为批量，设置batch_size的目的让模型在训练过程中每次选择批量的数据来进行处理。Batch Size的直观理解就是一次训练所选取的样本数。
Batch Size的大小影响模型的优化程度和速度。同时其直接影响到GPU内存的使用情况，假如你GPU内存不大，该数值最好设置小一点。

2、 为什么需要 Batch_Size？

在没有使用Batch Size之前，这意味着网络在训练时，是一次把所有的数据（整个数据库）输入网络中，然后计算它们的梯度进行反向传播，由于在计算梯度时使用了整个数据库，所以计算得到的梯度方向更为准确。但在这情况下，计算得到不同梯度值差别巨大，难以使用一个全局的学习率，所以这时一般使用Rprop这种基于梯度符号的训练算法，单独进行梯度更新。
在小样本数的数据库中，不使用Batch Size是可行的，而且效果也很好。但是一旦是大型的数据库，一次性把所有数据输进网络，肯定会引起内存的爆炸。所以就提出Batch Size的概念。

3、 如何设置Batch_Size 的值？

设置BatchSize要注意一下几点：

     1）batch数太小，而类别又比较多的时候，真的可能会导致loss函数震荡而不收敛，尤其是在你的网络比较复杂的时候。

     2）随着batchsize增大，处理相同的数据量的速度越快。

     3）随着batchsize增大，达到相同精度所需要的epoch数量越来越多。

     4）由于上述两种因素的矛盾， Batch_Size 增大到某个时候，达到时间上的最优。

     5）由于最终收敛精度会陷入不同的局部极值，因此 Batch_Size 增大到某些时候，达到最终收敛精度上的最优。

     6）过大的batchsize的结果是网络很容易收敛到一些不好的局部最优点。同样太小的batch也存在一些问题，比如训练速度很慢，训练不容易收敛等。

     7）具体的batch size的选取和训练集的样本数目相关。

     8）GPU对2的幂次的batch可以发挥更佳的性能，因此设置成16、32、64、128…时往往要比设置为整10、整100的倍数时表现更优

    我在设置BatchSize的时候，首先选择大点的BatchSize把GPU占满，观察Loss收敛的情况，如果不收敛，或者收敛效果不好则降低BatchSize，一般常用16，32，64等。

4、在合理范围内，增大Batch_Size有何好处？

内存利用率提高了，大矩阵乘法的并行化效率提高。
跑完一次 epoch（全数据集）所需的迭代次数减少，对于相同数据量的处理速度进一步加快。
在一定范围内，一般来说 Batch_Size 越大，其确定的下降方向越准，引起训练震荡越小。

5、 盲目增大 Batch_Size 有何坏处？

内存利用率提高了，但是内存容量可能撑不住了。
跑完一次 epoch（全数据集）所需的迭代次数减少，要想达到相同的精度，其所花费的时间大大增加了，从而对参数的修正也就显得更加缓慢。
Batch_Size 增大到一定程度，其确定的下降方向已经基本不再变化。

6、调节 Batch_Size 对训练效果影响到底如何？

Batch_Size 太小，模型表现效果极其糟糕(error飙升)。
随着 Batch_Size 增大，处理相同数据量的速度越快。
随着 Batch_Size 增大，达到相同精度所需要的 epoch 数量越来越多。
由于上述两种因素的矛盾， Batch_Size 增大到某个时候，达到时间上的最优。
由于最终收敛精度会陷入不同的局部极值，因此 Batch_Size 增大到某些时候，达到最终收敛精度上的最优

batchsize过小：每次计算的梯度不稳定，引起训练的震荡比较大，很难收敛。

batchsize过大：

（1）提高了内存利用率，大矩阵乘法并行计算效率提高。

（2）计算的梯度方向比较准，引起的训练的震荡比较小。

（3）跑完一次epoch所需要的迭代次数变小，相同数据量的数据处理速度加快。

缺点：容易内容溢出，想要达到相同精度，epoch会越来越大，容易陷入局部最优，泛化性能差。

batchsize设置：通常10到100，一般设置为2的n次方。

原因：计算机的gpu和cpu的memory都是2进制方式存储的，设置2的n次方可以加快计算速度。

深度学习中经常看到epoch、 iteration和batchsize这三个的区别：

（1）batchsize：批大小。在深度学习中，一般采用SGD训练，即每次训练在训练集中取batchsize个样本训练；
（2）iteration：1个iteration等于使用batchsize个样本训练一次；
（3）epoch：1个epoch等于使用训练集中的全部样本训练一次；

举个例子，训练集有1000个样本，batchsize=10，那么训练完整个样本集需要：
100次iteration，1次epoch。

1.当数据量足够大的时候可以适当的减小batch_size,由于数据量太大，内存不够。但盲目减少会导致无法收敛，batch_size=1时为在线学习，也是标准的SGD，这样学习，如果数据量不大，noise数据存在时，模型容易被noise带偏，如果数据量足够大，noise的影响会被“冲淡”，对模型几乎不影响。
2.batch的选择，首先决定的是下降方向，如果数据集比较小，则完全可以采用全数据集的形式。这样做的好处有两点，

1）全数据集的方向能够更好的代表样本总体，确定其极值所在。
2）由于不同权重的梯度值差别巨大，因此选取一个全局的学习率很困难。