【Pytorch】2022 Pytorch基础入门教程（完整详细版）
一、Pytorch
1.1 简介
Pytorch是torch的python版本，是由Facebook开源的神经网络框架，专门针对 GPU 加速的深度神经网络（DNN）编程。Torch 是一个经典的对多维矩阵数据进行操作的张量（tensor ）库，在机器学习和其他数学密集型应用有广泛应用。与Tensorflow的静态计算图不同，pytorch的计算图是动态的，可以根据计算需要实时改变计算图。但由于Torch语言采用 Lua，导致在国内一直很小众，并逐渐被支持 Python 的 Tensorflow 抢走用户。作为经典机器学习库 Torch 的端口，PyTorch 为 Python 语言使用者提供了舒适的写代码选择。
至于为什么推荐使用Pytorch，我想最主要的原因就是它非常的简洁，非常符合Python的风格。
1.2 安装
首先确保你已经安装了GPU环境，即Anaconda、CUDA和CUDNN
随后进入Pytorch官网PyTorch
官网会自动显示符合你电脑配置的Pytorch版本，复制指令到conda环境中运行即可
测试是否安装成功
import torch
print(torch.__version__) # pytorch版本
print(torch.version.cuda) # cuda版本
print(torch.cuda.is_available()) # 查看cuda是否可用
二、Tensor
Tensor张量是Pytorch里最基本的数据结构。直观上来讲，它是一个多维矩阵，支持GPU加速，其基本数据类型如下
| 数据类型 | CPU tensor | GPU tensor |
| 8位无符号整型 | torch.ByteTensor | torch.cuda.ByteTensor |
| 8位有符号整型 | torch.CharTensor | torch.cuda.CharTensor |
| 16位有符号整型 | torch.ShortTensor | torch.cuda.ShortTensor |
| 32位有符号整型 | torch.IntTensor | torch.cuda.IntTensor |
| 64位有符号整型 | torch.LongTensor | torch.cuda.LonfTensor |
| 32位浮点型 |
torch.FloatTensor | torch.cuda.FloatTensor |
| 64位浮点型 | torch.DoubleTensor | torch.cuda.DoubleTensor |
| 布尔类型 | torch.BoolTensor | torch.cuda.BoolTensor |
2.1 Tensor创建
2.1.1 torch.tensor() && torch.tensor([])
二者的主要区别在于创建的对象的size和value不同
2.1.2 torch.randn && torch.randperm
生成的数据类型为浮点型，与numpy.randn生成随机数的方法类似，生成的浮点数的取值满足均值为0，方差为1的正态分布
torch.randpern(n)为创建一个n个整数，随机排列的Tensor
2.1.3 torch.range(begin，end，step)
生成一个一维的Tensor，三个参数分别的起始位置，终止位置和步长
2.1.4 指定numpy
很多时候我们需要创建指定的Tensor，而numpy就是一个很好的方式
2.2 Tensor运算
| 函数 | 作用 |
| torch.abs(A) | 绝对值 |
| torch.add(A，B) | 相加，A和B既可以是Tensor也可以是标量 |
| torch.clamp(A，max，min) | 裁剪，A中的数据若小于min或大于max，则变成min或max，即保证范围在[min，max] |
| torch.div(A，B) | 相除，A%B，A和B既可以是Tensor也可以是标量 |
| torch.mul(A，B) |
点乘，A*B，A和B既可以是Tensor也可以是标量 |
| torch.pow(A,n) |
求幂，A的n次方 |
| torch.mm(A,B.T) | 矩阵叉乘，注意与torch.mul之间的区别 |
| torch.mv(A,B) | 矩阵与向量相乘，A是矩阵，B是向量，这里的B需不需要转置都是可以的 |
| A.item() | 将Tensor转化为基本数据类型，注意Tensor中只有一个元素的时候才可以使用，一般用于在Tensor中取出数值 |
| A.numpy() | 将Tensor转化为Numpy类型 |
| A.size() | 查看尺寸 |
| A.shape |
查看尺寸 |
| A.dtype | 查看数据类型 |
| A.view() | 重构张量尺寸，类似于Numpy中的reshape |
| A.transpose(0，1) | 行列交换 |
| A[1:] A[-1，-1]=100 |
切面，类似Numpy中的切面 |
| A.zero_() | 归零化 |
| torch.stack((A，B)，sim=-1) | 拼接，升维 |
| torch.diag(A) | 取A对角线元素形成一个一维向量 |
| torch.diag_embed(A) | 将一维向量放到对角线中，其余数值为0的Tensor |
2.2.1 A.add() && A.add_()
所有的带_符号的函数都会对原数据进行修改
2.2.2 torch.stack
stack为拼接函数，函数的第一个参数为需要拼接的Tensor，第二个参数为细分到哪个维度
A=torch.IntTensor([[1,2,3],[4,5,6]])
B=torch.IntTensor([[7,8,9],[10,11,12]])
C1=torch.stack((A,B),dim=0) # or C1=torch.stack((A,B))
C2=torch.stack((A,B),dim=1)
C3=torch.stack((A,B),dim=2)
C4=torch.stack((A,B),dim=-1)
print(C1,C2,C3,C4)
dim=0，C1 = [ A,B ]
dim=1，C2 = [ [ A[0],B[0] ] , [ A[1],B[1] ] ]
dim=2，C3 = [ [ [ A[0][0],B[0][0] ] , [ A[0][1],B[0][1] ] , [ A[0][2],B[0][2] ] ],
[ [ A[1][0],B[1][0] ] , [ A[1][1],B[1][1] ] , [ A[1][2],B[1][2] ] ] ]
dim=-1，C4 = C3
三、CUDA
CUDA是一种操作GPU的软件架构，Pytorch配合GPU环境这样模型的训练速度会非常的快
3.1 使用GPU
import torch
# 测试GPU环境是否可使用
print(torch.__version__) # pytorch版本
print(torch.version.cuda) # cuda版本
print(torch.cuda.is_available()) # 查看cuda是否可用
#使用GPU or CPU
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
# 判断某个对象是在什么环境中运行的
a.device
# 将对象的环境设置为device环境
A = A.to(device)
# 将对象环境设置为COU
A.cpu().device
# 若一个没有环境的对象与另外一个有环境a对象进行交流,则环境全变成环境a
a+b.to(device)
# cuda环境下tensor不能直接转化为numpy类型,必须要先转化到cpu环境中
a.cpu().numpy()
# 创建CUDA型的tensor
torch.tensor([1,2],device)四、其他技巧
4.1 自动微分
神经网络依赖反向传播求梯度来更新网络的参数，求梯度是个非常复杂的过程，在Pytorch中，提供了两种求梯度的方式，一个是backward，将求得的结果保存在自变量的grad属性中，另外一种方式是torch.autograd.grad
4.1.1 backward求导
使用backward进行求导。这里主要介绍了求导的两种对象，标量Tensor和非标量Tensor的求导。两者的主要区别是非标量Tensor求导的主要区别是加了一个gradient的Tensor，其尺寸与自变量X的尺寸一致。在求完导后，需要与gradient进行点积，所以只是一般的求导的话，设置的参数全部为1。最后还有一种使用标量的求导方式解决非标量求导，了解了解就好了。
import numpy as np
import torch
# 标量Tensor求导
# 求 f(x) = a*x**2 + b*x + c 的导数
x = torch.tensor(-2.0, requires_grad=True)
a = torch.tensor(1.0)
b = torch.tensor(2.0)
c = torch.tensor(3.0)
y = a*torch.pow(x,2)+b*x+c
y.backward() # backward求得的梯度会存储在自变量x的grad属性中
dy_dx =x.grad
dy_dx
# 非标量Tensor求导
# 求 f(x) = a*x**2 + b*x + c 的导数
x = torch.tensor([[-2.0,-1.0],[0.0,1.0]], requires_grad=True)
a = torch.tensor(1.0)
b = torch.tensor(2.0)
c = torch.tensor(3.0)
gradient=torch.tensor([[1.0,1.0],[1.0,1.0]])
y = a*torch.pow(x,2)+b*x+c
y.backward(gradient=gradient)
dy_dx =x.grad
dy_dx
# 使用标量求导方式解决非标量求导
# 求 f(x) = a*x**2 + b*x + c 的导数
x = torch.tensor([[-2.0,-1.0],[0.0,1.0]], requires_grad=True)
a = torch.tensor(1.0)
b = torch.tensor(2.0)
c = torch.tensor(3.0)
gradient=torch.tensor([[1.0,1.0],[1.0,1.0]])
y = a*torch.pow(x,2)+b*x+c
z=torch.sum(y*gradient)
z.backward()
dy_dx=x.grad
dy_dx4.1.2 autograd.grad求导
import torch
#单个自变量求导
# 求 f(x) = a*x**4 + b*x + c 的导数
x = torch.tensor(1.0, requires_grad=True)
a = torch.tensor(1.0)
b = torch.tensor(2.0)
c = torch.tensor(3.0)
y = a * torch.pow(x, 4) + b * x + c
#create_graph设置为True,允许创建更高阶级的导数
#求一阶导
dy_dx = torch.autograd.grad(y, x, create_graph=True)[0]
#求二阶导
dy2_dx2 = torch.autograd.grad(dy_dx, x, create_graph=True)[0]
#求三阶导
dy3_dx3 = torch.autograd.grad(dy2_dx2, x)[0]
print(dy_dx.data, dy2_dx2.data, dy3_dx3)
# 多个自变量求偏导
x1 = torch.tensor(1.0, requires_grad=True)
x2 = torch.tensor(2.0, requires_grad=True)
y1 = x1 * x2
y2 = x1 + x2
#只有一个因变量,正常求偏导
dy1_dx1, dy1_dx2 = torch.autograd.grad(outputs=y1, inputs=[x1, x2], retain_graph=True)
print(dy1_dx1, dy1_dx2)
# 若有多个因变量，则对于每个因变量,会将求偏导的结果加起来
dy1_dx, dy2_dx = torch.autograd.grad(outputs=[y1, y2], inputs=[x1, x2])
dy1_dx, dy2_dx
print(dy1_dx, dy2_dx)
4.1.3 求最小值
使用自动微分机制配套使用SGD随机梯度下降来求最小值
#例2-1-3 利用自动微分和优化器求最小值
import numpy as np
import torch
# f(x) = a*x**2 + b*x + c的最小值
x = torch.tensor(0.0, requires_grad=True) # x需要被求导
a = torch.tensor(1.0)
b = torch.tensor(-2.0)
c = torch.tensor(1.0)
optimizer = torch.optim.SGD(params=[x], lr=0.01) #SGD为随机梯度下降
print(optimizer)
def f(x):
result = a * torch.pow(x, 2) + b * x + c
return (result)
for i in range(500):
optimizer.zero_grad() #将模型的参数初始化为0
y = f(x)
y.backward() #反向传播计算梯度
optimizer.step() #更新所有的参数
print("y=", y.data, ";", "x=", x.data)
4.2 Pytorch层次结构
Pytorch中一共有5个不同的层次结构，分别为硬件层、内核层、低阶API、中阶API和高阶API（torchkeras）
| 硬件层 | 底层的计算资源包括CPU和GPU |
| 内核层 | 使用C++来实现 |
| 低阶API | Python实现的操作符，提供了封装C++内核的低级API指令，主要包括各种张量操作算 子、自动微分、变量管理. 如torch.tensor,torch.cat,torch.autograd.grad,nn.Module. |
| 中阶API | Python实现的模型组件，对低级API进行了函数封装，主要包括各种模型层，损失函数，优化器，数据管道等等。 如 torch.nn.Linear,torch.nn.BCE,torch.optim.Adam,torch.utils.data.DataLoader. |
| 高阶API | Python实现的模型接口。Pytorch没有官方的高阶API。为了便于训练模型，我们仿照 keras中的模型接口，使用了不到300行代码，封装了Pytorch的高阶模型接口 torchkeras.Model |
五、数据
Pytorch主要通过Dataset和DataLoader进行构建数据管道
5.1 Dataset and DataLoader
| Dataset | 一个数据集抽象类，所有自定义的Dataset都需要继承它，并且重写__getitem__()或__get_sample__()这个类方法 |
| DataLoader | 一个可迭代的数据装载器。在训练的时候，每一个for循环迭代，就从DataLoader中获取一个batch_sieze大小的数据。 |
5.2 数据读取与预处理
DataLoader的参数如下
DataLoader(
dataset,
batch_size=1,
shuffle=False,
sampler=None,
batch_sampler=None,
num_workers=0,
collate_fn=None,
pin_memory=False,
drop_last=False,
timeout=0,
worker_init_fn=None,
multiprocessing_context=None,
)在实践中，主要修改的参数以下标为橙色
| dataset | 数据集，决定数据从哪里读取，以及如何读取 |
| batch_size | 批次大小，默认为1 |
| shuffle | 每个epoch是否乱序 |
| sampler | 样本采样函数，一般无需设置 |
| batch_sampler | 批次采样函数，一般无需设置 |
| num_workers | 使用多进程读取数据，设置的进程数 |
| collate_fn | 整理一个批次数据的函数 |
| pin_memory | 是否设置为锁业内存。默认为False，锁业内存不会使用虚拟内存(硬盘)，从锁 业内存拷贝到GPU上速度会更快 |
| drop_last | 是否丢弃最后一个样本数量不足batch_size批次数据 |
| timeout | 加载一个数据批次的最长等待时间，一般无需设置 |
| worker_init_fn | 每个worker中dataset的初始化函数，常用于 IterableDataset。一般不使用 |
顺带介绍一下Epoch、Iteration、Batchsize之间的关系
| Epoch | 所有的样本数据都输入到模型中，称为一个epoch |
| Iteration | 一个Batch的样本输入到模型中，称为一个Iteration |
| Batchsize | 一个批次的大小，一个Epoch=Batchsize*Iteration |
先看数据读取的主要流程
1. 从DataLoader开始
2. 进入DataLoaderIter，判断单线程还是多线程
3. 进入Sampler进行采样，获得一批一批的索引，这些索引告诉我们需要读取哪些数据、
4. 进入DatasetFetcher，依据索引读取数据
5. Dataset告诉我们数据的地址
6. 自定义的Dataset中会重写__getietm__方法，针对不同的数据来进行定制化的数据读取
7. 到这里就获取的数据的Text和Label
8. 进入collate_fn将之前获取的个体数据进行组合成batch
9. 一个一个batch组成Batch Data
再来看一个具体的代码
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.data.dataset import TensorDataset
# 自构建数据集
dataset = TensorDataset(torch.arange(1, 40))
dl = DataLoader(dataset,
batch_size=10,
shuffle=True,
num_workers=1,
drop_last=True)
# 数据输出
for batch in dl:
print(batch)
因为自定义的数据集只有39条，最后一个batch的数据量小于10，被舍弃掉了
而数据预处理主要是重写Dataset和DataLoader中的方法，因此总体代码如下所示
5.5 Pytorch工具
基于Pytorch已经产生了一些封装完备的工具，而缺点也很明显，数据处理不是很灵活，对于初学者来说，多写代码比较踏实，因此作者不太推荐使用这些方法
| torchvision | 图像视频处理 |
| torchaudio | 音频处理 |
| torchtext | 自然语言处理 |
六、torch.nn
torch.nn是神经网路工具箱，该工具箱建立于Autograd(主要有自动求导和梯度反向传播功能)，提供了网络搭建的模组，优化器等一系列功能。
搭建一个神经网络模型整个流程是怎么样的呢？
搭建网络流程
1 数据读取
2 定义模型
3 定义损失函数和优化器
4 模型训练
5 获取训练结果
我们拿一个最简单的FNN网络来对经典数据集diabetes糖尿病数据集来进行分类预测。
import numpy as np
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
# Prepare the dataset
class DiabetesDateset(Dataset):
# 加载数据集
def __init__(self, filepath):
xy = np.loadtxt(filepath, delimiter=',', dtype=np.float32, encoding='utf-8')
self.len = xy.shape[0] # shape[0]是矩阵的行数,shape[1]是矩阵的列数
self.x_data = torch.from_numpy(xy[:, :-1])
self.y_data = torch.from_numpy(xy[:, [-1]])
# 获取数据索引
def __getitem__(self, index):
return self.x_data[index], self.y_data[index]
# 获得数据总量
def __len__(self):
return self.len
dataset = DiabetesDateset('diabetes.csv')
train_loader = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=32, shuffle=True, num_workers=2) # num_workers为多线程
# Define the model
class FNNModel(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super(FNNModel, self).__init__()
self.linear1 = torch.nn.Linear(8, 6) # 输入数据的特征有8个,也就是有8个维度,随后将其降维到6维
self.linear2 = torch.nn.Linear(6, 4) # 6维降到4维
self.linear3 = torch.nn.Linear(4, 2) # 4维降到2维
self.linear4 = torch.nn.Linear(2, 1) # 2w维降到1维
self.sigmoid = torch.nn.Sigmoid() # 可以视其为网络的一层,而不是简单的函数使用
def forward(self, x):
x = self.sigmoid(self.linear1(x))
x = self.sigmoid(self.linear2(x))
x = self.sigmoid(self.linear3(x))
x = self.sigmoid(self.linear4(x))
return x
model = FNNModel()
# Define the criterion and optimizer
criterion = torch.nn.BCELoss(reduction='mean') # 返回损失的平均值
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
epoch_list = []
loss_list = []
# Training
if __name__ == '__main__':
for epoch in range(100):
# i是一个epoch中第几次迭代,一共756条数据,每个mini_batch为32,所以一个epoch需要迭代23次
# data获取的数据为(x,y)
loss_one_epoch = 0
for i, data in enumerate(train_loader, 0):
inputs, labels = data
y_pred = model(inputs)
loss = criterion(y_pred, labels)
loss_one_epoch += loss.item()
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
loss_list.append(loss_one_epoch / 23)
epoch_list.append(epoch)
print('Epoch[{}/{}],loss:{:.6f}'.format(epoch + 1, 100, loss_one_epoch / 23))
# Drawing
plt.plot(epoch_list, loss_list)
plt.xlabel('epoch')
plt.ylabel('loss')
plt.show()
Result
注意点
1 创建模型的参数与__init__中的参数一致
2 训练模型的参数与forward中的参数一致
参考资料
本文章主要参考Github的各个大牛团队以及Pytorch的官方文档，感谢开源，开源万岁！
1 Chinese-Text-Classfication-Pytorch
2 Pytorch official Chinese documents
3 Pytorch official English doccuments
4 B站 PyTorch深度学习快速入门教程（小土堆）
5 pytorch-tutorial
6 Youtube--Pytorch
7 Pytorch--handbook
8 Deep Learning with PyTorch: A 60 Minute Blitz