10个你一定要知道的Pytorch特性

目录

1.DatasetFolder

2.尽量少用.to\(device\),用zeros\_like/ones\_like之类的代替

3.Register Buffer ( nn.Module.register_buffer)

 4.Built-in Identity()

5.Pairwise distances: torch.cdist

6.Cosine similarity: F.cosine_similarity

7.归一化向量: F.normalize

8.线性层 + 分块技巧 (torch.chunk)

9.Masked select (torch.masked_select)

10.使用 torch.where来对tensors加条件


1.DatasetFolder

        当学习PyTorch时,人们首先要做的事情之一是实现自己的某种Dataset 。这是一个低级错误,没有必要浪费时间写这样的东西。通常,数据集要么是数据列表(或者是numpy数组),要么磁盘上的文件。所以,把数据在磁盘上组织好,要比写一个自定义的Dataset来加载某种奇怪的格式更好。分类器最常见的数据格式之一,是有一个带有子文件夹的目录,子文件夹表示类,子文件夹中的文件表示样本,如下所示:

folder/class_0/file1.txt
folder/class_0/file2.txt
folder/class_0/...

folder/class_1/file3.txt
folder/class_1/file4.txt

folder/class_2/file5.txt
folder/class_2/...

        有一个内置的方式来加载这类数据集,不管你的数据是图像,文本文件或其他什么,只要使用'DatasetFolder就可以了。令人惊讶的是,这个类是torchvision包的一部分,而不是核心PyTorch。这个类非常全面,你可以从文件夹中过滤文件,使用自定义代码加载它们,并动态转换原始文件。例子:

from torchvision.datasets import DatasetFolder
from pathlib import Path
# I have text files in this folder
ds = DatasetFolder("/Users/marcin/Dev/tmp/my_text_dataset", 
    loader=lambda path: Path(path).read_text(),
    extensions=(".txt",), #only load .txt files
    transform=lambda text: text[:100], # only take first 100 characters
)

# Everything you need is already there
len(ds), ds.classes, ds.class_to_idx
(20, ['novels', 'thrillers'], {'novels': 0, 'thrillers': 1})

如果你在处理图像,还有一个torchvision.datasets.ImageFolder类,它基于DatasetLoader,它被预先配置为加载图像。

2.尽量少用.to\(device\),用zeros\_like/ones\_like之类的代替

        很多GitHub仓库的PyTorch代码,几乎在每个repo中都有许多*.to(device)行,它们将数据从CPU或GPU转移到其他地方。这样的语句通常会出现在大量的repos或初学者教程中。个人建议尽可能少地实现这类操作,并依赖内置的PyTorch功能自动实现这类操作。到处使用.to(device)通常会导致性能下降,还会出现异常: 

Expected object of device type cuda but got device type cpu

        显然,有些情况下你无法回避它,但大多数情况(如果不是全部)都在这里。其中一种情况是初始化一个全0或全1的张量,这在深度神经网络计算损失的的时候是经常发生的,模型的输出已经在cuda上了,你需要另外的tensor也是在cuda上,这时,你可以使用*_like操作符: 

my_output # on any device, if it's cuda then my_zeros will also be on cuda
my_zeros = torch.zeros_like(my_output_from_model)

在内部,PyTorch所做的是调用以下操作:

my_zeros = torch.zeros(my_output.size(), dtype=my_output.dtype, layout=my_output.layout, device=my_output.device)

所以所有的设置都是正确的,这样就减少了代码中出现错误的概率。类似的操作包括:

torch.zeros_like()
torch.ones_like()
torch.rand_like()
torch.randn_like()
torch.randint_like()
torch.empty_like()
torch.full_like()

3.Register Buffer ( nn.Module.register_buffer)

        这将是建议不要到处使用 .to(device) 的下一步。有时,你的模型或损失函数需要有预先设置的参数,并在调用forward时使用,例如,它可以是一个“权重”参数,它可以缩放损失或一些固定张量,它不会改变,但每次都使用。对于这种情况,请使用nn.Module.register_buffer 方法,它告诉PyTorch将传递给它的值存储在模块中,并将这些值随模块一起移动。如果你初始化你的模块,然后将它移动到GPU,这些值也会自动移动。此外,如果你保存模块的状态,buffers也会被保存!

一旦注册,这些值就可以在forward函数中访问,就像其他模块的属性一样。

from torch import nn
import torch

class ModuleWithCustomValues(nn.Module):
    def __init__(self, weights, alpha):
        super().__init__()
        self.register_buffer("weights", torch.tensor(weights))
        self.register_buffer("alpha", torch.tensor(alpha))
    
    def forward(self, x):
        return x * self.weights + self.alpha

m = ModuleWithCustomValues(
    weights=[1.0, 2.0], alpha=1e-4
)
m(torch.tensor([1.23, 4.56]))
tensor([1.2301, 9.1201])

 4.Built-in Identity()

        有时候,当你使用迁移学习时,你需要用1:1的映射替换一些层,可以用nn.Module来实现这个目的,只返回输入值。PyTorch内置了这个类。例子,你想要在分类层之前从一个预训练过的ResNet50获取图像表示。以下是如何做到这一点:

from torchvision.models import resnet50
model = resnet50(pretrained=True)
model.fc = nn.Identity()
last_layer_output = model(torch.rand((1, 3, 224, 224)))
last_layer_output.shape
torch.Size([1, 2048])

5.Pairwise distances: torch.cdist

        下次当你遇到计算两个张量之间的欧几里得距离(或者一般来说:p范数)的问题时,请记住torch.cdist。它确实做到了这一点,并且在使用欧几里得距离时还自动使用矩阵乘法,从而提高了性能。

points1 = torch.tensor([[0.0, 0.0], [1.0, 1.0], [2.0, 2.0]])
points2 = torch.tensor([[0.0, 0.0], [-1.0, -1.0], [-2.0, -2.0], [-3.0, -3.0]]) # batches don't have to be equal
torch.cdist(points1, points2, p=2.0)
tensor([[0.0000, 1.4142, 2.8284, 4.2426],
        [1.4142, 2.8284, 4.2426, 5.6569],
        [2.8284, 4.2426, 5.6569, 7.0711]])

没有矩阵乘法或有矩阵乘法的性能,在我的机器上使用mm时,速度快了2倍以上。

%%timeit
points1 = torch.rand((512, 2))
points2 = torch.rand((512, 2))
torch.cdist(points1, points2, p=2.0, compute_mode="donot_use_mm_for_euclid_dist")

867µs±142µs per loop (mean±std. dev. of 7 run, 1000 loop each)

%%timeit
points1 = torch.rand((512, 2))
points2 = torch.rand((512, 2))
torch.cdist(points1, points2, p=2.0)

417µs±52.9µs per loop (mean±std. dev. of 7 run, 1000 loop each)

6.Cosine similarity: F.cosine_similarity

        与上一点相同,计算欧几里得距离并不总是你需要的东西。当处理向量时,通常余弦相似度是选择的度量。PyTorch也有一个内置的余弦相似度实现。

import torch.nn.functional as F
vector1 = torch.tensor([0.0, 1.0])
vector2 = torch.tensor([0.05, 1.0])
print(F.cosine_similarity(vector1, vector2, dim=0))
vector3 = torch.tensor([0.0, -1.0])
print(F.cosine_similarity(vector1, vector3, dim=0))
tensor(0.9988)
tensor(-1.)

PyTorch中批量计算余弦距离

import torch.nn.functional as F
batch_of_vectors = torch.rand((4, 64))
similarity_matrix = F.cosine_similarity(batch_of_vectors.unsqueeze(1), batch_of_vectors.unsqueeze(0), dim=2)
similarity_matrix
tensor([[1.0000, 0.6922, 0.6480, 0.6789],
        [0.6922, 1.0000, 0.7143, 0.7172],
        [0.6480, 0.7143, 1.0000, 0.7312],
        [0.6789, 0.7172, 0.7312, 1.0000]])

7.归一化向量: F.normalize

        最后一点仍然与向量和距离有松散的联系,那就是归一化:通常是通过改变向量的大小来提高计算的稳定性。最常用的归一化是L2,可以在PyTorch中按如下方式应用:

vector = torch.tensor([99.0, -512.0, 123.0, 0.1, 6.66])
normalized_vector = F.normalize(vector, p=2.0, dim=0)
normalized_vector
tensor([ 1.8476e-01, -9.5552e-01,  2.2955e-01,  1.8662e-04,  1.2429e-02])

在PyTorch中执行归一化的旧方法是:

vector = torch.tensor([99.0, -512.0, 123.0, 0.1, 6.66])
normalized_vector = vector / torch.norm(vector, p=2.0)
normalized_vector
tensor([ 1.8476e-01, -9.5552e-01,  2.2955e-01,  1.8662e-04,  1.2429e-02])

在PyTorch中批量进行L2归一化

batch_of_vectors = torch.rand((4, 64))
normalized_batch_of_vectors = F.normalize(batch_of_vectors, p=2.0, dim=1)
normalized_batch_of_vectors.shape, torch.norm(normalized_batch_of_vectors, dim=1) # all vectors will have length of 1.0
(torch.Size([4, 64]), tensor([1.0000, 1.0000, 1.0000, 1.0000]))

8.线性层 + 分块技巧 (torch.chunk)

      假设你想把你的输入映射到N个不同的线性投影中。你可以通过创建N个nn.Linear来做到这一点。或者你也可以创建一个单一的线性层,做一个向前传递,然后将输出分成N块。这种方法通常会带来更高的性能,所以这是一个值得记住的技巧。

d = 1024
batch = torch.rand((8, d))
layers = nn.Linear(d, 128, bias=False), nn.Linear(d, 128, bias=False), nn.Linear(d, 128, bias=False)
one_layer = nn.Linear(d, 128 * 3, bias=False)
%%timeit
o1 = layers[0](batch)
o2 = layers[1](batch)
o3 = layers[2](batch)

289 µs ± 30.8 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000 loops each)

%%timeit
o1, o2, o3 = torch.chunk(one_layer(batch), 3, dim=1)

202 µs ± 8.09 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000 loops each)

9.Masked select (torch.masked_select)

        有时你只需要对输入张量的一部分进行计算。给你一个例子:你想计算的损失只在满足某些条件的张量上。为了做到这一点,你可以使用torch.masked_select,注意,当需要梯度时也可以使用这个操作。

data = torch.rand((3, 3)).requires_grad_()
print(data)
mask = data > data.mean()
print(mask)
torch.masked_select(data, mask)
tensor([[0.0582, 0.7170, 0.7713],
        [0.9458, 0.2597, 0.6711],
        [0.2828, 0.2232, 0.1981]], requires_grad=True)
tensor([[False,  True,  True],
        [ True, False,  True],
        [False, False, False]])
tensor([0.7170, 0.7713, 0.9458, 0.6711], grad_fn=)

直接在tensor上应用mask

类似的行为可以通过使用mask作为输入张量的 “indexer”来实现。

data[mask]
tensor([0.7170, 0.7713, 0.9458, 0.6711], grad_fn=)

有时,一个理想的解决方案是用0填充mask中所有的False值,可以这样做:

data * mask
tensor([[0.0000, 0.7170, 0.7713],
        [0.9458, 0.0000, 0.6711],
        [0.0000, 0.0000, 0.0000]], grad_fn=)

10.使用 torch.where来对tensors加条件

当你想把两个张量结合在一个条件下这个函数很有用,如果条件是真,那么从第一个张量中取元素,如果条件是假,从第二个张量中取元素。

x = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0], requires_grad=True)
y = -x
condition_or_mask = x <= 3.0
torch.where(condition_or_mask, x, y)
tensor([ 1.,  2.,  3., -4., -5.], grad_fn=)

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