python3中的heapq 堆

heapq实现了一个适合与Python的列表一起使用的最小堆排序算法。

满二叉树

树中除了叶子节点,每个节点都有两个子节点

完全二叉树

在满足满二叉树的性质后,最后一层的叶子节点均需在最左边

堆是一种数据结构,它是一颗完全二叉树。最小堆则是在堆的基础增加了新的规则,它的根结点的值是最小的,而且它的任意结点的父结点的值都小于或者等于其左右结点的值。因为二进制堆可以使用有组织的列表或数组来表示,所以元素N的子元素位于位置2 * N + 1和2 * N + 2。这种布局使重新安排堆成为可能,因此在添加或删除项时不需要重新分配那么多内存
区分堆(heap)与栈(stack):堆与二叉树有关,像一堆金字塔型泥沙;而栈像一个直立垃圾桶,一列下来。

最大堆

最大堆确保父堆大于或等于它的两个子堆。

最小堆

建堆:

 heapify()

最小堆要求父堆小于或等于其子堆。Python的heapq模块实现了一个最小堆。

要创建一个堆,可以使用list来初始化为 [] ,或者你可以通过一个函数 heapify() ,来把一个list转换成堆。

定义了以下函数:heapq.heappush(heapitem)

将 item 的值加入 heap 中,保持堆的不变性。

heapq.heappop(heap)

弹出并返回 heap 的最小的元素,保持堆的不变性。如果堆为空,抛出 IndexError 。使用 heap[0] ,可以只访问最小的元素而不弹出它。

heapq.heappushpop(heapitem)

将 item 放入堆中,然后弹出并返回 heap 的最小元素。该组合操作比先调用 heappush() 再调用 heappop() 运行起来更有效率。

heapq.heapify(x)

将list x 转换成堆,原地,线性时间内。heapq.heapreplace(heapitem)

弹出并返回 heap 中最小的一项,同时推入新的 item。 堆的大小不变。 如果堆为空则引发 IndexError

这个单步骤操作比 heappop() 加 heappush() 更高效,并且在使用固定大小的堆时更为适宜。 pop/push 组合总是会从堆中返回一个元素并将其替换为 item

返回的值可能会比添加的 item 更大。 如果不希望如此,可考虑改用 heappushpop()。 它的 push/pop 组合会返回两个值中较小的一个,将较大的值留在堆中。

heapq.nlargest(niterablekey=None)

从 iterable 所定义的数据集中返回前 n 个最大元素组成的列表。 如果提供了 key 则其应指定一个单参数的函数,用于从 iterable 的每个元素中提取比较键 (例如 key=str.lower)。 等价于: sorted(iterable, key=key, reverse=True)[:n]

heapq.nsmallest(niterablekey=None)

从 iterable 所定义的数据集中返回前 n 个最小元素组成的列表。 如果提供了 key 则其应指定一个单参数的函数,用于从 iterable 的每个元素中提取比较键 (例如 key=str.lower)。 等价于: sorted(iterable, key=key)[:n]

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。

命名的对象是张量的维度:

NCHW = [‘N’, ‘C’, ‘H’, ‘W’]
#张量命名
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')

命名张量允许用户为张量维度指定明确的名称。在大多数情况下,采用维度参数的操作将接受维度名称,从而无需按位置跟踪维度。此外,命名张量使用名称来自动检查 API 在运行时是否被正确使用,从而提供额外的安全性。名称还可用于重新排列维度,例如,支持“按名称广播”而不是“按位置广播”。

使用方法:对于任意张量,采用一个 names 参数,参数值是一个字符类型列表or元组,值表示维度名称,将名称与每个维度相关联。

>>> torch.zeros(2, 3, names=('N', 'C'))
tensor([[0., 0., 0.],
        [0., 0., 0.]], names=('N', 'C'))


<!-- wp:preformatted -->
<pre id="codecell0" class="wp-block-preformatted">>>> <strong>torch.zeros(</strong>2<strong>,</strong> 3<strong>,</strong> <strong>names=(</strong>'N'<strong>,</strong> 'C'<strong>))</strong>
tensor([[0., 0., 0.],
        [0., 0., 0.]], names=('N', 'C'))


#获得维度的名称为i的tensor
tensor.names[i]#获得为维度的名称i的tensor

以下函数支持命名张量:

使用tensor.names访问张量的维度名称和 tensor.rename()重命名命名:

>>> imgs = torch.randn(1, 2, 2, 3 , names=('N', 'C', 'H', 'W'))
>>> imgs.names
('N', 'C', 'H', 'W')

>>> renamed_imgs = imgs.rename(H='height', W='width')
>>> renamed_imgs.names
('N', 'C', 'height', 'width)

命名张量可以与未命名张量共存;命名张量是 的实例 torch.Tensor。未命名张量具有命名None维度。命名张量不需要命名所有维度。

>>> imgs = torch.randn(1, 2, 2, 3 , names=(None, 'C', 'H', 'W'))
>>> imgs.names
(None, 'C', 'H', 'W')

名称传播语义

命名张量使用名称来自动检查 API 在运行时是否被正确调用。这发生在一个名为name inference的过程中。更正式地说,名称推断包括以下两个步骤:

  • 检查名称:操作员可以在运行时执行自动检查,以检查某些维度名称是否必须匹配。
  • 传播名称:名称推断将名称传播到输出张量。

所有支持命名张量的操作都会传播名称。

>>> x = torch.randn(3, 3, names=('N', 'C'))
>>> x.abs().names
('N', 'C')

官方文档地址: https://pytorch.org/docs/stable/named_tensor.html

PyTorch常用代码段合集

挺有用的,保留下来,撸代码的时候参考备用。

作者丨Jack Stark@知乎

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/104019160

本文是PyTorch常用代码段合集,涵盖基本配置、张量处理、模型定义与操作、数据处理、模型训练与测试等5个方面,还给出了多个值得注意的Tips,内容非常全面。

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](张皓:PyTorch Cookbook)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.backends.cudnn.version())
print(torch.cuda.get_device_name(0))

可复现性

在硬件设备(CPU、GPU)不同时,完全的可复现性无法保证,即使随机种子相同。但是,在同一个设备上,应该保证可复现性。具体做法是,在程序开始的时候固定torch的随机种子,同时也把numpy的随机种子固定。

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(Tensor)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.

Torch.tensor与PIL.Image转换

# pytorch中的张量默认采用[N, C, H, W]的顺序,并且数据范围在[0,1],需要进行转置和规范化
# torch.Tensor -> PIL.Image
image = PIL.Image.fromarray(torch.clamp(tensor*255, min=0, max=255).byte().permute(1,2,0).cpu().numpy())
image = torchvision.transforms.functional.to_pil_image(tensor)  # Equivalently way

# PIL.Image -> torch.Tensor
path = r'./figure.jpg'
tensor = torch.from_numpy(np.asarray(PIL.Image.open(path))).permute(2,0,1).float() / 255
tensor = torchvision.transforms.functional.to_tensor(PIL.Image.open(path)) # Equivalently way

np.ndarray与PIL.Image的转换

image = PIL.Image.fromarray(ndarray.astype(np.uint8))

ndarray = np.asarray(PIL.Image.open(path))

从只包含一个元素的张量中提取值


value = torch.rand(1).item()

item() → number  将单个元素的tensor数值转换为普通的python数值。
Returns the value of this tensor as a standard Python number. This only works for tensors with one element. For other cases, see tolist().

This operation is not differentiable.

Example:

>>> x = torch.tensor([1.0])
>>> x.item()
1.0

torch向量转python list :tolist()

tolist() -> list or number

Returns the tensor as a (nested) list. For scalars, a standard Python number is returned, just like with item(). Tensors are automatically moved to the CPU first if necessary.

This operation is not differentiable.

Examples:

>>> a = torch.randn(2, 2)
>>> a.tolist()
[[0.012766935862600803, 0.5415473580360413],
 [-0.08909505605697632, 0.7729271650314331]]
>>> a[0,0].tolist()
0.012766935862600803

张量形变

# 在将卷积层输入全连接层的情况下通常需要对张量做形变处理,
# 相比torch.view,torch.reshape可以自动处理输入张量不连续的情况。
tensor = torch.rand(2,3,4)
shape = (6, 4)
tensor = torch.reshape(tensor, shape)

打乱顺序

tensor = tensor[torch.randperm(tensor.size(0))]  # 打乱第一个维度

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
张量扩展
# Expand tensor of shape 64*512 to shape 64*512*7*7.
tensor = torch.rand(64,512)
torch.reshape(tensor, (64, 512, 1, 1)).expand(64, 512, 7, 7)
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
利用broadcast机制
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。

双线性汇合(bilinear pooling)

X = torch.reshape(N, D, H * W)                        # Assume X has shape N*D*H*W
X = torch.bmm(X, torch.transpose(X, 1, 2)) / (H * W)  # Bilinear pooling
assert X.size() == (N, D, D)
X = torch.reshape(X, (N, D * D))
X = torch.sign(X) * torch.sqrt(torch.abs(X) + 1e-5)   # Signed-sqrt normalization
X = torch.nn.functional.normalize(X)                  # L2 normalization

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(包括通过继承得到的父类中的参数)
params = list(model.named_parameters())
(name, param) = params[28]
print(name)
print(param.grad)
print('-------------------------------------------------')
(name2, param2) = params[29]
print(name2)
print(param2.grad)
print('----------------------------------------------------')
(name1, param1) = params[30]
print(name1)
print(param1.grad)

模型可视化(使用pytorchviz)

szagoruyko/pytorchvizgithub.com
类似 Keras 的 model.summary() 输出模型信息,使用pytorch-summary
sksq96/pytorch-summarygithub.com

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])


部分层使用预训练模型
注意如果保存的模型是 torch.nn.DataParallel,则当前的模型也需要是
model.load_state_dict(torch.load('model.pth'), strict=False)
将在 GPU 保存的模型加载到 CPU
model.load_state_dict(torch.load('model.pth', map_location='cpu'))

导入另一个模型的相同部分到新的模型
模型导入参数时,如果两个模型结构不一致,则直接导入参数会报错。用下面方法可以把另一个模型的相同的部分导入到新的模型中。
# model_new代表新的模型
# model_saved代表其他模型,比如用torch.load导入的已保存的模型
model_new_dict = model_new.state_dict()
model_common_dict = {k:v for k, v in model_saved.items() if k in model_new_dict.keys()}
model_new_dict.update(model_common_dict)
model_new.load_state_dict(model_new_dict)

4. 数据处理

计算数据集的均值和标准差
import os
import cv2
import numpy as np
from torch.utils.data import Dataset
from PIL import Image


def compute_mean_and_std(dataset):
    # 输入PyTorch的dataset,输出均值和标准差
    mean_r = 0
    mean_g = 0
    mean_b = 0

    for img, _ in dataset:
        img = np.asarray(img) # change PIL Image to numpy array
        mean_b += np.mean(img[:, :, 0])
        mean_g += np.mean(img[:, :, 1])
        mean_r += np.mean(img[:, :, 2])

    mean_b /= len(dataset)
    mean_g /= len(dataset)
    mean_r /= len(dataset)

    diff_r = 0
    diff_g = 0
    diff_b = 0

    N = 0

    for img, _ in dataset:
        img = np.asarray(img)

        diff_b += np.sum(np.power(img[:, :, 0] - mean_b, 2))
        diff_g += np.sum(np.power(img[:, :, 1] - mean_g, 2))
        diff_r += np.sum(np.power(img[:, :, 2] - mean_r, 2))

        N += np.prod(img[:, :, 0].shape)

    std_b = np.sqrt(diff_b / N)
    std_g = np.sqrt(diff_g / N)
    std_r = np.sqrt(diff_r / N)

    mean = (mean_b.item() / 255.0, mean_g.item() / 255.0, mean_r.item() / 255.0)
    std = (std_b.item() / 255.0, std_g.item() / 255.0, std_r.item() / 255.0)
    return mean, std


得到视频数据基本信息
import cv2
video = cv2.VideoCapture(mp4_path)
height = int(video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
width = int(video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
num_frames = int(video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT))
fps = int(video.get(cv2.CAP_PROP_FPS))
video.release()
TSN 每段(segment)采样一帧视频
K = self._num_segments
if is_train:
    if num_frames > K:
        # Random index for each segment.
        frame_indices = torch.randint(
            high=num_frames // K, size=(K,), dtype=torch.long)
        frame_indices += num_frames // K * torch.arange(K)
    else:
        frame_indices = torch.randint(
            high=num_frames, size=(K - num_frames,), dtype=torch.long)
        frame_indices = torch.sort(torch.cat((
            torch.arange(num_frames), frame_indices)))[0]
else:
    if num_frames > K:
        # Middle index for each segment.
        frame_indices = num_frames / K // 2
        frame_indices += num_frames // K * torch.arange(K)
    else:
        frame_indices = torch.sort(torch.cat((                              
            torch.arange(num_frames), torch.arange(K - num_frames))))[0]
assert frame_indices.size() == (K,)
return [frame_indices[i] for i in range(K)]



常用训练和验证数据预处理
其中 ToTensor 操作会将 PIL.Image 或形状为 H×W×D,数值范围为 [0, 255] 的 np.ndarray 转换为形状为 D×H×W,数值范围为 [0.0, 1.0] 的 torch.Tensor。
train_transform = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.RandomResizedCrop(size=224,
                                             scale=(0.08, 1.0)),
    torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(),
    torchvision.transforms.ToTensor(),
    torchvision.transforms.Normalize(mean=(0.485, 0.456, 0.406),
                                     std=(0.229, 0.224, 0.225)),
 ])
 val_transform = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.Resize(256),
    torchvision.transforms.CenterCrop(224),
    torchvision.transforms.ToTensor(),
    torchvision.transforms.Normalize(mean=(0.485, 0.456, 0.406),
                                     std=(0.229, 0.224, 0.225)),
])

5. 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
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()



Mixup训练
beta_distribution = torch.distributions.beta.Beta(alpha, alpha)
for images, labels in train_loader:
    images, labels = images.cuda(), labels.cuda()

    # Mixup images and labels.
    lambda_ = beta_distribution.sample([]).item()
    index = torch.randperm(images.size(0)).cuda()
    mixed_images = lambda_ * images + (1 - lambda_) * images[index, :]
    label_a, label_b = labels, labels[index]

    # Mixup loss.
    scores = model(mixed_images)
    loss = (lambda_ * loss_function(scores, label_a)
            + (1 - lambda_) * loss_function(scores, label_b))
    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']



学习率衰减
# Reduce learning rate when validation accuarcy plateau.
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='max', patience=5, verbose=True)
for t in range(0, 80):
    train(...)
    val(...)
    scheduler.step(val_acc)

# Cosine annealing learning rate.
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=80)
# Reduce learning rate by 10 at given epochs.
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones=[50, 70], gamma=0.1)
for t in range(0, 80):
    scheduler.step()    
    train(...)
    val(...)

# Learning rate warmup by 10 epochs.
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lambda t: t / 10)
for t in range(0, 10):
    scheduler.step()
    train(...)
    val(...)



优化器链式更新
从1.4版本开始,torch.optim.lr_scheduler 支持链式更新(chaining),即用户可以定义两个 schedulers,并交替在训练中使用。
import torch
from torch.optim import SGD
from torch.optim.lr_scheduler import ExponentialLR, StepLR
model = [torch.nn.Parameter(torch.randn(2, 2, requires_grad=True))]
optimizer = SGD(model, 0.1)
scheduler1 = ExponentialLR(optimizer, gamma=0.9)
scheduler2 = StepLR(optimizer, step_size=3, gamma=0.1)
for epoch in range(4):
    print(epoch, scheduler2.get_last_lr()[0])
    optimizer.step()
    scheduler1.step()
    scheduler2.step()



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
使用SummaryWriter类来收集和可视化相应的数据,放了方便查看,可以使用不同的文件夹,比如'Loss/train'和'Loss/test'。
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
import numpy as np

writer = SummaryWriter()

for n_iter in range(100):
    writer.add_scalar('Loss/train', np.random.random(), n_iter)
    writer.add_scalar('Loss/test', np.random.random(), n_iter)
    writer.add_scalar('Accuracy/train', np.random.random(), n_iter)
    writer.add_scalar('Accuracy/test', np.random.random(), n_iter)



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)


提取 ImageNet 预训练模型某层的卷积特征
# VGG-16 relu5-3 feature.
model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True).features[:-1]
# VGG-16 pool5 feature.
model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True).features
# VGG-16 fc7 feature.
model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True)
model.classifier = torch.nn.Sequential(*list(model.classifier.children())[:-3])
# ResNet GAP feature.
model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
model = torch.nn.Sequential(collections.OrderedDict(
    list(model.named_children())[:-1]))

with torch.no_grad():
    model.eval()
    conv_representation = model(image)




提取 ImageNet 预训练模型多层的卷积特征
class FeatureExtractor(torch.nn.Module):
    """Helper class to extract several convolution features from the given
    pre-trained model.

    Attributes:
        _model, torch.nn.Module.
        _layers_to_extract, list<str> or set<str>

    Example:
        >>> model = torchvision.models.resnet152(pretrained=True)
        >>> model = torch.nn.Sequential(collections.OrderedDict(
                list(model.named_children())[:-1]))
        >>> conv_representation = FeatureExtractor(
                pretrained_model=model,
                layers_to_extract={'layer1', 'layer2', 'layer3', 'layer4'})(image)
    """
    def __init__(self, pretrained_model, layers_to_extract):
        torch.nn.Module.__init__(self)
        self._model = pretrained_model
        self._model.eval()
        self._layers_to_extract = set(layers_to_extract)

    def forward(self, x):
        with torch.no_grad():
            conv_representation = []
            for name, layer in self._model.named_children():
                x = layer(x)
                if name in self._layers_to_extract:
                    conv_representation.append(x)
            return conv_representation



微调全连接层
model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
for param in model.parameters():
    param.requires_grad = False
model.fc = nn.Linear(512, 100)  # Replace the last fc layer
optimizer = torch.optim.SGD(model.fc.parameters(), lr=1e-2, momentum=0.9, weight_decay=1e-4)


以较大学习率微调全连接层,较小学习率微调卷积层
model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
finetuned_parameters = list(map(id, model.fc.parameters()))
conv_parameters = (p for p in model.parameters() if id(p) not in finetuned_parameters)
parameters = [{'params': conv_parameters, 'lr': 1e-3}, 
              {'params': model.fc.parameters()}]
optimizer = torch.optim.SGD(parameters, lr=1e-2, momentum=0.9, weight_decay=1e-4)

6. 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 torchsnooperimport 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

https://github.com/zasdfgbnm/TorchSnoopergithub.com
模型可解释性,使用captum库:https://captum.ai/captum.ai

torch模型的保存和读取

pytorch中模型的保存和读取:torch.load torch.save

1、读取tensor

我们可以直接使用save函数和load函数分别存储和读取Tensorsave使用Python的pickle实用程序将对象进行序列化,然后将序列化的对象保存到disk,使用save可以保存各种对象,包括模型、张量和字典等。而load使用pickle unpickle工具将pickle的对象文件反序列化为内存

import torch
from torch import nn

x = torch.ones(3)
torch.save(x, 'x.pt')
x2 = torch.load('x.pt')\

存储一个Tensor列表并读回内存。
y = torch.zeros(4)
torch.save([x, y], 'xy.pt')
xy_list = torch.load('xy.pt')
xy_list

存储并读取一个从字符串映射到Tensor的字典。

torch.save({'x': x, 'y': y}, 'xy_dict.pt')
xy = torch.load('xy_dict.pt')
xy

读写模型:

在PyTorch中,Module的可学习参数(即权重和偏差),模块模型包含在参数中(通过model.parameters()访问)。state_dict是一个从参数名称隐射到参数Tesnor的字典对象。

1、将模型和参数都保存和读取

torch.save(model, PATH)

model = torch.load(PATH)

2、只存储模型参数(state_dict)

torch.save(model.state_dict(), PATH) # 推荐的文件后缀名是pt或pth

加载:

model = TheModelClass(*args, **kwargs)

model.load_state_dict(torch.load(PATH))

圣诞快乐

torchtext.vocab的学习

NLP常见的数据预处理工作如下:

  1. Load File:数据文件加载;
  2. Tokenization:分词;
  3. Create Vocabulary:创建字典;
  4. Indexify:将词与索引进行映射;
  5. Word Vectors:创建或加载词向量;
  6. Padding or Fix Length:按长度对文本进行补齐或截取;
  7. Dataset Splits:划分数据集(如将数据集划分问训练集、验证集、测试集);
  8. Batching and Iterators:将数据集按固定大小划分成Batch;

使用torchtext完成以上工作:

  • 使用torchtext.data.Field定义样本各个字段的处理流程(分词、数据预处理等);
  • 使用torchtext.data.Example将torchtext.data.Field处理成一条样本;
  • 使用torchtext.data.Dataset将torchtext.data.Example处理成数据集,也可对数据集进行划分等工作;
  • 使用torchtext.data.Iterators将torchtext.data.Dataset按照batch_size组装成Batch供模型训练使用;
  • 使用torchtext.data.vocab和torchtext.data.Vectors创建词典、词和索引的一一对应、下载或使用预训练的词向量等;

  • vocab
  • 一句话概括主要是用来建立词汇表创建词典、词和索引的一一对应、下载或使用预训练的词向量等

    常见的词嵌入模型:word2vec Glove

    Pretrained Word Embeddings

    CLASS torchtext.vocab.GloVe(name='840B', dim=300, **kwargs)
    
    CLASS torchtext.vocab.FastText(language='en', **kwargs)
    
    CLASS torchtext.vocab.ChaarNGram(**kwargs)

    返回的实例主要有以下三个属性:

    • stoi: 词到索引的字典:
    • itos: 一个列表,索引到词的映射;
    • vectors: 词向量。

    通过上面的模块,实现由词到向量之间的转换!!!

    vocab.Vocab 是一个词汇表对象(由 下面的vocab 生成 Vocab 对象),使用counter创建词汇表

    collections.Counter 构建词汇表

    class collections.Counter([iterable-or-mapping])

    一个 Counter 是一个 dict 的子类,用于计数可哈希对象。它是一个集合,元素像字典键(key)一样存储,它们的计数存储为值。计数可以是任何整数值,包括0和负数。 Counter 类有点像其他语言中的 bags或multisets。Counter实际上也是dict的一个子类,之不多可以统计不同的值出现的次数。

    CLASS torchtext.vocab.Vocab(counter, max_size=None, min_freq=1, 
      specials=('<unk>', '<pad>'), vectors=None, unk_init=None, vectors_cache=None,
      specials_first=True)
      定义词汇表。属性:Vocab.freqs, Vocab.stoi, Vocab.itos
      __init__(counter,...)
          从 collections.Counter 构建词汇表
      load_vectors(vectors, **kwargs)
          vectors - GloVe, CharNGram, Vectors 实例,或者可用的预训练向量。
      set_vectors(stoi, vectors, dim, unk_init=...)
          从一个张量集合中设置词汇表实例的向量。
          stoi - 字符串 到 `vectors` 相应向量的索引 的字典
          vectors - 该参数支持索引 __getitem__。输入一个索引值,返回索引对应词条的向量(FloatTensor)。
                例如:vector[stoi["string"]] 应该返回 “string" 的词向量。
          dim - 词向量的维度

    torchtext.vocab.vocab 使用dict创建词汇表对象

    torchtext.vocab.vocabordered_dict: Dict , min_freq: int = 1 ) → torchtext.  vocab.Vocab[来源]

    用于创建将标记映射到索引的vocab对象的工厂方法。

    请注意,在构建vocab时,将遵守在ordered_dict中插入键值对的顺序。因此,如果按标记频率排序对用户很重要,则应以反映这一点的方式创建ordered_dict。

    参数

    • ordered_dict – 有序字典将标记映射到它们相应的出现频率。
    • min_freq – 在词汇表中包含一个标记所需的最小频率。

    Returns

    A Vocab objectReturn type

    torchtext.vocab.Vocab

    根据分好词的训练数据集来创建词典,过滤掉了出现次数少于5的词。

    
    #实例
    def get_vocab_imdb(data):
        tokenized_data = get_tokenized_imdb(data)
        counter = collections.Counter([tk for st in tokenized_data for tk in st])
        return Vocab.vocab(counter, min_freq=5)
    
    vocab = get_vocab_imdb(train_data)
    '# words in vocab:', len(vocab)
    
    输出:('# words in vocab:', 46151)
    
    

    SubwordVocab: 构建子词汇表

    CLASS torchtext.vocab.SubwordVocab(counter, max_size=None, specials='<pad>'
        vectors=None, unk_init=...)
      __init__(counter, ...)
          从 collections.Counter 构建子词词汇表,
          specials - padding or eos 等

    Vectors:返回词向量

    Look up embedding vectors of tokens

    CLASS torchtext.vocab.Vectors(name, cache=None, url=None, unk_init=None,
        max_vectors=None)
      __init__(name, cache=None, url=None, unk_init=None, max_vectors=None)
          name - 包含向量的文件名
          cache - 缓存向量文件的目录
          url - 如果缓存中没有找到向量文件,则从该链接下载
          max_vectors - 用于限制加载的预训练此向量的数量。大部分预训练的向量集都是按照词频降序排列
             在整个集合不适合内存或者不需要全部加载的情况下,可以加此限制。
      get_vecs_by_tokens(tokens, lower_case_backup=False)
          用于查找词条的嵌入向量。
          tokens - 一个词条或词条列表。如果一个词条,返回 self.dim 形状的一维张量;如果列表,返回
                 (len(tokens), self.dim)形状的二维张量。
          lower_case_backup -  是否查找小写的词条。如果为True,先按原格式在 `stoi` 查找,
                没找到的话,再查小写格式
    
    examples = ['chip', 'baby', 'Beautiful']
    vec = text.vocab.GloVe(name='6B', dim=50)
    ret = vec.get_vecs_by_tokens(tokens, lower_case_backup=True)

    build_vocab_from_iterator :从迭代器创建vocab

    torchtext.vocab.build_vocab_from_iterator(iterator, num_lines=None)
        从 迭代器 建立词汇表
        iterator - 必须产生词条的列表或迭代器
        num_lines - 迭代器返回元素的预期数量。
    
    
    torchtext.vocab.build_vocab_from_iterator(iterator: Iterable, min_freq: int = 1, specials: Optional[List[str]] = None, special_first: bool = True) → torchtext.vocab.vocab.Vocab[SOURCE]
    Build a Vocab from an iterator.
    
    Parameters
    iterator – Iterator used to build Vocab. Must yield list or iterator of tokens.
    
    min_freq – The minimum frequency needed to include a token in the vocabulary.
    
    specials – Special symbols to add. The order of supplied tokens will be preserved.
    
    special_first – Indicates whether to insert symbols at the beginning or at the end.
    https://pixabay.com/