深度学习seed()函数随机种子详解

一、seed定义

seed() 函数用于设置随机数生成器的种子，它在生成随机数时提供了可重复性。这个种子是生成随机数的起始点，相同种子生成的随机数序列是确定性的，也就是说，在相同的种子下，每次生成的随机数序列都是一样的。
在很多编程语言和库中，seed() 函数被用于初始化伪随机数生成器。在 Python 中，它常常与 random 模块、numpy 库或者机器学习库（比如 PyTorch、TensorFlow）中的随机数生成相关的函数一起使用。

二、为什么要使用seed()随机种子？

1. 可重复性: 在科学实验、模型训练等需要随机性但也需要可重复性的场景下，设置种子可以确保多次运行产生相同的随机数序列，方便验证和调试。
2. 复现性: 在机器学习中，如果模型的随机初始化在不同的训练运行中是随机的，那么结果可能会有所不同。通过设置种子，可以确保每次训练使用相同的初始权重，以便比较和分析模型性能。

三、随机种子在不同库中的使用

• Python 中的 random 模块：random.seed(seed_value)，用于生成伪随机数序列。
• NumPy 中的 numpy.random：numpy.random.seed(seed_value)，用于生成 NumPy 库中的随机数组。
• 机器学习库中的随机性控制：比如 PyTorch 中的 torch.manual_seed(seed) 用于控制随机数生成，在模型训练中确保重复性。
• 深度学习框架中的 GPU 随机性控制：对于使用 GPU 的深度学习框架（如 PyTorch、TensorFlow），通常也会有类似 torch.cuda.manual_seed(seed) 的函数，用于设置 GPU 相关的随机种子，以保证实验结果的一致性。

3.1 random.seed(seed)

这是 Python 标准库中 random 模块的函数。random 模块提供了伪随机数生成器，通过设置种子，你可以控制生成的随机数序列。在这里，random.seed(seed) 将 Python 内置的随机数生成器的种子设置为提供的 seed 值，以确保每次程序运行时都产生相同的随机数序列。这对于调试和可重复的实验是很有用的。

代码实现：

import random

seed_value = 42  #可以随机设置
random.seed(seed_value)
for i in range(5):
    random_number = random.random()
    print('random_number_{}:{}'.format(i, random_number))

输出结果：

当我修改循环次数为3时，会发现输出结果和循环5次生成的前三次结果相同。

3.2 np.random.seed(seed)

这是 NumPy 库中随机数生成器的设置方法。NumPy 提供了丰富的科学计算功能，其中包括了伪随机数生成器。通过设置 np.random.seed(seed)，你确保了在使用 NumPy 的随机函数时生成的随机数序列是可重复的。这对于涉及到数组和矩阵运算的科学计算任务非常重要。

代码实现：

import numpy as np

seed_value = 42  # 可以随机设置
np.random.seed(seed_value)
for i in range(5):  #第二次修改成6
    numpy_number = np.random.rand(3)  # 生成数组
    print('numpy_number_{}:{}'.format(i, numpy_number))

循环5次和循环6次输出结果如下，通过输出结果可以看出，两次输出的前5个数组内容相等。

3.3 torch.manual_seed(seed)

这是 PyTorch 深度学习框架中的函数，用于设置随机数生成器的种子。深度学习中涉及到许多随机性操作，例如参数初始化和数据划分。通过设置 PyTorch 的种子，你可以确保这些操作在不同运行中产生相同的结果，有助于实验的可重复性和可控性。这个函数是用于CPU上的

代码实现：

import torch
# 设置CPU上的随机数生成器种子
seed_value = 42
torch.manual_seed(seed_value)
# 生成随机张量
random_tensor_cpu = torch.rand(3)
print("Random Tensor (CPU):", random_tensor_cpu)

输出结果：

在这个例子中，我们使用torch.rand(3)生成一个包含三个随机数的张量，并在之前设置了CPU上的随机数生成器种子。如果你多次运行这段代码，你会发现生成的随机张量在每次运行时都是相同的，这证明了torch.manual_seed(seed)在CPU上的作用。

值得注意的是，当你使用GPU时，如果没有设置GPU上的随机数生成器的种子，即使在CPU上设置了种子，GPU上生成的随机数仍然可能是不同的。因此，如果你在实验中使用了GPU，最好也设置一下GPU上的随机数生成器种子，使用 torch.cuda.manual_seed(seed)。

3.4 torch.cuda.manual_seed(seed)

类似于上述的 torch.manual_seed(seed)，但专门用于 CUDA（GPU 加速）环境中。当深度学习任务在 GPU 上执行时，设置 CUDA 的种子可以确保在 GPU 上的随机数生成也是可重复的。

代码实现：

import torch

seed_value = 42
torch.manual_seed(seed_value)  # 放到cpu中
torch.cuda.manual_seed(seed_value)  # 放到GPU中
if torch.cuda.is_available():
    # 在GPU上生成随机张量
    for i in range(3):
        random_tensor_gpu = torch.rand(3).cuda()
        print("Random Tensor (GPU):", random_tensor_gpu)
else:
    print("CUDA is not available.")

循环3次和循环5次的输出结果如下：


多次运行代码并且每次都得到相同的随机张量，那么你就可以确定torch.cuda.manual_seed(seed)成功设置了GPU上的随机数生成器的种子。这样可以确保在使用GPU进行计算时，实验结果的随机性是可控的，可以得到可重复的结果。

但是需要注意，经过测试，设置GPU种子的时候没有使用torch.manual_seed(seed_value)，那么生成的随机数组每次都不一样，所以想要设置GPU上生成随机数每次一样，必须将随机种子同时放到CPU和GPU上。

四、注意事项

• 全局性: 设置种子是全局性的，一旦设置，会影响整个随机数生成器的行为，包括其他使用该随机数生成器的代码。
• 不同版本之间的兼容性: 不同版本的库可能会对随机数生成器的实现方式有所不同，因此在不同版本间可能会有微小的差异。
• 线程安全性: 在多线程环境下，设置种子需要特别小心，以避免竞争条件导致的问题。
  总的来说，seed() 函数是一个控制随机性并确保实验结果可复现性的重要工具，但在使用时需要考虑全局影响和不同库之间的差异。