Pytorch常用代码段总结

这篇文章转载来自极市开发者社区，作者：Jack Stark@知乎，地址：http://bbs.cvmart.net/topics/1472?from=groupmessage&isappinstalled=0；总结的很全面，值得学习！

 

目录

1、基本配置

2、张量处理

3. 模型定义和操作

多卡同步 BN（Batch normalization）

类似 BN 滑动平均

计算模型整体参数量

查看网络中的参数

提取模型中的某一层

将在 GPU 保存的模型加载到 CPU

4. 模型训练和测试

自定义loss

标签平滑（label smoothing）

梯度裁剪（gradient clipping）

得到当前学习率

模型训练可视化

保存与加载断点

5. 其他注意事项

---

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]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

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision

print(torch.__version__)
print(torch.version.cuda)
print(torch.bachkends.cudnn.version())
print(torch.cuda.get_device_name(0))

克复现性

在硬件设备（CPU、GPU）不同时，完全的可复现性是无法保证的，即使随机种子是相同的。但是，在同一个设备上，应该保证可复现性。具体的做法就是，在程序开始的时候固定torch的随机种子，同时也罢numpy的随机种子固定住。

np.random.seed(0)
torch.manual_seed(0)
torch.cuda.manual_seed_all(0)

torch.backends.cudnn.deterministic = True
torch.backends.cudnn.benchmark = False

显卡设置

如果只需要一张显卡

# Device configuration
device =  torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

如果需要指定多张显卡，比如0,1号显卡：

import os
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1'

也可以在命令行运行代码时设置显卡：

CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1 python train.py

清除显存：

torch.cuda.empty_cache()

也可以使用在命令行重置GPU的指令：

nvidia-smi --gpu-reset - i [gpu_id]

2、张量处理

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

tensor =  torch.randn(3,4,5)
print(tensor.type())  # 数据类型
print(tensor.size())  # 张量的shape，是个元组
print(tensor.dim())   # 维度的数量

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。

# 在PyTorch 1.3之前，需要使用注释
# Tensor[N, C, H, W]
images = torch.randn(32, 3, 56, 56)
images.sum(dim=1)
images.select(dim=1, index=0)

# PyTorch 1.3之后
NCHW = [‘N’, ‘C’, ‘H’, ‘W’]
images = torch.randn(32, 3, 56, 56, names=NCHW)
images.sum('C')
images.select('C', index=0)
# 也可以这么设置
tensor = torch.rand(3,4,1,2,names=('C', 'N', 'H', 'W'))
# 使用align_to可以对维度方便地排序
tensor = tensor.align_to('N', 'C', 'H', 'W')

数据类型转换

# 设置默认类型，pytorch中的FloatTensor远远快于DoubleTensor
torch.set_default_tensor_type(torch.FloatTensor)

#类型转换
tensor = tensor.cuda()
tensor = tensor.cpu()
tensor = tensor.float()
tensor = tensor.long()

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。

ndarray = tensor.cpu().numpy()
tensor = torch.from_numpy(ndarray).float()
tensor = torch.from_numpy(ndarray.copy()).float() # If ndarray has negative stride.

水平翻转

# pytorch不支持tensor[::-1]这样的负步长操作，水平翻转可以通过张量索引实现
# 假设张量的维度为[N, D, H, W].
tensor = tensor[:,:,:,torch.arange(tensor.size(3) - 1, -1, -1).long()]

复制张量

# Operation                 |  New/Shared memory | Still in computation graph |
tensor.clone()            # |        New         |          Yes               |
tensor.detach()           # |      Shared        |          No                |
tensor.detach.clone()()   # |        New         |          No                |

张量拼接

'''
注意torch.cat和torch.stack的区别在于torch.cat沿着给定的维度拼接，
而torch.stack会新增一维。例如当参数是3个10x5的张量，torch.cat的结果是30x5的张量，
而torch.stack的结果是3x10x5的张量。
'''
tensor = torch.cat(list_of_tensors, dim=0)
tensor = torch.stack(list_of_tensors, dim=0)

将整数标签转为one-hot编码

# pytorch的标记默认从0开始
tensor = torch.tensor([0, 2, 1, 3])
N = tensor.size(0)
num_classes = 4
one_hot = torch.zeros(N, num_classes).long()
one_hot.scatter_(dim=1, index=torch.unsqueeze(tensor, dim=1), src=torch.ones(N, num_classes).long())

得到非零元素

torch.nonzero(tensor)               # index of non-zero elements
torch.nonzero(tensor==0)            # index of zero elements
torch.nonzero(tensor).size(0)       # number of non-zero elements
torch.nonzero(tensor == 0).size(0)  # number of zero elements

判断两个张量相等

torch.allclose(tensor1, tensor2)  # float tensor
torch.equal(tensor1, tensor2)     # int tensor

矩阵乘法

# Matrix multiplcation: (m*n) * (n*p) * -> (m*p).
result = torch.mm(tensor1, tensor2)

# Batch matrix multiplication: (b*m*n) * (b*n*p) -> (b*m*p)
result = torch.bmm(tensor1, tensor2)

# Element-wise multiplication.
result = tensor1 * tensor2

计算两组数据之间的两两欧式距离

dist = torch.sqrt(torch.sum((X1[:,None,:] - X2) ** 2, dim=2))

3. 模型定义和操作

一个简单两层卷积网络的示例

# convolutional neural network (2 convolutional layers)
class ConvNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=10):
        super(ConvNet, self).__init__()
        self.layer1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1, 16, kernel_size=5, stride=1, padding=2),
            nn.BatchNorm2d(16),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))
        self.layer2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=5, stride=1, padding=2),
            nn.BatchNorm2d(32),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))
        self.fc = nn.Linear(7*7*32, num_classes)

    def forward(self, x):
        out = self.layer1(x)
        out = self.layer2(out)
        out = out.reshape(out.size(0), -1)
        out = self.fc(out)
        return out

model = ConvNet(num_classes).to(device)

卷积层的计算和展示可以用这个网站辅助。

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。

sync_bn = torch.nn.SyncBatchNorm(num_features, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, 
                                 track_running_stats=True)

将已有网络的所有BN层改为同步BN层

def convertBNtoSyncBN(module, process_group=None):
    '''Recursively replace all BN layers to SyncBN layer.

    Args:
        module[torch.nn.Module]. Network
    '''
    if isinstance(module, torch.nn.modules.batchnorm._BatchNorm):
        sync_bn = torch.nn.SyncBatchNorm(module.num_features, module.eps, module.momentum, 
                                         module.affine, module.track_running_stats, process_group)
        sync_bn.running_mean = module.running_mean
        sync_bn.running_var = module.running_var
        if module.affine:
            sync_bn.weight = module.weight.clone().detach()
            sync_bn.bias = module.bias.clone().detach()
        return sync_bn
    else:
        for name, child_module in module.named_children():
            setattr(module, name) = convert_syncbn_model(child_module, process_group=process_group))
        return module

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。

class BN(torch.nn.Module)
    def __init__(self):
        ...
        self.register_buffer('running_mean', torch.zeros(num_features))

    def forward(self, X):
        ...
        self.running_mean += momentum * (current - self.running_mean)

计算模型整体参数量

num_parameters = sum(torch.numel(parameter) for parameter in model.parameters())

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

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。

# Common practise for initialization.
for layer in model.modules():
    if isinstance(layer, torch.nn.Conv2d):
        torch.nn.init.kaiming_normal_(layer.weight, mode='fan_out',
                                      nonlinearity='relu')
        if layer.bias is not None:
            torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0)
    elif isinstance(layer, torch.nn.BatchNorm2d):
        torch.nn.init.constant_(layer.weight, val=1.0)
        torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0)
    elif isinstance(layer, torch.nn.Linear):
        torch.nn.init.xavier_normal_(layer.weight)
        if layer.bias is not None:
            torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0)

# Initialization with given tensor.
layer.weight = torch.nn.Parameter(tensor)

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。

# 取模型中的前两层
new_model = nn.Sequential(*list(model.children())[:2] 
# 如果希望提取出模型中的所有卷积层，可以像下面这样操作：
for layer in model.named_modules():
    if isinstance(layer[1],nn.Conv2d):
         conv_model.add_module(layer[0],layer[1])

将在 GPU 保存的模型加载到 CPU

model.load_state_dict(torch.load('model.pth', map_location='cpu'))

4. 模型训练和测试

分类模型训练代码

# Loss and optimizer
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

# Train the model
total_step = len(train_loader)
for epoch in range(num_epochs):
    for i ,(images, labels) in enumerate(train_loader):
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # Forward pass
        outputs = model(images)
        loss = criterion(outputs, labels)

        # Backward and optimizer
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        if (i+1) % 100 == 0:
            print('Epoch: [{}/{}], Step: [{}/{}], Loss: {}'
                  .format(epoch+1, num_epochs, i+1, total_step, loss.item()))

分类模型测试代码

# Test the model
model.eval()  # eval mode(batch norm uses moving mean/variance 
              #instead of mini-batch mean/variance)
with torch.no_grad():
    correct = 0
    total = 0
    for images, labels in test_loader:
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

    print('Test accuracy of the model on the 10000 test images: {} %'
          .format(100 * correct / total))

自定义loss

继承torch.nn.Module类写自己的loss。

class MyLoss(torch.nn.Moudle):
    def __init__(self):
        super(MyLoss, self).__init__()

    def forward(self, x, y):
        loss = torch.mean((x - y) ** 2)
        return 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：

import torch
import torch.nn as nn

class LSR(nn.Module):

    def __init__(self, e=0.1, reduction='mean'):
        super().__init__()

        self.log_softmax = nn.LogSoftmax(dim=1)
        self.e = e
        self.reduction = reduction

    def _one_hot(self, labels, classes, value=1):
        """
            Convert labels to one hot vectors

        Args:
            labels: torch tensor in format [label1, label2, label3, ...]
            classes: int, number of classes
            value: label value in one hot vector, default to 1

        Returns:
            return one hot format labels in shape [batchsize, classes]
        """

        one_hot = torch.zeros(labels.size(0), classes)

        #labels and value_added  size must match
        labels = labels.view(labels.size(0), -1)
        value_added = torch.Tensor(labels.size(0), 1).fill_(value)

        value_added = value_added.to(labels.device)
        one_hot = one_hot.to(labels.device)

        one_hot.scatter_add_(1, labels, value_added)

        return one_hot

    def _smooth_label(self, target, length, smooth_factor):
        """convert targets to one-hot format, and smooth
        them.
        Args:
            target: target in form with [label1, label2, label_batchsize]
            length: length of one-hot format(number of classes)
            smooth_factor: smooth factor for label smooth

        Returns:
            smoothed labels in one hot format
        """
        one_hot = self._one_hot(target, length, value=1 - smooth_factor)
        one_hot += smooth_factor / (length - 1)

        return one_hot.to(target.device)

    def forward(self, x, target):

        if x.size(0) != target.size(0):
            raise ValueError('Expected input batchsize ({}) to match target batch_size({})'
                    .format(x.size(0), target.size(0)))

        if x.dim() < 2:
            raise ValueError('Expected input tensor to have least 2 dimensions(got {})'
                    .format(x.size(0)))

        if x.dim() != 2:
            raise ValueError('Only 2 dimension tensor are implemented, (got {})'
                    .format(x.size()))

        smoothed_target = self._smooth_label(target, x.size(1), self.e)
        x = self.log_softmax(x)
        loss = torch.sum(- x * smoothed_target, dim=1)

        if self.reduction == 'none':
            return loss

        elif self.reduction == 'sum':
            return torch.sum(loss)

        elif self.reduction == 'mean':
            return torch.mean(loss)

        else:
            raise ValueError('unrecognized option, expect reduction to be one of none, mean, sum')

或者直接在训练文件里做label smoothing——推荐这种做法，代码量比较少

for images, labels in train_loader:
    images, labels = images.cuda(), labels.cuda()
    N = labels.size(0)
    # C is the number of classes.
    smoothed_labels = torch.full(size=(N, C), fill_value=0.1 / (C - 1)).cuda()
    smoothed_labels.scatter_(dim=1, index=torch.unsqueeze(labels, dim=1), value=0.9)

    score = model(images)
    log_prob = torch.nn.functional.log_softmax(score, dim=1)
    loss = -torch.sum(log_prob * smoothed_labels) / N
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

L1 正则化

l1_regularization = torch.nn.L1Loss(reduction='sum')
loss = ...  # Standard cross-entropy loss
for param in model.parameters():
    loss += torch.sum(torch.abs(param))
loss.backward()

不对偏置项进行权重衰减（weight decay）

pytorch里的weight decay相当于l2正则

bias_list = (param for name, param in model.named_parameters() if name[-4:] == 'bias')
others_list = (param for name, param in model.named_parameters() if name[-4:] != 'bias')
parameters = [{'parameters': bias_list, 'weight_decay': 0},                
              {'parameters': others_list}]
optimizer = torch.optim.SGD(parameters, lr=1e-2, momentum=0.9, weight_decay=1e-4)

梯度裁剪（gradient clipping）

torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=20)

得到当前学习率

# If there is one global learning rate (which is the common case).
lr = next(iter(optimizer.param_groups))['lr']

# If there are multiple learning rates for different layers.
all_lr = []
for param_group in optimizer.param_groups:
    all_lr.append(param_group['lr'])

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

 

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

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。

start_epoch = 0
# Load checkpoint.
if resume: # resume为参数，第一次训练时设为0，中断再训练时设为1
    model_path = os.path.join('model', 'best_checkpoint.pth.tar')
    assert os.path.isfile(model_path)
    checkpoint = torch.load(model_path)
    best_acc = checkpoint['best_acc']
    start_epoch = checkpoint['epoch']
    model.load_state_dict(checkpoint['model'])
    optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer'])
    print('Load checkpoint at epoch {}.'.format(start_epoch))
    print('Best accuracy so far {}.'.format(best_acc))

# Train the model
for epoch in range(start_epoch, num_epochs): 
    ... 

    # Test the model
    ...

    # save checkpoint
    is_best = current_acc > best_acc
    best_acc = max(current_acc, best_acc)
    checkpoint = {
        'best_acc': best_acc,
        'epoch': epoch + 1,
        'model': model.state_dict(),
        'optimizer': optimizer.state_dict(),
    }
    model_path = os.path.join('model', 'checkpoint.pth.tar')
    best_model_path = os.path.join('model', 'best_checkpoint.pth.tar')
    torch.save(checkpoint, model_path)
    if is_best:
        shutil.copy(model_path, best_model_path)

5. 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

  x = torch.nn.functional.relu(x, inplace=True)

• 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

  with torch.autograd.profiler.profile(enabled=True, use_cuda=False) as profile:
  ...
  print(profile)

• 或者在命令行运行python -m torch.utils.bottleneck main.py

• 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。

  pip install torchsnooper

  import torchsnooper

  对于函数，使用修饰器

  @torchsnooper.snoop()

  如果不是函数，使用 with 语句来激活 TorchSnooper，把训练的那个循环装进 with 语句中去。

  with torchsnooper.snoop():
  原本的代码